CC BY
246УДК 581.84 577:543.53
Д.В. Московченко*, И.Н. Моисеева**, Н.В. Хозяинова** ЭЛЕМЕНТНЫЙ СОСТАВ РАСТЕНИЙ УРЕНГОЙСКИХ ТУНДР
Определено содержание микроэлементов в трех видах растений, типичных для растительности ненарушенных и техногенных участков Уренгойских тундр: багульника болотного (Ledum palustre), пушицы многоколосковой (Eriophorum polystachion) и иван-чая узколистного (Chamaenerion angustifolium). Выявлено, что в составе багульника и пушицы происходит накопление марганца и халькофильных элементов (Cu, Pb, Zn), что типично для растительности тундровой и таежной зон. Иван-чай отличается бедным элементным составом. Различия в содержании большинства элементов на фоновых и техногенных участках невелики, наблюдается слабое загрязнение свинцом и барием.
Микроэлементы, биогеохимия, багульник болотный, пушица, иван-чай.
Введение
Изученность биогеохимических процессов в тундровых ландшафтах до настоящего времени недостаточна. Вместе с тем практика ставит перед исследователями многообразные проблемы, для решения которых необходим анализ вещественного состава фитобиоты. Стабильность биологического круговорота микроэлементов является обязательным условием устойчивости ландшафтных комплексов. Знание биогеохимических особенностей ландшафта позволяет дифференцированно подойти к вопросу рекультивации нарушенных земель, разработать рациональные приемы и способы восстановления биогеоценозов на участках с различной экотоксикологической нагрузкой. Существует также проблема биоиндикации аэротехногенного потока поллютантов, в том числе тяжелых металлов, вызванного функционированием нефтегазодобывающего комплекса. Первоочередные объекты освоения месторождений Тюменского Севера в целом являются незначительными источниками аэротехногенных эмиссий тяжелых металлов [Ермилов и др., 2002]. Однако на отдельных участках фиксируются повышенные концентрации микроэлементов в поверхностных водах [Савченко, 1992] и почвах [Московченко, 1995, 1998; Ермилов и др., 2002]. Загрязнение гидросферы ингредиентами буровых сточных вод охватывает почти всю территорию Уренгойского нефтегазоконденсатного месторождения за счет большого количества кустовых площадок и равномерного их распределения по площади [Бешенцев, Матусе-вич, 2005]. В импактных районах Арктики концентрация отдельных металлов может резко повышаться в верхних современных слоях торфа и превышать фоновые значения более чем в 100 раз [Евсеев, 2006].
Материалы и методы
Целью исследования являлась оценка особенностей накопления микроэлементов в тех видах растений, которые широко распространены в тундровой и таежной зонах Западной Сибири и встречаются как на фоновых территориях, так и на участках техногенеза. Исследования проведены в 2003-2006 гг. на Уренгойском месторождении, для территории которого характерно сочетание лиственничных редколесий, тундровых ерниково-кустарничково-лишайнико-вых тундр, плоскобугристых кустарничково-лишайниково-сфагновых и кочковатых пушицево-осоковых болот. Почвообразующие породы месторождения по происхождению озерно-аллювиальные [Атлас Тюменской области, 1971;
Атлас Ямало-Ненецкого автономного округа, 2004], по механическому составу это крупно- и среднезернистые пески, иногда с прослоями органического материала. Содержание микроэлементов в них очень мало, значительно ниже кларка песчаных пород [Московченко, 2010].
В качестве объектов опробования избраны типичные для многих растительных формаций виды — багульник болотный (Ledum palustre) и пушица многоколосковая (Eriophorum polystachion), представленные в ценозах заболоченных тундр, редколесий, олиготрофных болот и заболоченных лесов. Эти виды также являются важнейшими торфообразователями. Для анализа микроэлементного состава были отобраны вегетирующие зеленые надземные части растений — побеги и листья багульника, листья и стебли пушицы. Помимо растений, типичных для зональных растительных сообществ, были отобраны листья иван-чая (Chamaenerion angustifolium) — растения, типичного для антропогенно-трансформированных местообитаний и пригодного для индикации процессов загрязнения в населенных пунктах и на нефтяных месторождениях Тюменского севера [Шепелева и др., 2008; Филимонова, 2010].
Определение микроэлементного состава проведено методами атомноабсорбционной спектрофотометрии и эмиссионного спектрального анализа. Обработка материалов включала вычисление статистических параметров (среднее M, коэффициент вариации V) и традиционных для биогеохимиче-ских исследований показателей. Были вычислены коэффициенты биологического накопления (Кб) — отношение содержания элемента в золе растения к содержанию в местных почвах (использованы данные о микроэлементном составе Уренгойских тундр И.Ю. Арестовой [2003] с включением собственных данных [Московченко, 2010] по недостающим микроэлементам). Также определены коэффициенты относительного поглощения [Фортескью, 1985] — отношение содержания элемента в обследованном виде растения к среднемировому показателю (использованы подсчеты В. В. Добровольского [2003] для ежегодного прироста растительности суши). Был вычислен удельный коэффициент биогеохимической активности вида — БХА (отношение БХА к числу определенных элементов). Для растений на участках техногенеза были вычислены коэффициенты концентрации Кс — отношение содержания элемента в растениях трансформированных участков к содержанию в растениях фоновых геосистем.
Результаты и обсуждение
Среднее содержание химических элементов в обследованных видах растений Уренгойских тундр представлено в табл. 1-3.
Содержание большинства микроэлементов в обследованных растениях отличается значительной изменчивостью, вычисленные коэффициенты вариации иногда превышают 100 %, выборки для многих элементов статистически неоднородны. Отчасти это определяется разнородностью субстратов, на которых произрастали объекты опробования, отчасти — невысокой точностью метода анализа.
Изучение состава обследованных видов растений свидетельствует, что наблюдаются закономерности, связанные с видовыми различиями в поглощении и аккумуляции микроэлементов. Ранее было отмечено, что растения зональных фитоценозов Ямала, находящихся в авто- и полугидроморфных условиях, отличаются более высокой биогеохимической активностью по сравнению с растениями болот [Московченко, 1995]. Исследования растений Уренгойских тундр подтверждают этот вывод. Значение показателя удельной биогеохимической активности видов, характеризующего интенсивность биоген-
ной аккумуляции элементов, для багульника, доминирующего в ценозах широкого экологического спектра, в том числе в квазикоренных кустарничково-моховых тундрах, составляет 28,3, для пушицы — типичного растения болот — 11,8, а для рудерального иван-чая — всего 3,2.
Таблица 1
Элементный состав багульника болотного (Ledum palustre)
Элемент Среднее содержание, мг/кг V, % Среднемировое содержание в золе растений [Добровольский, 2003] Среднее содержание в почвах региона [Арестова, 2003] Кб
1 2
Mn 519 20 760 95 4100 82 253
Fe 30,9 1236 80 4000 11 900* 0,1
Cr 0,59 23,6 67 35 20 1,2
Ni 1,6 64 81 40 10 6,4
Co 0,1 4 25 10 9 0,4
Cu 4,8 192 49 160 38 5,1
Zn 21 840 36 600 70 12,0
Pb 1,3 52 148 25 10 5,2
Cd 0,11 4,4 109 0,7 0,5 8,8
As 0,12 4,8 66 3 0,75 6,4
Hg 0,01 0,4 38 0,25 0,031* 12,9
Примечание. 1 — в абсолютно сухом веществе, 2 — в золе; * — использованы данные [Московченко, 2010]; средняя зольность багульника составила 2,5 %.
Таблица 2
Элементный состав пушицы многоколосковой (Eriophorum polystachion)
Элемент Среднее содержание, мг/кг V, % Среднемировое содержание в золе растений [Добровольский, 2003] Среднее содержание в почвах региона [Арестова, 2003] Кб
1 2
Mn 677 7050 79 4100 82 86,0
V 2,7 28,6 87 30 30 1,0
Ti 69 715 57 650 1400 0,5
Cr 3,71 38,6 59 35 20 1,9
Sc 3,39 35,3 30 — 5 7,1
Ba 122 1270 122 450 100 12,7
Sr 28,3 295 31 700 50 5,9
Ni 2,9 29,8 43 40 10 3,0
Co 0,53 5,5 43 10 9 0,6
Mo 2,43 25,3 108 10 — —
Cu 10,0 104 98 160 38 2,7
Zn 81 844 111 600 70 12,1
Pb 4,7 49,3 101 25 10 4,9
Sn 0,61 6,35 184 5 — —
Ag 0,52 5,41 95 0,6 0,351 15,4
Примечание. 1 — в абсолютно сухом веществе, 2 — в золе; тире — содержание элемента не определено; средняя зольность пушицы составила 9,6 %.
Ряды биологического поглощения для обследованных растений выглядят следующим образом:
Багульник: Мп>Нд>7п>СС>1\Н>А8>РЬ>Си>Сг>Со>Ре Пушица: Мп>Ад>Ва>7п>8г>РЬ>1\Н>Си>Сг>У>Со>Т1 Иван-чай: 8г>8е>Ва>Мп>М1>7п>Сг>РЬ>Си>Ад>Т1
Наиболее активно происходит накопление в багульнике и пушице марганца — элемента, обладающего очень высокой биогеохимической активностью в тундровых и таежных ландшафтах. Значение коэффициента биологи-
ческого накопления Кб для этого элемента, согласно проведенным подсчетам, составило 253 и 86 соответственно, в то время как среднемировое значение этого показателя для растительности суши составляет 6,68 [Добровольский, 2003]. Таким образом, накопление марганца в обследованных растениях более чем на один математический порядок интенсивнее средних величин. А.И. Перельман [1975] выделил тундровый тип биологического круговорота веществ, свойствами которого являются низкий темп минерализации растительных остатков и важное участие таких элементов, как алюминий, железо, марганец. В этом отношении проведенные исследования подтвердили значительную роль марганца в тундровом биогеохимическом круговороте.
Таблица 3
Элементный состав иван-чая узколистного (Chamaenerion angustifolium)
Элемент Среднее содержание, мг/кг V, % Среднемировое содержание в золе растений [Добровольский, 2003] Среднее содержание в почвах региона [Арестова, 2003] Кб
1 2
Мп 17,0 278,7 99 4100 82 4,1
Ті 23,4 383,6 69 650 1400 0,3
Сг 0,9 14,8 25 35 20 0,9
Эе 2,3 37,7 41 — 5 9,2
Ва 26,8 439,3 51 450 100 5,4
Эг 26,8 439,3 51 700 50 10,7
и 0,98 16,1 26 30 — —
І\1і 0,83 13,6 42 40 10 1,7
Мо 0,27 4,4 75 10 — —
Си 1,0 16,4 32 160 38 0,5
гп 4,4 72,1 30 600 70 1,3
РЬ 0,3 4,9 49 25 10 0,6
Ад 0,0057 0,090 37 0,6 0,351 0,3
Примечание. 1 — в абсолютно сухом веществе, 2 — в золе; тире — содержание элемента не определено.
Четко выделяются две группы химических элементов по их способности к накоплению в растительном материале багульника болотного. Халькофиль-ные элементы (Си, 2п, РЬ, СС, Аэ, Нд) энергично поглощаются багульником, в то время как сидерофильные (Ре, Со, Сг), напротив, содержатся в концентрациях ниже средних значений (Кх < 1). Подобная биогеохимическая специализация свойственна большинству растений ландшафтов кислого глеевого класса [Перельман, 1975; Перельман, Касимов, 1999; Добровольский, 2003]. Отмечалось, что в багульнике максимальные значения Кб характерны для цинка, марганца, кадмия, никеля [Поляков, 2008], что практически совпадает с нашими результатами. Эта закономерность прослеживается и для пушицы. По сравнению со средним содержанием химических элементов в растительности суши [Добровольский, 2003], в пушице многоколосковой энергично накапливаются халькофильные серебро, свинец, цинк, литофильные марганец и барий. Очень слабо происходит накопление сидерофильного кобальта.
Зависимость накопления элемента от принадлежности его к той или иной классификационной группе связана с подвижностью в условиях ландшафтов кислого и кислого глеевого классов водной миграции. Халькофильные элементы, как правило, в этих условиях проявляют катионогенные свойства, причем именно катионогенные элементы наиболее подвижны в условиях кислых почв. Факт интенсивного накопления сильных катионогенных элементов в растениях в условиях гумидного климата неоднократно описывался в литера-
туре [Добровольский, 1969; Скарлыгина-Уфимцева и др., 1970]. Для тундровой растительности преобладание среди поглощаемых элементов Мп, Ва, Бг подчеркивалось в работах М.А. Глазовской [1988], В.В. Добровольского с со-авт. [1986]. Таким образом, зональные ландшафтно-геохимические условия во многом определяют показатели биогеохимического накопления веществ.
Сопоставление с данными о составе багульника других географических регионов говорит о довольно сильных различиях, связанных с зональными ландшафтно-геохимическими условиями. В багульнике Васюганского болота (среднетаежная подзона, Томская обл.) накопление сидерофильных элементов (Ре, Сг) составляет соответственно 222 и 0,81 мг/кг абс. сухого веса [Цы-букова и др., 2000; Белоусов и др., 2002], что существенно больше по сравнению с полученными нами данными. Этот факт, очевидно, связан с распространением восстановительной глеевой обстановки в почвах Васюганского болота, в которой железо и геохимически близкий к нему хром приобретают высокую подвижность и соответственно могут поступать в растения в значительных количествах.
По данным пермских ученых, для багульника типично следующее содержание элементов (мг/кг абс. сухого вещества): Ре — 230, N — 13, Си — 23, Мп — 160, Мо — 4,4 [http://medinfa.net/index.php]. Таким образом, большинство микроэлементов в багульнике Уренгойских тундр содержатся в низких концентрациях, за исключением марганца. Бедный микроэлементный состав, очевидно, связан с малым содержанием микроэлементов в почвоообразую-щих породах и почвах. Однако марганец выбивается из общего ряда. Это особенно примечательно, учитывая его низкое содержание в почвах района исследований. Таким образом, подтверждается «марганцевая» геохимическая специализация доминантов растительного покрова тундровой и таежной зон Западной Сибири.
Таблица 4
Элементный состав растений фоновых и техногенных местообитаний,
мг/кг золы
Элемент Багульник Пушица
Фоновые участки Участки техногенеза Кс Фоновые участки Участки техногенеза Кс
Мп 21636 16641 0,8 9000 8750 1,0
Сг 25 23 0,9 41,4 40 1,0
Ва — — — 1400 1 900 1,4
1\Л 65 63 1,0 38,7 29 0,8
Со 4,3 3,9 0,9 5,5 6 1,0
Си 203 178 0,9 151 1 08 0,7
гп 877 817 0,9 1587 472 0,3
РЬ 54 57 1,0 50,25 73 1,4
Cd 4,6 6,4 1,4 — — —
Дб 10,6 10,3 1,0 — — —
нд 0,42 0 0,9 — — —
Ре 1291 1273 1,0 — — —
Р 11,4 7,5 0,7 — — —
Примечание. Тире — элемент не был определен.
Различия в элементном составе багульника фоновых и техногенных участков незначительны. Только кадмий демонстрирует статистически достоверные различия: на участках техногенеза его содержание в среднем в 1,5 раза выше, чем в фоновых условиях. Для остальных элементов значения Кс изме-
няются от 0,7 (фосфор) до 1,2 (свинец) и различия статистически незначимы (табл. 4). Это свидетельствует о слабом аэротехногенном и водомиграционном поступлении тяжелых металлов на территории Уренгойского месторождения. В составе пушицы существуют незначительные различия между фоновыми и техногенными участками по содержанию свинца и бария (Кс = 1,4), концентрация других элементов под влиянием техногенеза не изменяется. Вместе с тем пушица способна активно накапливать многие микроэлементы в зависимости от состава субстрата [ЭШэ, Сгедег, 2006]. Сопоставление полученных нами результатов с данными о составе пушицы на участках складирования отходов горнодобывающей промышленности [ЭШэ, Сгедег, 2005] свидетельствует, что содержание свинца и цинка в пушицах Уренгойских тундр в 3,6-7 раз меньше, а содержание меди — очень близко по абсолютному значению. Таким образом, загрязнение тяжелыми металлами слабо проявляется на обследованных участках.
Иван-чай узколистный используется при индикации загрязнения в населенных пунктах [Филимонова, 2010] и на нефтяных месторождениях [Шепелева и др., 2008]. Так, содержание свинца в экземплярах иван-чая на фоновой территории составляет в среднем 0,21 мг/кг абс. сухого веса, в то время как на нефтезагрязненных участках изменяется от 0,31 до 0,68 мг/кг [Там же]. В Уренгойских тундрах среднее содержание составило 0,3 мг/кг (табл. 3), что подтверждает слабую степень загрязнения.
Таким образом, элементный состав багульника и пушицы отражает зональные особенности биогеохимической миграции атомов в зоне лесотундр, значительное влияние на него оказывают особенности водной миграции элементов в локальных ландшафтно-геохимических условиях. Иван-чай отличается бедным микроэлементным составом. Нетребовательность к элементному составу определяет его способность быстро заселять нарушенные местопроизрастания. Судя по результатам проведенного опробования, уровень загрязнения Уренгойского месторождения невысок, элементами — индикаторами воздействия являются свинец, барий, кадмий.
ЛИТЕРАТУРА
Арестова И.Ю. Оценка устойчивости тундровых экосистем с использованием геохимических и фитоиндикационных показателей: Автореф. дис. ... канд. геогр. наук. СПб., 2003. 20с.
Атлас Тюменской области. М.; Тюмень: ГУГК, 1971. Вып. 1. 216 с.
Атлас Ямало-Ненецкого автономного округа / ФГУП Омск. картогр. фабрика, 2004. 303 с.
Белоусов М.В., Цыбукова Т.Н., Березовская Т.П и др. Элементный состав багульника болотного // Химия растительного сырья. 2002. № 4, С. 35-38.
Бешенцев В.А., Матусевич В.М. Техногенез подземных вод Ямало-Ненецкого автономного округа // Горные ведомости. 2005. № 4. С. 70-81.
Глазовская М.А. Геохимия природных и техногенных ландшафтов СССР. М.: Высш. шк., 1988. 328 с.
Добровольский В.В. Аккумуляция редких и рассеянных элементов растительностью зональных ландшафтов // Общие теоретические проблемы биологической продуктивности. Л.: Наука, 1969. С. 105-110.
Добровольский В.В. Основы биогеохимии. М.: Академия, 2003. 400 с.
Добровольский В.В., Козаренко А.Е., Савельева Л.Е. Ландшафтно-геохимические особенности тундр побережья Баренцева моря // Геохимические исследования в лесных и тундровых ландшафтах. М.: Изд-во МГПи, 1986. С. 3-13.
Евсеев А.В. Аэротехногеные металлы-поллютанты в ландшафтах Российской Арктики // Геохимия биосферы: Докл. междунар. науч. конф. Москва, 15-18 ноября 2006 г. М.; Смоленск, 2006. C. 130-131.
Ермилов О.М., Грива Г.И., Москвин В.И. Воздействие объектов газовой промышленности на северные экосистемы и экологическая стабильность геотехнических комплексов в криолитозоне. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2002. 147 с.
Московченко Д.В. Биогеохимические особенности ландшафтов полуострова Ямал и их оптимизация в связи с нефтегазодобычей: Автореф. дис. ... канд. геогр. наук. СПб., 1995. 24 с.
Московченко Д.В. Нефтегазодобыча и окружающая среда: Эколого-геохимический анализ Тюменской области. Новосибирск: Наука, 1998. 112 с.
Московченко Д.В. Геохимия ландшафтов севера Западно-Сибирской равнины: Структурно-функциональная организация вещества геосистем и проблемы экодиагностики: Дис. ... д-ра геогр. наук. СПб., 2010. 391 с.
Перельман А.И. Геохимия ландшафта. М.: Высш. шк., 1975. 342 с.
Перельман А.И., Касимов Н.С. Геохимия ландшафта. М.: Астрея, 2000. 1999. 763 с.
Поляков Н.А. Экологические аспекты рационального использования багульника болотного: Автореф. дис. ... канд. биол. наук. Томск, 2008.18 с.
Савченко Н.В. Природа озер Западно-Сибирской Субарктики // География и природные ресурсы. 1992. № 1. С. 85-92.
Скарлыгина-Уфимцева М.Д., Березкина Г.А., Черняхов В.Б. Некоторые особенности биогеохимии растений Буруктальского гипербазитового массива (Южный Урал) // Изв. ВГО. 1970. 5. С. 45-57.
Шепелева Л.Е., Баранов Н.П., Филимонова М.В. Уровни накопления некоторых микроэлеметов у растений в условиях нефтяного загрязнения окружающей среды // Сиб. экол. журн. 2008. № 6, Т. 15. С. 943-952.
Филимонова М.В. Содержание токсичных микроэлементов в листьях растений Сhamaenerion аngustifolium L. парковых и промышленных зон г. Сургута // Научные статьи по экологии. 2010 [Электрон. ресурс]. Режим доступа: http://ecotext.ru/127.html.
ФортескьюДж. Геохимия окружающей среды. М.: Мир, 1985. 360 с.
Цыбукова Т.Н, Инишева Л.И., Тихонова О.К. и др. Характеристика элементного состава торфяного сырья олиготрофного болота // Химия растительного сырья. 2000. № 4. С. 29-34.
Stoltz E., Greger M. Effects of different wetland plant species on fresh unweathered
sulphidic mine tailings // Plant Soil. 2005. Vol. 276. Р. 251-261.
Stoltz E., Greger M. Release of metals and arsenic from various mine tailings by Erio-
phorum angustifolium // Plant Soil. 2006. Vol. 289. Р. 199-210.
*ИПОС СО РАН, г. Тюмень **ТюменНИИГипрогаз, г. Тюмень
D.V. Moskovchenko, I.N. Moiseyeva, N.V. Khozyainova MICROELEMENT COMPOSITION OF PLANTS FROM URENGOY TUNDRAS
Subject to specification being content of microelements in three types of plants typical for vegetation from undisturbed and technogenic sites of Urengoy tundras, i.e. Ledum palustre, Eriophorum polystachion and Chamaenerion angustifolium. It is established that what occurs in the composition of Ledum palustre and Eriophorum polystachion being accumulation of manganese and chalcophile elements (Cu, Pb, Zn), typical for vegetation of tundra and taiga zones. Chamaenerion angustifolium being distinct of poor microelement composition. Differences in the content of most elements from background and technogenic sites stay minor, with weak lead and barium pollution.
Microelements, biogeochemistry, Ledum palustre, Eriophorum polystachion, Chamaenerion angustifolium.
