АНАЛИЗ ПОЧВ И ДРЕВЕСНОЙ БИОМАССЫ НАЦИОНАЛЬНОГО ПАРКА «КЫРГЫЗ-АТА»

Резюме В работе изучено содержание тяжелых металлов в почве и древесной биомассе, отобранных на территории Национального парка «Кыргыз-Ата» (Ноокатский район, Ошская область, Кыргызская Республика), которая является частью системы мониторинга. Превышение концентраций тяжелых металлов (ТМ) в почве относительно ПДК установлены для As, Zn, Ni и Cu. Предположено, что природа этих элементов исходит от окружающих геологических пород: содержание металлов в верхних и нижних слоях почвы было одинаковым. Концентрации свинца в А горизонтах почвы были выше, чем Б горизонтах, что, вероятно, может быть следствием повышенной абсорбции мягкого металла свинца гумусовым слоем почвы. Уровни Cu и Zn также превышали ПДК в древесной биомассе. Негативное воздействие на здоровье населения может иметь место при повышенных уровнях ТМ в сельскохозяйственных продуктах местного происхождения.

Ключевые слова мониторинг, тяжелые металлы, почва, биомасса, национальный парк.

ANALYSIS OF THE SOILS AND TREE BIOMASS IN THE NATIONAL PARK «KYRGYZ-ATA»

Nurbek K. Kuldanbaev 1,4 , Rolf D. Vogt 2 , Arnold Arnoldussen 3 , Talant N. Sydykbaev 1 , Tonje Økland 3 , Odd Eilertsen 3†

1 Public Foundation «Relascope» (Bishkek, the Kyrgyz Republic (KR)), 2 Department of chemistry, University of Oslo (Oslo, Norway), 3 Norwegian Forest and Landscape Institute (Ås, Norway), Norwegian Forestry Group (Oslo, Norway), 4 Scientific and Production Center for Preventive Medicine (Bishkek, the KR).

Abstract The content of heavy metals in soil and needles samples was studied at the National Park «Kyrgyz-Ata» (Nookat district, Osh Oblast, the Kyrgyz Republic) as a part of an environmental monitoring. Concentrations exceeding maximum permissible concentration (MPC) of heavy metals in soil were found for As, Zn, Ni and Cu. It is believed that these elements origin from the parent underlying geological substrates since their average levels are the same in upper and lower soil layers. Lead had higher concentration in the A horizons than in the B horizons. This is possibly due to stronger absorption of the soft metal Pb to humus. The concentrations of Cu and Zn exceeded also the MPC in tree needles. Negative impact on the health of the local population could result if elevated levels of heavy metals also are present in locally produced food.

Keywords environmental monitoring, heavy metals, soil, biomass, national park.

ВВЕДЕНИЕ

Ферганская долина является территорией, где все проблемы Центральной Азии (ЦА) — проблема границ, бедности, дефицита плодородных земель и водных ресурсов, загрязнения окружающей среды, захоронения промышленных отходов, безработицы, межэтнических противоречий и другие, представлены в концентрированном виде и сплетены в сложный клубок противоречий. На сегодня здесь проживает более 20% населения всей ЦА, по оценкам экспертов 14-15 млн. человек [30, 31]. Средняя плотность населения в долине составляет около 100 чел./км 2 , а в равнинной части долины — более 350 чел./км 2 (в Андижанской области Узбекистана плотность населения превышает 500 чел./км 2 ). То есть, совершенно отчетливо просматривается аграрная перенаселенность, когда в наиболее плодородных районах на 1 чел. приходится всего 0,6 га земли, таким образом, долина является одним из самых густонаселенных регионов Земли.

Основные сектора экономики в Ферганской долине — сельское хозяйство, металлургия, нефтегазовая и угольная промышленность. Поэтому следы активной деятельности человека отмечаются повсеместно — многочисленные очертания сельскохозяйственных полей, карьеров, отвалов, хвостохранилищ, дорог, искусственных водоемов. Регион, расположенный в ртутном геохимическом поясе, содержит большие запасы минеральных отложений ртути и других редкоземельных металлов, в т.ч. сурьмы. Кроме того, в период СССР для получения рекордных урожаев хлопка в почву вносились огромные массы различных удобрений.

Поэтому сегодня почва Ферганской долины загрязнена ТМ и другими токсическими соединениями, которые превышают ПДК в несколько раз [30, 31]. Эти почвенные загрязнители, частично улетучиваясь и/или адсорбируясь на пылевых частицах, распределяются во время бурь и воздействуют на чувствительные горные экосистемы. Как известно, леса ЦА играют важную экологическую роль: сохраняют биоразнообразие, аккумулируют влагу и регулируют стоки талых вод, укрепляют почву и препятствуют образованию оползней, являются местом отдыха и оздоровления населения [2, 25, 29].

При управлении чрезвычайными ситуациями природного и техногенного характера одним из важных мероприятий оценки рисков является мониторинг состояния воздушной среды. Сегодня из-за отсутствия в ЦА такой системы мониторинга не представляется возможным оценивать влияние воздушных загрязнителей на человека и природу. При поддержке МИД Норвегии, в рамках проекта по мониторингу окружающей среды и лесов ЦА (ТЕМР-СА), с 2004 г. по 2009 г. была установлена система мониторинговых площадок в горных лесах Ферганской долины. Площадки наблюдения установлены на территории Кыргызстана, Узбекистана и Таджикистана.

В отмеченной выше системе мониторинга изучению почвы уделяется особое значение, т.к. почвенные данные являются наиболее доступными, широко используемыми и информативными. Систематический контроль качества и свойств почвы позволяет выявлять изменения плодородия почвы, устанавливать возможное увеличение уровней загрязнителей, в т.ч. в результате неправильного землепользования. Это также дает возможность фермерам и управленцам на основе научных знаний использовать рекомендации по устойчивому управлению природными ресурсами и восстановлению плодородия почвы [1-6, 17].

Целью настоящих исследования явилась оценка состояния окружающей среды Национального парка «Кыргыз-Ата», южной части Ферганской долины, на основе изучения свойств почвы и древесной биомассы.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Описание исследуемой местности

Национальный парк «Кыргыз-Ата» расположен на северном склоне Алайского горного хребта. По физико-географическому районированию эта территория принадлежит Алай-Туркестанской провинции Ферганской горной области. Административно исследуемая местность относится к Ноокатскому району Ошской области Кыргызской Республики. Территория парка используется населением в качестве рекреационной зоны, выращивания сельхозпродуктов, выпаса животных, сбора продуктов леса и заготовки дров [2, 4, 25, 29].

Ферганская долина — межгорная впадина в предгорьях Тянь-Шаня, протяженностью до 300 км с запада на восток и до 170 км с севера на юг. Большое влияние на климатические условия долины оказывают сильные ветры, направления которых определяются местным рельефом. Климат имеет различия от востока на запад: более влажный восток, который менее подвержен частым и тяжелым ветрам, и засушливая западная часть, где преобладают сильные ветры. Из центра долины нагретый воздух поднимается в горы, и на высоте более 1 км возникает обратное течение, однако оно не компенсирует отток воздуха из долины, и потому воздух притекает из степи. Эти ветры, иссушая поверхностные слои почвы весной, становятся причиной сильных пыльных бурь: сила ветров достигает 30-35 м/сек [29, 30].

Изучаемая местность входит в состав тектонической области Южный Тянь-Шань. Основные особенности — широкое развитие среднего и верхнего палеозоя разнообразных по составу геосинклинальных формаций; основная складчатость — среднегерцинская линейная с широким развитием надвигов и шарьяжей; завершающая – позднегерцинское, развитое в верхнепалеозойских молласовых и флишевой формациях; красноцветная континентальная моласса перьми заполняет «остаточные красные мульды». Ограниченно распространены верхнепалеозойские гранитоидные интрузии, характерны интрузии щелочной магмы. Палеозойское складчатое основание с региональным несогласием перекрыта мезозойскими и кайназойскими отложениями, заполняющими межгорные и предгорные впадины [2, 4, 25, 29].

Рельеф здесь выработан, в основном, в палеозойских и протреозойских породах, и структура его зависит от диапазона высот, экспозиции склонов, литологического состава пород. Широко развиты скалистые формы рельефа. Тектонико-денудационный рельеф выработан в мезозойских и палеоген-неогеновых отложениях. Это бывшие прогибы, которые в позднем плейоцен – плейстоцене испытали мощные тектонические поднятия. Рельеф данной местности отличен тем, что на поверхность выходят палеозойские и протерозойские породы. Возраст становления тектоноко-денудационного рельефа в основном неоген — раннечетвертичный и развитие его продолжается и в настоящее время [2, 4, 25, 29].

Основной древесной растительностью являются горные арчевые леса, произрастающие от предгорий до субальпийских лугов. Леса образованы в основном тремя видами древовидной арчи: Juniperus (J.) Turkestanica, J. Zeravshanika и J. Semigloboza. Высотные границы распространения леса не стабильны и варьируют в зависимости от условий местопроизрастания. В наиболее ксерофитных условиях произрастает J. Zeravshanika. На территории парка этот вид встречается только по южным склонам, чаще единично, до высот 2500 м. На высотах до 2500 м на северных склонах и до 2800 м на южных склонах преобладает J. Semigloboza. В нижней части этого пояса довольно часто встречается J. Zeravshanika, а в верхней – J. Turkestanica древовидной формы. До 3000 м на северных и 3300 м на южных склонах преобладает J. Turkestanica. В верхней части, в пределах 3000 – 3700 м над ур. м, J. Turkestanica образует стланниковые заросли [2].

Установка мониторинговых площадок

Мониторинговые площадки устанавливались по стандартной методике, которая была разработана в 1985 г. по программе ICP-Forests под эгидой Конвенции по трансграничному загрязнению воздуха на большие расстояния ЕЭК ООН [7, 19-21]. Установка площадок (плотов) проводилась следующим образом: 10 макро-плотов, каждая размеров 10х10 м, размещались субъективно с таким учетом, чтобы представить всю разновидность окружающей среды вдоль важных экологических градиентов: по склону, условиям питания, свету, топографии, влажности почвы и т.д. Каждый плот 10 м 2 размещался в центре плота размером 30х30 м, в котором исследовалось каждое дерево.

Все площадки устанавливались в местности с общим небольшим водным бассейном (водозабором). Внутри каждого макро-плота путем случайной выборки (20 из 100 возможных вариантов), устанавливались 5 плотов 1 м 2 , при этом каждый плот не соприкасался с соседним и расстояние между ними составляло 1 м. Координаты плотов 1 м 2 отклонялись при: 1) совмещении углов или сторон соседних плотов; 2) размещении дерева, кустарника внутри плота; 3) наличии физического повреждении внутри плота: отсутствие почвенного покрова, обширные тропы, следы, раскопки и т.д.; 4) разрушениях природного характера: оползни и т.д.; 5) покрытии почвенной поверхности камнями более чем на 20%; 6) наличии природных объектов высотой 25 см и более.

При отклонении неподходящей координаты выбиралась новая. Все углы плотов 1 м 2 маркировались алюминиевыми трубками длиной 10-15 см, которые вбивались в почву. Дополнительно использовались видимые цветные пластиковые палочки длиной 50 см. В каждый угол плота 30 м 2 и макро-плота 10 м 2 также вбивались алюминиевые трубки, при этом географические координаты левого нижнего угла площадки 10 м 2 фиксировались GPS. Использование алюминиевых маркеров облегчает поиск площадок с помощью металлодетектора. Таким образом, металлические маркеры и GPS координаты позволяют точно устанавливать положение мониторинговых площадок при повторном анализе [7, 16, 17, 19-21].

Отбор проб почвы

Количество и вид проб почвы зависел от рода почвенных горизонтов. Пробы отбирались с 3-х внешних сторон каждого плота 1 м 2 на расстоянии 10-15 см от края, чтобы исключить повреждения и нарушения почвенного покрова внутри пробной площадки. Для отбора проб почвы использовался бурав Эдельмана с максимальной глубиной достижения в 120 см. Наличие карбонатных пород подтверждалось с помощью 1 М раствора HCL. С каждого 1 м 2 плота отбиралась смешанная проба для каждого горизонта почвы и помещалась в картонную коробку объемом 0,5 л. Отобранные пробы хранились в сухом и прохладном месте. За пределами макро-плота проводилось простое описание почвенного профиля, которое давало общую характеристику данного плота [14, 23, 24, 26, 27]. Пробы были отобраны 20-23 октября 2004 г.: погода в день отбора была солнечная, температура воздуха около 0° С.

Отбор проб древесной биомассы

Для определения содержания ТМ в биомассе отбирались пробы листьев (хвои) деревьев. В период май-июнь 2005 г. было отобрано 30 проб древесной биомассы: с 3 образцов деревьев одного доминирующего вида с каждого плота 30 м 2 в количестве 100-150 гр. Пробы отбирались только с живой части кроны. Образцы сушились в чистой комнате и хранились в прохладном месте в перфорированных полиэтиленовых или бумажных пакетах до доставки их в специализированную лабораторию [14, 23, 24, 26, 27].

Химический анализ почвы и древесной биомассы

Многоэлементный анализ проб почвы и древесной биомассы, разложенных в царской водке, проводился согласно международным стандартным методам [8-13] в лаборатории ОсОО «Алекс Стюарт энд Инвайронментал Лэборэторис» (г. Кара-Балта, Кыргызстан) с использованием AES-ICP спектрометра.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Характеристика пробных площадок

Различные типы почв были развиты в неоднородном известняковом материале в зависимости от топографического расположения и экспозиции. Макро-плоты были размещены на высоте от 2457 м до 2609 м над ур. м. Почвы в нижней части местности являлись Umbrisols (темные гумусовые почвы). Почвы нижней части склона с южной экспозиции преимущественно относились к Cambisols (почва с начальным формированием, обычно светло-коричневые). Более влажная северная часть с глубокими органическими профилями классифицировалась как Umbrisols, возможно, местами как Chernozems (чернозем). Вершины склонов, особенно их южная часть, была представлена каменистой почвой и классифицировалась как Leptosols (щебенистая почва).

Все почвы имели 2 и более родовые горизонты: А и Б горизонты, покрывающие С слой или материнскую породу. Пробные площадки в нижней части склона обычно имели более глубокие профили, чем расположенные вверху. Это может быть частично результатом чрезмерного выпаса скота на склонах, которые более чувствительны к почвенной эрозии. Оползни от крутых склонов в его нижние части являются общей характерной особенностью местности.

В целом текстура почв варьирует от ила до суглинка или до суглинистой глины, которые обладают высокой катион-обменной способностью. Легко разрушающийся известняк, под воздействием климатических факторов, приводит к достаточному обеспечению почвы основными катионами, тем самым способствуя высокому основному насыщению катионного обмена. Щебенистая почва в верхних частях склона явно свидетельствует об отсутствии влажности в течение длительных засушливых периодов. рН почвы равнялась 7 или немного выше: обычно уровень рН подпочвы несколько выше. Количество и колебание содержания общего углерода и органического вещества в почвах было небольшим.

Органическая почва имеет также высокую способность связывать и аккумулировать токсические субстанции, которые поступают в верхние слои почвы через атмосферные осадки и в процессе внутреннего биогеохимического цикла [14, 35].

Содержание тяжелых металлов в почве и древесной биомассе

Результаты химических анализов проб почв, отобранных на территории Национального парка «Кыргыз-Ата», показали существенное превышение транслокационной ПДК по цинку, мышьяку, меди и никелю (табл. 1). Относительно высокие концентрации, по сравнению с фоновыми и мировыми значениями, установлены также для свинца. Уровни этих элементов в древесной биомассе аналогично были высокими.

Концентрации Zn как в А горизонте, так и Б были выше, чем таковые средние величины для земной коры и мировых показателей (табл. 1): значения превышали ПДК в 4-5 раз. Содержание Zn в образцах хвои деревьев также превышал транслокационную ПДК в 1,3 раза. Цинк имеет средний ковалентный индекс. Концентрации других схожих пограничных элементов (кобальта, никеля, ванадия) имели сильную корреляцию с содержанием железа и алюминия в почве (r>0,7) [35]. Однако для цинка данная корреляция отсутствовала. Несколько повышенные значения Zn в верхних слоях почвы, отсутствие существенно корреляции с Fe и Al и высокие фоновые показатели могут свидетельствовать об антропогенной природе данного элемента. Для подтверждения данного факта необходимо провести детальные исследования.

Средняя концентрация меди в пробах почвы была на порядок больше транслокационной ПДК. Содержание Cu в биомассе деревьев также превышало ПДК (табл. 1). Значение Ni в почве было в 7 раз выше установленной ПДК, в то время как его концентрация в биомассе приближалась к ПДК. Медь и никель являются пограничными элементами, которые имеют одинаковую валентность. Противоположно цинку, для Cu и Ni были установлены сопряженное колебание (ко-вариация) и сильная корреляция с железом и алюминием в почве (r>0,7) [35]. Это позволяет предположить о естественной природе данных элементов.

Среднее содержание As в почве было на порядок выше установленной ПДК и в 3 раза выше средних мировых показателей (табл. 1). Однако эти уровни, аналогично меди и никелю, не выше тех величин, которые отмечаются в отчетах для других регионов республики. Более того, мышьяк равномерно распределяется по всему почвенному профилю, поэтому можно предположить, что As имеет природу от окружающих геологических пород наряду с высокими уровнями Cu и Ni.

Таблица- Содержание тяжелых металлов в почве и древесной биомассе, отобранных на территории Национального парка «Кыргыз-Ата» (уч. Кара-Кой)