CC BY
21
УДК 550.424.4; 631.416.9; 630.1
П.Р. Енчилик1, И.Н. Семенков2, Е.Н. Асеева3, О.А. Самонова4, А.Д. Иовчева5, Е.В. Терская6
КАТЕНАРНАЯ БИОГЕОХИМИЧЕСКАЯ ДИФФЕРЕНЦИАЦИЯ В ЮЖНОТАЕЖНЫХ ЛАНДШАФТАХ (ЦЕНТРАЛЬНО-ЛЕСНОЙ ЗАПОВЕДНИК, ТВЕРСКАЯ ОБЛАСТЬ)
Для оценки миграции микроэлементов в системе «почвы-растения» в южной части Центрально-Лесного заповедника в пределах пологого склона междуречья изучена ландшафтно-геохимичес-кая катена с дерново-подзолистыми и подзолистыми профильно оглеенными почвами под хвойно-широколиственным лесом на двучленных отложениях. На основе содержания Мп, Бе, Zn, Sr, Си, N1, Сг, РЬ в материнской породе, почвах и растениях проанализирована биогеохимическая дифференциация ландшафтов. Почвы катены характеризуются околокларковыми содержаниями Мп, РЬ, пониженным - Си, Fe, Zn, №, Sr, Сг. Гумусовые и подстилочные горизонты верхних звеньев катены обогащены РЬ, Мп, Zn. Горизонт EL обеднен Fe, №, Sr, Zn. В горизонте ВТ повышено содержание Сг, №, Си, понижено - Sr, Мп. В хвойно-широколиственных лесах зольность изученных хвойных и лиственных деревьев составляет 1-4 и 1-8% соответственно, наземной части трав - 3-12%. Изученные виды растений содержат околокларковые количества Си, Zn, №. Ветки и кора древесных растений обеднены Fe, Сг, сфагнум - Sr. В растениях нижних звеньев катены снижается содержание Fe, а Мп - увеличивается. Деревья наиболее активно вовлекают в биологический круговорот биофиль-ные Мп, Zn, а травы и сфагнум - Fe, Сг, РЬ. В автономном и трансэлювиальном ландшафтах зеленая фитомасса растений накапливает Си. В ландшафтах верхних звеньев катены по органам растений металлы распределены более равномерно, чем в нижних, где фотосинтетические органы активнее накапливают Мп, Си, Sr, Zn. Вдоль катены наиболее дифференцировано содержание Мп, №, Fe, равномерно распределены Zn, Sr, Си. Хвоя ели во всех ландшафтах (особенно в гидроморфных) интенсивнее накапливает Мп. Биогеохимическая активность с основным вкладом Мп, Си, Sr, Zn, № максимальна в фотосинтезирующих органах ели, липы, ивы и сфагнума, минимальна - у вяза и клена.
Ключевые слова: смешанные леса, тяжелые металлы, подвижные соединения, биогеохимическая специализация, биологическое поглощение, Валдайская возвышенность, потенциально токсичные элементы
Введение. В Московском регионе из-за усиления техногенной нагрузки все более востребован фоновый мониторинг с катенарным анализом радиального и латерального распределения веществ. В почвах тайги активно мигрируют Бе, Си, Мп, Zn, Sr [Никонов и др., 2004; Авессаломова, 2007; Семенков и др., 2016], доступность растениям (подвижность) Zn, Си, Мп, Бе увеличивается с ростом концентрации водорастворимого органического вещества и уменьшается с ростом рН [Караванова и др., 2006]. На микроэлементный состав растений влияют условия среды произрастания и физиологические особенности. Филогенетическая специализация зависит от условий в местах видообразования: гу-мидокатные (катионофильные) растения накапливают катионогенные Zn, Мп, Си, РЬ, Sr, N1, а арида-
нитные (анионофильные) поглощают Сг, мигрирующий преимущественно как анион [Касимов и др., 2019; Авессаломова, 2020]. В хвойно-широколи-ственных лесах в надземные органы деревьев активно переходит Zn. В коре гумидокатных видов аккумулируется избыток Zn [Железнова и др., 2017]. Широколиственные деревья эффективно поглощают Мп из почв Аллеганского плато на северо-востоке Огайо [Herndon et а1., 2019]. На юго-востоке Смо-ленско-Московской возвышенности вне зависимости от видового состава леса растения наиболее интенсивно поглощают Мп, Zn, Си [Исаченкова, Тарзаева, 2006], участвующие в метаболизме [KaЬata-Pendias, 2011]. Широколиственные деревья вовлекают в биологический круговорот больше элементов, чем хвойные [Исаченкова, Тарзаева, 2006],
1 Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, географический факультет, кафедра геохимии ландшафтов и географии почв, мл. науч. с., аспирант; e-mail: [email protected]
2 Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, географический факультет, кафедра геохимии ландшафтов и географии почв, ст. науч. с., канд. геогр. н.; e-mail: [email protected]
3 Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, географический факультет, кафедра геохимии ландшафтов и географии почв, ст. науч. с., канд. геогр. н.; e-mail: [email protected]
4 Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, географический факультет, кафедра геохимии ландшафтов и географии почв, вед. науч. с., канд. геогр. н.; e-mail: [email protected]
5 Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, географический факультет, кафедра геохимии ландшафтов и географии почв, техник, магистрант; e-mail: [email protected]
6 Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, географический факультет, кафедра геохимии ландшафтов и географии почв, науч. с.; e-mail: [email protected]
а травы активнее деревьев поглощают Си, Сг. Последние слабо поглощают РЬ [Kabata-Pendias, 2011] и сильно - Sг [Watmough, 2014].
Цель работы - оценка миграции металлов в системе «породы-почвы-растения» катены в Центрально-Лесном заповеднике (ЦЛЗ) с анализом радиальной дифференциации почв, состава растений и связи элементного состава почв и растений.
Материалы и методы исследования. В ЦЛЗ (юг части Валдайской возвышенности) из-за выровненного рельефа, слабой водопроницаемости пород
и избыточного увлажнения господствуют не хвой-но-широколиственные, а южно-таёжные ельники, занимающие соответственно 17 и 47% его площади [Смирнова и др., 1999]. На пологом (<2°) склоне междуречья в южной части заповедного ядра ЦЛЗ исследована катена от вершины моренного холма до плоской террасовидной поверхности с временным водотоком вблизи трансекты (рис. 1), где сотрудники ИПЭЭ имени А.Н. Север-цова РАН наблюдают за эталонными экосистемами [Р^аЛепко et а1., 2013]. Катена сложена по-
Рис. 1. Территория исследования. А -южнотаежная катена на территории заповедника и расположение разрезов, Б - схематический профиль катены; ЕШк - липово-еловый лещиново-кисличный лес на подзолистой почве (ПП), ЕШш - елово-широколиствен-ный лещиново-широкотравный лес на дерново-подзолистой почве (ППД), ЕЧС - ельник чернично-сфагновый на торфянисто-перегнойной подзолистой профильно-оглеенной почве (ПБПТ) и ЕКС - ельник кислично-сфагновый на торфянистой подзолистой профильно-оглеенной (ПБТ) почве; А - гумусовый, О - органогенный, EL - элювиальный, В - текстурный, С - почвообразу-
ющая порода, G - глеевый
Fig. 1. Study area. A - Southern taiga catena in the reserve and location of the sections, Б - schematic profile of catena; ЕШк - Ti lia cordata+Picea abies Corylus avellana-Oxalis acetosella plant community on ПП - Endocalcaric Albic Stagnic Retisols (Loamic), ЕШш -Picea abies+Tilia cordata+Acer platanoides-Corylus avellana-grass plant community on ППД - Albic Stagnic Retisols (Humic, Loamic), ЕЧС - Picea abies-Vaccinium myrtillus-Sphagnum sp. and ЕКС-Picea abies-Sphagnum sp. plant communities on ПБПТ and ПБТ, respectively, - Albic Gleyic Histic Retisols (Loamic). Horizons: А - humus, О - organic, EL - albic, В - argic, С - parent material, G - gleyic
кровными суглинками, подстилаемыми на 90120 см красно-бурыми моренными отложениями Валдайского оледенения с присутствием карбонатов [Пузаченко, Козлов, 2007; Karavanova, Malinina, 2009].
В пределах катены зональные хвойно-широко-лиственные леса произрастают в автономном (А) и трансэлювиальном (ТЭ) ландшафтах, а хвойные южнотаежные леса - в трансаккумулятивном суперак-вальном (TASaq). В хорошо дренируемом А-ландшаф-
те сформировались грубогумусированные подзолистые почвы со слабокислой средой в верхних горизонтах и щелочной - в породе (рис. 2) и системой горизонтов O-ao-AYEL-ELf-BEL-BT-2BTca-2Cg,ca под липово-еловым лещиново-кисличным лесом с примесью клена остролистного Acer platanoides и вяза шершавого Ulmus glabra. На выпуклом склоне ТЭ-ландшафта сформировались дерново-подзолистые почвы с набором горизонтов О-AY-AYEL-ELf,g,y-BELg-BT-2BT(g)-2C(g) под
Рис. 2. Свойства почв южнотаежной катены. А - гранулометрический состав: G1 - ил (<1 мкм); G2 - мелкая (5-1), G3 - средняя (10-5) и G4 - крупная (50-10) пыль; G5 - тонкий (250-50); G6 - средний (500-250) и G7 - крупный (1000-500) песок. Б -профильное распределение величины pH и В - профильное распределение органического углерода в разрезах: А - автономного ландшафта вершины холма, ТЭ - трансэлювиального ландшафта склона, TASaq1 - трансаккумулятивно-супераквального ландшафта нижней части склона, TASaq2 - трансаккумулятивно-супераквального ландшафта неглубокой потяжины
Fig. 2. Soil properties in southern taiga catena: А - grain size: G1 - clay (<1 мш); G2- very fine (5-1), G3 - medium (10-5) and G4 -^arse (50-10) silt; G5 - fine (250-50), G6 - medium (500-250) and G7 - ^arse (1000-500) sand; Б - pH and В - total organic carbon in soil profiles located within: А - autonomous landscape of a hill summit, ТЭ - trans-eluvial landscape of a slope, TASaq1 - trans-accumulative-super-aqual landscape of the lower part of a slope, TASaq2 - trans-accumulative-super-aqual landscape of a gully bottom
елово-широколиственным (липа сердцевидная Tilia cordata) кустарниково(Согу1ш ауе11аиа)-разнотрав-ным лесом. Травянистый ярус представлен неморальными: печёночницей благородной Hepatica nobilis, подмаренником душистым Galium odoratum, ясноткой зеленчуковой Lamium galeobdolon, копытнем европейским Asarum europaeum, медуницей неясной Pulmonaria obscura, а также орляком обыкновенным Pteridium aquilinum, хвощом лесным Equisetum sylvaticum, кислицей обыкновенной Oxalis acetosella. У подножья склона ^ASaql-ландшафт) на торфянисто-перегнойных подзолистых профиль-но-оглеенных почвах с набором горизонтов O-H-ELhi,g-ELnn,ox-BTg-2BTg-2Сg,са произрастает ельник чернично-сфагновый с подростом липы сердцевидной и клена остролистного и подлеском из рябины обыкновенной Sorbus aucuparia. В более увлажненной неглубокой потяжине (ТАSaq2-ланд-шафт) сформировались торфянистые подзолистые профильно-оглеенные почвы с системой горизонтов Т-Elhi,ox,nn-BELg,y,nn-BTg-2BTg-2G под ельником кислично-сфагновым с ивой козьей Salix caprea, подростом ели обыкновенной и липы сердцевидной.
Почвы (31 проба) и растения (87 проб 19 видов; в работе в основном рассмотрены сквозные виды, встречающиеся по всей катене) опробованы в июне 2017 г. Рядом с каждым разрезом деревья опробовали с нескольких особей в пределах площадки 10x10 м или разных сторон одного дерева по методике [Терехина, 2010]. Кору срезали ножом на высоте 1,0-1,5 м по окружности ствола. Отдельные виды трав и кустарников собирали в радиусе до 7 м от разреза для получения представительной пробы необходимой массы.
На географическом факультете МГУ определяли зольность, величину pH в суспензии на рН-метре «Эксперт-рН» в статических условиях, содержание органического углерода (Сорг) - титриметрически с фенилантраниловой кислотой по И.В. Тюрину. Тяжелые металлы (ТМ) в почвах и растениях определяли в ВИМС им. Н.И. Федоровского методами масс-спектрометрии и атомно-эмиссионной спектрометрии с индуктивно связанной плазмой на спектрометрах «Agilent 7500cx» и «Elan-6100» соответственно.
Региональные геохимические особенности почв оценены путем сравнения валовых содержаний ТМ в почвах с кларками верхней части континентальной коры и наземных растений. Для выявления специфических черт состава растений вычислен коэффициент ОСВР (относительное содержание в видах растений) - отношение содержания ТМ в золе изучаемого вида к содержанию в золе эталонного -листьях липы в нашем случае. Перераспределение ТМ по органам оценено с помощью коэффициента ОСОР (относительное содержание в органах растений) - отношение содержания ТМ в изучаемом органе к содержанию элемента в крупных ветвях. Для оценки характера извлечения ТМ из почв растениями рассчитан коэффициент биологического поглощения Ax - отношение количества элемента в золе растений к его содержанию в почвообразую-
щей породе. Суммарная интенсивность вовлечения ТМ в биологический круговорот (БИК) оценена по показателю биогеохимической активности вида (БХА) - сумме Ax> 1.
Результаты и обсуждение. Все изученные почвы суглинистые, текстурно дифференцированы: содержат более 10% частиц размером <0,01 мм, элювиальный горизонт EL обогащен пылеватыми фракциями, а содержание ила максимально в текстурном горизонте BT и породе (рис. 2а), т. к. почвы развиваются на двучленных моренных карбонатных отложениях. Содержание илистой фракции повышено также в почвообразующих породах карельской тайги [Lukina et al., 2019]. Величина рН (см. рис. 2б) варьирует от сильнокислых значений в верхних горизонтах почв TASaq-ландшафта до щелочных в карбонатных почвообразующих породах, что соответствует разбросу значений в почвах ЦЛЗ [Маряхина и др., 2009]. Содержание Сорг резко падает с глубиной (см. рис. 2в).
Элементный состав почв. Для почв катены характерны околокларковые содержания Mn, Pb и пониженные - Cu, Fe, Zn (кларк рассеяния, КР=2), Ni, Sr3, Cr5 за счет развития на переотложенном ледниками субстрате в гумидном климате. Содержание ТМ укладывается в разброс среднего для дерново-подзолистых почв Евразии [Семенков и др., 2016] и пахотных почв северной части Европы, сформировавшихся на моренных и коренных породах Скандинавии [Reimann et al., 2018]. Содержание Cr, Cu, Fe, Ni, Sr находится на нижнем диапазоне разброса средних значений для дерново-подзолистых почв Евразии, Mn, Pb, Zn - на верхнем. Наименьшее значение наблюдается для Fe в гумусовом горизонте почв А и ТЭ-ландшафтов из-за высоких значений pH.
В горизонтах А0 и AY подзолистых и дерново-подзолистых почв А и ТЭ-ландшафтов содержание Pb (табл. 1, рис. 3) относительно почвообразующей породы повышено в три раза, Mn и Zn - в два раза, что согласуется с данными по почвам ЦЛЗ [Karavanova, Malinina, 2009]. Для Pb обнаружена положительная корреляционная зависимость с гумусом (0,68), а накопление Zn в верхних горизонтах почв объясняется устойчивостью его органоминеральных комплексов [Kabata-Pendias, 2011]. В горизонте EL понижено содержание Fe, Ni, Sr, Zn; в BT повышено содержание Cr, Ni, Cu, понижено - Sr, Mn.
В подстилке склоновых дерново-подзолистых почв относительно подзолистых почв междуречья повышено валовое содержание ТМ и понижено - в почвах TASaq-ландшафта, откуда металлы выносятся в более гидроморфных глеевых условиях. Минимальные различия между содержаниями на склоне и междуречье характерны для Cr, Ni, Cu, Zn, Mn.
Элементный состав растений. Важной характеристикой растений является элементный состав золы [Авессаломова, 2020]. В древесных видах зольность (табл. 2) максимальна в листьях вяза (10%) в А-ландшафте, минимальна - в хвое ели (34%). Зольность листьев липы увеличивается от А к
Таблица 1
Элементный состав почв южнотаежной катены, мг/кг
Ландшафт, горизонт, n Mn Fe, % Zn Sr Cu Ni Cr Pb
ao, 1 573 0,5 91 59 12 9 20 34
EL, 2 1071 1,4 43 101 10 11 29 18
А
BT, 3 756 1,6 66 90 21 22 47 16
Cca, 1 510 1,3 58 108 17 20 41 13
ao, 2 1386 0,4 112 69 12 23 19 35
EL, 2 693 1,1 39 92 8 10 37 14
ТЭ
BT, 4 756 1,7 78 91 23 29 52 17
Cca, 1 693 1,3 73 127 18 21 44 14
H, 1 69 0,9 29 29 10 7 17 33
ELg, 1 151 0,4 25 80 6 6 27 16
TASaql
EL, ox, 1 252 0,6 25 101 6 7 28 13
BC, 1 592 1,0 36 109 13 12 28 13
T, 1 391 1,1 39 98 13 14 32 13
EL, 3 214 0,4 24 95 4 5 27
TASaq2
BTg, 4 498 1,3 46 112 20 21 35 15
G, 2 693 1,6 55 96 20 24 46 15
Дерново-подзолистые почвы [Семенков и др., 2016] 10-2300 0,8-4,6 30-100 50-400 5-60 7-90 5-140 5-33
Кларк верхней части континентальной коры 774* 3,9* 67* 320* 27** 47* 92* 17*
n - число проб, * [Rudnick, Gao, 2003], **[Hu, Gao, 2008].
ТЭ-позиции, уменьшаясь с увеличением увлажненности. Среди растений нижнего яруса максимальна зольность хвоща (23%) в ТЭ-ландшафте и минимальна - орляка (7%) и сфагнума (4%), что сопоставимо с данными [Александрова и др., 1970]. Зольность кислицы варьирует в диапазоне 9-13%.
Изученные виды растений содержат околоклар-ковые количества Си, Ъп, № (рис. 4). Ветки и кора деревьев обеднены Fe и Сг, сфагнум - Sr. Из-за высокой активности Мп [Kabata-Pendias, 2011] в сильно увлажненных кислых почвах ЦЛЗ поглощение Fe снижается.
Растения катены умеренно накапливают изученные ТМ (ОСВР=0,04-25) за исключением сфагнума - сильного концентратора РЬ55 (подстрочный индекс - значения ОСВР). В листьях липы концентрация Сг, Fe, Мп, Ъп минимальна в полугидроморф-ных ландшафтах нижней части склона. Относительно нее в деревьях максимально число элементов с ОСВР>2,4 в хвое ели, которая в А и ТЭ-ландшафтах обогащена РЬ и Мп, и листьях клена (РЬ3-8). С увеличением гидроморфизма при сохранении основных черт биогеохимической специализации оба вида относительно липы накапливают Ъп ^ и клен - Мп. По
сравнению с широколиственными породами, фото-синтезирующие органы ели слабее накапливают Си0 4-0 7. В XASaq-ландшафте с увеличением увлажненности почв ель с приповерхностной корневой системой и минеральным питанием, зависящим от вещественного состава подстилки, слабее накапливает в хвое Си0 что связано с пониженным содержанием и доступностью металла в верхних горизонтах [Sukhareva, Lukina, 2014].
Большинство видов растений нижних ярусов, за исключением сфагнума, слабо накапливают Ni, Cu, Sr (ОСВР=0,02-0,4). Травы (особенно орляк) концентрируют Fe1-6 и малоподвижный Cr<19. Сфагнум выделяется аккумуляцией ТМ с низкой биофильно-стью - Pb,.Cr, nFe,Cd,NL, что является его типич-
55 19 6 3 2'
ной особенностью благодаря большому количеству пор и водозапасающих клеток [Авессаломова, 2007; Market, et al., 2015].
Распределение ТМ зависит от их биологической активности и роли. В старых, малоактивных крупных ветках и коре концентрируются Zn, Cu, Pb (ОСОР=0,8-1,5), что отмечали ранее для Zn в ели и связано с малой подвижностью Pb в растениях и сродством ^ с материалом клеточных стенок дре-
Таблица 2
Элементный состав и зольность растений, мг/кг
Ландшафт и вид Орган Зольность, % Мп Fe Zn Sr Си № Сг РЬ
хвоя 3 1950 60 16 11 2,5 2 0,5 0,4
Ель ветки>5мм ветки<5мм 1,1 2 627 760 11 40 35 34 11 13 5 5,3 1,4 2,9 0,3 0,5 0,3 0,6
кора 3,7 555 37 75 21 3,7 1,4 0,2 0,6
листья 6,7 804 67 20 27 7,6 2,3 1,1 0,1
А Липа ветки>10мм ветки<10мм 4,4 5,1 396 459 44 0 33 119 55 66 4,8 6,2 3,5 3,8 0,8 0,4 1,1 0,2
кора 4,4 836 0 4 63 5,7 2,1 0,2 0,6
листья 6,1 1586 61 40 24 5,1 1,8 0,2 0,1
Клен ветки 4 680 40 29 46 4,1 1,3 0,1 0,6
кора 9,7 3977 0 65 90 11,6 2,5 56 1
Кислица л+с 12 600 240 27 26 7,1 1,1 0,6 0,2
Орляк л+с 8,9 623 445 30 14 8,4 4,1 5,2 0,4
хвоя 4,3 1462 43 30 19 2,5 1,3 0 0,2
Ель ветки>5мм ветки<5мм 1,8 2,4 324 864 18 48 29 58 12 27 3,3 5 1 2,5 0 0,6 0,2 1,1
кора 3,9 507 0 79 18 4,2 1,1 0 0,3
листья 7,4 592 74 25 29 9,3 1,6 0,5 0,1
Липа ветки>10мм 5,2 156 0 38 33 3 2,3 0,3 0,3
ТЭ сердцевидная ветки<10мм 5,7 171 0 63 45 4,4 1,8 0,2 0,3
кора 6,8 544 0 2 56 3,6 1,4 0 0,1
листья 5,5 1210 55 42 20 5,9 1 0,5 0,3
Клен ветки>1см 2,6 338 0 10 18 2,1 0,7 0,2 0,2
кора 10,1 1616 0 30 94 5,1 2,1 0 0,2
Орляк л+с 7 560 140 49 11 8 1,7 0,9 0,1
Кислица л+с 12,7 508 127 30 20 8,8 1,1 0,3 0,3
Ель хвоя 3,9 390 39 44 20 2,5 0,6 0,1 0,1
ветки>5мм 1,6 128 16 32 15 3,8 0,5 0,1 0,4
ветки<5мм 5,7 228 57 48 21 4,6 1 0,4 1
ТАSaq1 кора 3,8 266 38 79 15 2 1,1 0,1 0,2
Липа* листья 7,2 216 72 18 13 7,6 1 0,4 0,1
ветки>5мм 4,3 86 43 15 28 4,6 1,2 0,5 0,7
кора 7,6 304 0 7 48 4,6 1,2 0,5 1,9
Клен* листья 5,1 663 51 32 12 3,5 0,8 0,2 0,1
хвоя 3,4 510 34 19 10 2 0,8 0,1 0,2
Ель ветки>5мм ветки<5мм 1,8 1,7 144 187 18 68 30 31 7,6 9,5 3,9 5 0,7 1,2 0,2 0,5 0,6 1,6
кора 6,1 305 0 83 8,8 2,1 0,9 0,2 0,2
ТАSaq2 Липа* листья ветки 6,2 6,9 558 69 124 0 13 28 22 29 8,7 5,2 1,4 1,1 0,2 0,3 0,1 0,3
Клен* листья 4,1 1804 41 28 13 5,5 1,2 0,1 0,1
Орляк л+с 6,8 272 136 21 9,5 6,4 1,6 1 0,1
Кислица л+с 9,4 846 94 23 22 4,9 1 0,3 0,2
Сфагнум л+с 4 600 400 49 0,8 4,8 2 2,8 3,7
Кларк наземных растений [Маке et а1., 2015] 200 150 50 50 10 1,5 1,5 1
Примечание: л+с - листья и стебли, *- подрост.
ао EL
ВТ
Сса
СО
|0,5
1,2
■шя
ш
7,5*
ао до,5
EL 0,9
ВТ 1,1 Сса
х:
Cr
0,7 1,1
41*
Си Fe
ES |0,4
0,6 1,1
1,2 1,2
1 I I 1
17* 1,3*
Мп
Ni
Pb
2,1 1,5
LJJ
510*
Автономный ландшафт |0,5 ^Qs^
0,6 1,4
1,1
1
20*
13*
Трансэлювиальный ландшафт
8,3*
■0,4 ПО,7 0,3 111 ИД
0,8 0,4 0,8 1,0 0,5 1,0
1,2 1,3 1,3 1, 1,4 1,2
I 1 I I 1 I I 1 Ш I 1 I гп
44* 18* 1,3* 693* 21* 14*
Sr
0,7 0,7
ш
127*
Ti
1,2 1,0
Zn
2699*
0,5
1,1 □□
73*
Zr
ЕЁ ЕВ 1 1.6 1 ИИ
0,9 1,4 0,7 2,4
|0,8 1,0 1.1 1,3
1 I 1 | I 1 I Ш
108* 2578* 58* 209*
ПК ЕВ ■ 1.5 ■ ■п
1,9 1,2
пп
229*
Н
EL
ВТ
ВС
Н EL ВТ ВС
■о,5 ЕЁ liJEl
0,4 1,0 0,5
1,3 1.2 1,2
1 I I 1 I I 1 I
6,3* 28* 13*
ш ES ES
0,2 0,6 0,2
1,0 0,8 1,0
1 I I 1 I I 1 I
10,6* 46* 20*
Трансаккумулятивно-супераквальный ландшафт
0,6
1,2
□□
1*
0,3
1,6*
|0,1
0,4 1,5
iH 592*
ЕЕ
0,3
Ш
3
0,6
1
jy 12*
0,2
693*
24*
1,0
13*
П1
0,9
1,0
1
|0,3 0,9 1,0
□I
109*
15*
на
1,0
1,2 □□
96*
№.3
1,3
1,1
1
2759'
1,2 1,2 ш
2999*
Ш
0,7 1,1
Ш
36*
ES
0,4 0,8
1
55*
|0,2
1,3 1,0
LJJ
404*
Ш
243*
Рис. 3. Радиальная дифференциация содержания ТМ в почвах. *- значения, принятые за 1, мг/кг Fig. 3. Radial differentiation of heavy metals content in soils. *-values taken as 1 (mg/kg)
весины [Авессаломова, 2007; Kabata-Pendias, 2011; Gandois, Probst, 2012; Железнова, 2017]. Участвующий в фотосинтезе Mn [Kabata-Pendias, 2011] накапливают (ОСОР=1-8) вегетативные органы растений ЦЛЗ.
Поглощение элементов растениями. В южнотаежной катене деревья интенсивнее трав концентрируют ТМ (табл. 3), особенно Mn и Zn (Ах>73; далее - подстрочным знаком), которые в тайге относят к элементам интенсивного накопления [Авессаломова, 2007, 2020]. Высокая подвижность в почвах Zn и его активное поглощение растениями отмечали ранее [Huang et al., 2011; Kabata-Pendias, 2011]. Широколиственные клен и дуб содержат больше Mn. Мелколиственные осина, береза, липа избирательно аккумулируют Zn [Железнова и др., 2017]. Высокое содержание биофильных ТМ в листьях деревьев - преобладающей части опада [Базилевич, Титлянова, 2007] - определяет поверхностно-аккумулятивное распределение в почвах. Поступающие с опадом легкодоступные органоминеральные соединения и образующиеся при разложении кислоты повышают подвижность ТМ в почве: в ельниках разложение опада обогащает почву питательными веществами вблизи деревьев больше, чем на удалении [Bade et al., 2015]. А-горизонты почв таежных ландшафтов обогащены доступными для растений соединениями ТМ [Семенков и др., 2019].
К ТМ среднего накопления во всех изученных ландшафтах отнесены Ni, Sr Cu. В подчиненном ландшафте Ni4 активнее извлекается из почв, т. к. повышение pH ингибирует поглощение металла
[Kabata-Pendias, 2011]. В ветках и коре деревьев концентрируются Sr>30, в листьях липы и травах -Cu6-46, что ранее описано для тайги центра Восточно-Европейской равнины и Канады [Железнова и др., 2017; Watmough, 2014]. В ветках ели наблюдаемый разброс значений Ax для Cu19-46, вероятно, обусловлен различным возрастом деревьев [Kabata-Pendias, 2011]. В ЦЛЗ при высокой межвидовой вариабельности слабее вовлекаются в БИК Сг0-07 и Fe001-07. Так, травы активнее деревьев поглощают Fe.
В листьях деревьев (липы, клена) А и ТЭ-лан-дшафтов интенсивнее всего накапливается участвующая во многих физиологических процессах Cu5-12. В ветках и коре задерживается выполняющий скелетные функции Sr16-21 (см. табл. 3). В хвое ели содержится много Mn12-24, т. к. он не связывается с нерастворимыми органическими соединениями и легко переносится в растениях [Peng et al., 2008]. В ветках накапливаются относитель-
но малоподвижные Cu,
в коре - Zn.„_24. Про-
израстающий в А-ландшафте вяз слабо накапливает Мп и Ъп, поглощению которых, вероятно, препятствует высокое содержание Си в растении [Kabata-Pendias, 2011].
В травах и кустарниках А и ТЭ-ландшафтов на первом месте в ряду биологического поглощения стоит Си619, играющая важную физиологическую роль. Высокое поглощение Си объясняется синергизмом с подвижным Мп [Kabata-Pendias, 2011]. У большинства растений ТАSaq-ландшафта в рядах биологического поглощения первым стоит Мп, который при пониженном содержании в почве может
Таблица 3
Поглощение металлов растениями
Ряды биологического поглощения по значениям Ах
Ландшафт Ярус Вид Орган Интенсивного и среднего накопления Слабого накопления и сильного захвата Среднего и(очень)слабого захвата БХА
30 10 1 0,1 0,01
хвоя - Мп24 Си№8Згёп6 Сг1 РЬо^еод - 53
Ель обыкновенная ветки Си^Пз2 Мп20 8г1б№м СгРЬ1 Feо-2 - - 125
кора - Zn24CuSrl0 МщМзР^ Сго^еод - - 56
листья - Си12 Sг7Mn,Ni4Zn3 Сг^0,2 РЬо,1 - 31
Липа сердцевидная ветки - Зг^Сию Ni8Zn7Mn3 РЬ,Сг1 Feо,l - 49
Д кора - 8Г21Си12 Мп6№5 Znо,8Pbо,7 СГо,2 Feо,l - 46
листья - Мп10 CU8ZnSГ7Ni4 Сго,з FePbо,l - 35
А Клен остролистный ветки - Зг^Сию Zn8Mn7Ni4 РЬо,8СГо,2 Feо,l - 48
кора СГ36 ЗгМп16Си12 Zn8Ni3 РЬо,б Feо,l - 91
листья - - CU5SГ5Ni2 Zn0,9Mn0,4 CгFePbо,l - 14
Вяз шершавый ветки - 8г1бСию Ni4Znз РЬо,бМп,Сго,з Feо,l - 34
кора 8гз0 СиП Ni4 Znо-7Mnо-3 РЬо,2 - FeCr 45
т-к Кислица обыкновенная - - Си6Зг^п2Мп2 NilCго-зFeо-2 РЬо,1 - 15
Орляк обыкновенный - - Cu9Ni5ZnCг4SгMnз Feо-7,Pbо-з - - 28
хвоя - Мп12 ЗгёщСизМз РЬо,2 Feо,l Сг 32
Ель обыкновенная ветки - Си^п^гц Мп8№6 РЬо,5 Feо,l Сг 60
кора - Znl8CUlо Sг7Mn5Ni3 РЬо,з - FeCr 45
листья - СиП Sг5Zn,Mn3Ni2 Сго^еод РЬо,02 - 25
Д Липа сердцевидная ветки - - Зг^п6Си5№4 Мп1Сго,зРЬо,2 - Feо,ооз 25
ТЭ кора - ЗГ12 Cu5Mn3Ni2 Znо-з РЬо,1 FeCг 23
листья - СиП Мп^п78г6№2 Сго,бРЬо,2 Feо,l - 36
Клен остролистный ветки - Зги Си9Мп^щ№3 Сго,зРЬо,з Feо,оl - 34
кора - ЗГ13 Мп6Си^п3№2 - РЬо,1 Fe Сг 28
т-к Кислица обыкновенная - - Cu7SгZnMn2 N11 CгFe РЬо,1 - 14
Орляк обыкновенный - Сию Zn6Mn,Ni3Sг2 Cго-7Feо-2 РЬо,1 - 26
хвоя МП86 Znlз Си7Зг,№з Cго-5Pbо-4Feо-з - - 116
Ель обыкновенная ветки Мп60&149Си34 Nill ЗГ9РЬ2 Сг^ео.з - - 167
кора Мп^п34 - Cu5NiSгз СГо,5РЬо,2 Feо,l - 80
Д Липа сердцевидная листья ветки Мп55 Си19 CullZnlо SГ7Zn,Ni5 Sг8Mn7Ni4 Сго^ео,4 Сго,зРЬо,2 РЬо,1 Feо,l - 92 41
Клен остролистный листья МП26 ЭГ13 Cu9Ni4ZnзPb2 СГо,8 Feо,l - 57
ТАSaq листья Znз6 Си27Мп11Зг10 Ni5 Feо-з РЬо,1 Сг 90
Ива козья ветки Zn44 Згю Си9Мп7№6 СГ1РЬо,4 Feо,l - 78
кора Zn73 ЗГ14 Си,Мп9№6 РЬ1Сго,5 Feо,l - 112
Кислица обыкновенная МП56 - CU7Zn6SГ4Ni Cго-зFeо-2 РЬо,1 - 76
т-к Орляк обыкновенный - Мп25Си13 Zn8Ni5Sгз Сг Fe0,4 РЬо,1 - 57
Сфагнум Мп94^п30 Си1б Nil2Cгl0 Sг8Pb6Fe2 - - - 179
Д - древесный, т-к - травяно-кустарниковый. Полужирный - значения БХА>50
Рис. 4. Геохимические спектры элементного состава растений катены (КК) относительно кларков живого вещества [Market et al., 2015]
Fig. 4. Geochemical spectra for plants in the studied catena: the content of elements in catena plants (KK) is normalized to clarkes of living
matter [Market, Franzle, 2015]
задерживаться в старых органах [Watmough et а1., 2007]. Кроме того, в кислых почвах с высоким содержанием органического вещества повышается его доступность [Kabata-Pendias, 2011]. Ах максимален в вегетативных органах бореальных растений: хвое ели (Мп86) и сфагнуме (Мп94) Исключение составляет ива, все органы которой интенсивно накапливают подвижный 2п36 73, вероятно, благодаря видовым особенностям, что отмечали ранее на пойме Иртыша [Макарова, 2009].
В изученных растениях ЦЛЗ БХА варьирует в пределах 14-186 с наибольшим вкладом Мп, Си, Sr, 2п, №. В фотосинтетически активных органах БХА максимальна у ели (33-120), липы (25-94), ивы (94), сфагнума (186), минимальна - у вяза (14) и клена (35-58). Все изученные виды трав (представи-
тели семейств Гиполеписовые, Кисличные и Сфагновые) биогеохимически наиболее активны в ТАSaq-ландшафте, где в глеевой обстановке повышена подвижность многих металлов, особенно Fe, 2п, Мп. Ландшафтно-геохимические условия влияют минимально на БХА клена (35-58) с минимальной вариабельностью химического состава зеленой фитомассы.
Выводы:
- почвы катены содержат околокларковые уровни Мп, РЬ, Т^ 2г, пониженные - Со, Си, Fe, 2п, №, Sr, Сг. А-горизонты всех изученных почв относительно почвообразующей породы обогащены РЬ, Мп, 2п. В горизонте EL понижено содержание Fe, №, Sr, 2п. В органогенных горизонтах почв ТЭ-ландшафта валовое содержание металлов повышено, а ТАSaq -
понижено при минимальной вариабельности Сг, N1, Си, 2п, Мп;
- фотосинтетические органы большинства деревьев (липа, клен, вяз, ель) ЦЛЗ накапливают Мп, 2п, Си. Травы и кустарники относительно деревьев концентрируют ТМ с низкой биофильностью (Бе и реже Сг). Низкозольный сфагнум умеренно концентрирует широкий спектр ТМ с относительно низкой биофильностью - Бе, Сг, и РЬ. В распределении ТМ по надземным органам деревьев прослеживаются разные пути накопления: в широколиственных липе и клене сильнее концентрация в фотосинтезирующих органах, а в хвойных (ели) - в ветках и коре;
- в лесных ландшафтах ЦЛЗ катенарная биогеохимическая дифференциация проявляется в снижении концентрации ТМ в растениях по мере усиления гидроморфизма: в листьях липы - Сг, Бе, Мп, 2п, Си, в хвое ели - РЬ, Мп из-за обеднения верхних горизонтов почв многими металлами. Ландшафтно-геохимические условия наиболее существенно влияют на содержание в растениях Мп, N1, Бе и минимально - 2п, Зг, Си;
- фотосинтетические органы большинства деревьев (липа, клен, вяз, ель) ЦЛЗ накапливают Мп, 2п, Си. Травы и кустарники относительно деревьев концентрируют ТМ с низкой биофильностью (Бе и реже Сг). Низкозольный сфагнум умеренно концентрирует широкий спектр ТМ с относительно низкой биофильностью - Бе, Сг, и РЬ. В распределении ТМ по надземным органам деревьев прослеживаются разные пути накопления: в широко-
лиственных липе и клене сильнее концентрация в фотосинтезирующих органах, а в хвойных (ели) -в ветках и коре;
- в лесных ландшафтах ЦЛЗ катенарная биогеохимическая дифференциация проявляется в снижении концентрации ТМ в растениях по мере усиления гидроморфизма: в листьях липы - Сг, Бе, Мп, 2п, Си, в хвое ели - РЬ, Мп из-за обеднения верхних горизонтов почв многими металлами. Ландшафтно-геохимические условия наиболее существенно влияют на содержание в растениях Мп, N1, Бе и минимально - 2п, Зг, Си;
- в БИК наиболее активно вовлекаются Мп, 2п, Си, Зг. В ТАЗад-ландшафте катены повышенная кислотность и увлажненность почв увеличивают поглощение растениями катионогенного Мп. В А и ТЭ-ландшафтах БХА фотосинтезирующих органов уменьшается в ряду: ель (Ах>10) > клен, рябина, лещина (Ах=5-10) > орляк, кислица, вяз (Ах<5). БХА растений южнотаежной катены определяют преимущественно первые три элемента из ряда биологического поглощения: у вяза в А-ландшафте - Си, Зг, N1 (88-97%); в коре липы в А и ТЭ-ландшафтах -Си, Зг, Мп (85-88) - при минимальной роли у трав (65-76%) и листьев деревьев (70-73%) А-ландшаф-та, что говорит о более равномерном распределении ТМ в органах растений верхних звеньев кате-ны. В ТАЗад-ландшафте обладающие высокой биогеохимической активностью Мп, Си, Зг, 2п в большей мере определяют и БХА (79-91%) фото-синтетически активных органов деревьев.
Благодарности. Полевые работы выполнены в рамках проекта №04/2018/РГО-РФФИ. Результаты обобщены в рамках проекта РНФ № 19-77-30004. Авторы благодарны Н.С. Касимову за помощь в интерпретации данных и обсуждение результатов, а также сотрудникам ИПЭЭ РАН имени А.Н. Северцова: Р.Б. Сандлерскому и Ю.Г. Пузаченко за содействие в полевых работах.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Авессаломова И.А. Биогеохимия ландшафтов. М.: Географический факультет МГУ, 2007. 163 с.
Авессаломова И.А. Биогеохимическая специализация растений полесских ландшафтов Озерной Мещеры // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 5. Геогр. 2020. № 5. С. 63-72.
Александрова Л.М., Люжин М.Ф., Аршавская В.Ф. Гумусовые вещества почвы (их образование, состав, свойства и значение в почвообразовании и плодородии) // Записки Ленингр. с.-х. ин-та. Ленинград, Пушкин, 1970. Т. 142. 233 с.
Базилевич Н.И., Титлянова А.А. Биокруговорот на пяти континентах: азот и зольные элементы в природных наземных экосистемах. Новосибирск: Наука, 2007. 381 с.
Железнова О.С., ЧерныхН.А., Тобратов С.А. Цинк и кадмий в фитомассе древесных растений лесных экосистем: закономерности транслокации, аккумуляции и барьерных механизмов // Вестн. РУДН. Сер.: Экология и безопасность жизнедеятельности. 2017. Т. 25. № 2. С. 253-270. DOI: 10.22363/ 2313-2310-2017-25-2-253-270.
Исаченкова Л.Б., Тарзаева М.В. Сравнительная биогеохимическая характеристика лесных экосистем // Экосистемы широколиственно-хвойных лесов южного Подмосковья. М.: Географический факультет МГУ, 2006. С. 84-97.
Караванова Е.И., Белянина Л.А., Шапиро А.Д., Степанов А.А. Влияние подстилок на подвижность соединений Zn, Cu, Mn, Fe в верхних горизонтах подзолистых почв // Почвоведение. 2006. № 1. С. 43-51.
Касимов Н.С., Лычагин М.Ю., Чалов С.Р., Шинкарева Г.Л. Парагенетические ассоциации химических элементов в ландшафтах // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 5. Геогр. 2019. № 6. С. 20-28.
Макарова О.А. Экологическая оценка содержания тяжелых металлов в системе вода-почва-растение в прирусловой части поймы реки Иртыш: дис. ... канд. биол. наук. Омск, 2009. 113 с.
Маряхина Н.Н., Максимова Ю.Г., Толпешта И.И., Соколова Т.А. Химико-минералогическая характеристика подзолистых почв Центрального Лесного заповедника в местах распространения карстовых образований // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 17. Почвоведение. 2009. № 3. С. 25-31.
Никонов В.В., Лукина Н.В., Безель В.С., Бельский Е.А., Беспалова А.Ю., Головченко А.В., Горбачева Т.Т., Добровольская Т.Г., Добровольски В.В., Зукерт Н.В., Исаева Л.Г., Лапе-нис А.Г., Максимова И.А., Марфенина О.Е., Паникова А.Н., Пинский Д.Л., Полянская Л.М., Стайннес Е., Уткин А.И.,
Фронтасьева М.В., Цибульский В.В., Чернов И.Ю., Яценко-Хме-левская М.А. Рассеянные элементы в бореальных лесах. М.: Наука, 2004. 616 с.
Пузаченко Ю.Г., Козлов Д.Н. Геоморфологическое развитие территории Центрально-Лесного заповедника // Труды Центрально-Лесного заповедника. 2007. Вып. 4. С. 125-159.
Семенков И.Н., Терская Е.В., Касимов Н.С. Поведение форм металлов в зональных почвенно-геохимических катенах // Геохимия ландшафтов. К 100-летию со дня рождения Александра Ильича Перельмана. М.: АПР, 2016. С. 97-144.
Семенков И.Н., Терская Е.В., Касимов Н.С. Латеральная дифференциация форм соединений металлов в почвенных суглинистых катенах центра Западно-Сибирской равнины // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 5. Геогр. 2019. № 3. С. 25-37.
Смирнова О.В., Заугольнова Л.Б., Евстигнеев О.И., Коротков В.Н., Ханина Л.Г. Сукцессионные процессы в заповедниках России и проблемы сохранения биологического разнообразия. СПб.: Российское ботаническое общество, 1999. 549 с.
Терехина Н.В. Методические указания к проведению фи-тогеохимических исследований. СПб.: Издательский центр «Академия», 2010. 25 с.
Bade C., Jacob M., Leuschner C., Hauck M. Chemical properties of decaying wood in an old-growth spruce forest and effects on soil chemistry. Biogeochemistry, 2015, vol. 122, p. 1-13. DOI: 10.1007/s10533-014-0015-x.
Gandois L., Probst A. Localisation and mobility of trace metal in silver fir needles. Chemosphere, 2012, vol. 87, p. 204-210. DOI: 10.1016/j.chemosphere.2011.12.020.
Herndon E., Yarger B., Frederick H., Singer D. Iron and Manganese Biogeochemistry in Forested Coal Mine Spoil. Soil systems, 2019, vol. 3, no. 1, p. 13. DOI: 10.3390/soilsystems 3010013.
Hu Z., Gao S. Upper crustal abundances of trace elements: A revision and update. Chemical Geology, 2008, vol. 253, no. 3-4, p. 205-221. DOI: 10.1016/J.CHEMGE0.2008.05.010.
Huang J.-H., Ilgen G., Matzner E. Fluxes and budgets of Cd, Zn, Cu, Cr and Ni in a remote forested catchment in Germany. Biogeochemistry, 2011, vol. 103, no. 1-3, p. 59-70. DOI: 10.1007/ s10533-010-9447-0.
Kabata-PendiasA. Trace Elements in Soils and Plants, Fourth Edition, CRC Press, 2011. 548 p.
Karavanova E.I., Malinina M.S. Spatial Differentiation of the Chemical Composition of Solid and Liquid Phases in the Main Soil Types of the Central Forest State Natural Biospheric Reserve. Eurasian Soil Science, 2009, vol. 42, no. 7, p. 725-737. DOI: 10.1134/S106422930907003 5.
Lukina N.V., Orlova M.A., Bakhmet O.N., Tikhonova E.V., Tebenkova D.N., Kasakova A.I., Gornov A.V., Smirnov V.E., Knyazeva S.V., Bakhmet O.N., Kryshen A.M., Shashkov M.P.,
Ershov V.V. The Influence of Vegetation on the Forest Soil Properties in the Republic of Karelia. Eurasian Soil Science, 2019, vol. 52, no. 7, p. 793-807. DOI: 10.1134/S1064229319050077
Market B., Franzle S., Wunschmann S. Chemical evolution and the biological system of the elements. Heidelberg: Springer, 2015, 282 p.
Peng K.J., Luo C.L., You W.X. Manganese uptake and interactions with cadmium in the hyperaccumulator - Phytolacca americana L. Journal ofHazardousMaterials, 2008, vol. 154, no. 13, p. 674-681. DOI: 10.1016/j.jhazmat.2007.10.080.
Puzachenko Y., Sandlersky R., Sankovski A. Methods of Evaluating Thermodynamic Properties of Landscape Cover Using Multispectral Reflected Radiation Measurements by the Landsat Satellite. Entropy, 2013, vol. 15, no. 9, p. 3970-3982. DOI: 10.3390/ e15093970.
Reimann C., Fabian K., BirkeM., Filzmoser P., DemetriadesA., Negrel P., Oorts K., Matschullat J., de Caritat P., Albanese S., Anderson M., Baritz R., Batista M.J., Bel-Ian A., Cicchella D., De Vivo B., De Vos W., Dinelli E., DurisM., Dusza-DobekA., Eggen O.A., Eklund M., Ernsten V., Flight D.M.A., Forrester S., Fugedi U., Gilucis A., GosarM., Gregorauskiene V, De Groot W., Gulan A., Halamic J., Haslinger E., Hayoz P., HoogewerffJ., Hrvatovic H., HusnjakS., Jahne-KlingbergF., JanikL., Jordan G., KaminariM., Kirby J., Klos V., Kwecko P., Kuti L., Ladenberger A., Lima A., Locutura J., Lucivjansky P., Mann A., Mackovych D., McLaughlin M., Malyuk B.I., Maquil R., Meuli R.G., Mol G., O 'Connor P., Ottesen R. T., Pasnieczna A., Petersell V., Pfleiderer S., Ponavic M., Prazeres C., Radusinovic S., Rauch U., Salpeteur I., Scanlon R., SchedlA., Scheib A., SchoetersI., SefcikP., Sellersjo E., Slaninka I., Soriano-Disla J.M., Sorsa A., Svrkota R., Stafilov T., Tarvainen T., Tendavilov V., Valera P., Verougstraete V., Vidojevic D., Zissimos A., Zomeni Z., Sadeghi M. GEMAS: Establishing geochemical background and threshold for 53 chemical elements in European agricultural soil. Applied Geochemistry, 2018, vol. 88, p. 302-318. DOI: 10.1016/j.apgeochem.2017.01.021.
Rudnick R.L., Gao S. Composition of the Continental Crust. Treatise on Geochemistry, 2003, vol. 3, p. 1-64. DOI: 10.1016/B0-08-043751-6/03016-4.
Sukhareva T.A., Lukina N.V. Mineral composition of assimilative organs of conifers after reduction of atmospheric pollution in the Kola Peninsula. Russian Journal of Ecology, 2014, vol. 45, no. 2, p. 95-102. DOI: 10.1134/S1067413614020088.
Watmough S.A., Eimers M.C., Dillon P.J. Manganese cycling in central Ontario forest: Response to soil acidification. Applied Geochemistry, 2007, vol. 22, no. 6, p. 1241-1247. DOI: 10.1016/ j.apgeochem.2007.03.039.
Watmough S.A. Calcium, strontium and barium biogeochemistry in a forested catchment and insight into elemental discrimination. Biogeochemistry, 2014, vol. 118, p. 357-369. DOI: 10.1007/s10533-013-9938-x.
Поступила в редакцию 18.02.2020 После доработки 22.05.2020 Принята к публикации 06.08.2020
P.R. Enchilik1, I.N. Semenkov2, E.N. Aseeva3, O.A. Samonova4, A.D. Iovcheva5, E.V. Terskaya6
CATENARY BIOGEOCHEMICAL DIFFERENTIATION IN THE SOUTHERN TAIGA LANDSCAPES (CENTRAL FOREST RESERVE, TVER OBLAST)
A landscape-geochemical catena with Albic Retisols (Loamic) under coniferous-deciduous forest on loess-like loams underlain by carbonate moraine deposits located in the southern part of the Central Forest Reserve on a gentle interfluve slope was studied to evaluate the migration of trace elements in the soil-plant system. Biogeochemical differentiation of landscapes was analyzed basing on Mn, Fe, Zn, Sr, Cu, Ni, Cr and Pb concentrations in parent rocks, soils and plants. Soils of the catens have near-clarke content of Mn and Pb and lower content of Cu, Fe, Zn, Ni, Sr and Cr. In the upper part of the catena, A and O-horizons are enriched in Pb, Mn and Zn. E-horizon is depleted in Fe, Ni, Sr and Zn. B-horizon has a higher content of Cr, Ni and Cu and a lower content of Sr and Mn. Ash proportions in studied coniferous and broadleaved species of coniferous-decidous forests are 1-4 and 1-8% respectively, while it is 3-12% for the above-ground parts of grasses. The studied plant species contain near-clarke amounts of Cu, Zn and Ni. Branches and bark of woody plants are depleted in Fe and Cr, while sphagnum has lower content of Sr. Within the lower part of catena Fe content in plants decreases and this of Mn increases. Within the upper part of catena where plant leaves and needles accumulate Mn, Cu, Sr and Zn more actively than within its lower part, the element concentrations in plant organs differ slightly. Spatial differentiation of the total content decreases from Mn, Ni and Fe to Zn, Sr and Cu. Trees are the most active in the uptake and turnover of biophilic Mn and Zn while sphagnum and grasses mostly accumulate Fe, Cr and Pb. At the catena (toe)slope grass-shrub plants and tree leaves accumulate Cu. In the landscapes of the upper part of catena metals show more even distribution compared to the lower part where photosynthetic organs of plants accumulate Mn, Cu, Sr and Zn. Concentrations of Mn, Ni and Fe show the highest differentiation along the catena, while Zn, Sr and Cu are evenly distributed. Needles of Picea abies most intensively accumulate Mn in all landscapes (especially in hydromorphic). The photosynthetic organs of Picea abies, Tilia cordata, Salix caprea and Sphagnum have the greatest biogeochemical activity with the main contribution of Mn, Cu, Sr, Zn and Ni. The lowest biogeochemical activity is characteristic of Acer platanoides and Ulmus glabra.
Key words: coniferous-deciduous forests, heavy metals, mobile fractions, biogeochemical specialization, biological absorption, Valdai Upland, potentially toxic elements
Acknowledgements. Field works were financially supported by the Russian Foundation for Basic Research and the Russian Geographical Society (project no. 04/2018/PTO-P00H). Synthesis of the results was financially supported by the Russian Science Foundation (project no. 19-77-30004). The authors are grateful to Academician N.S. Kasimov for his assistance in data interpretation and discussion of the results, and to R.B. Sandlersky and Yu.G. Puzachenko from the Severtsov Institute of Ecology and Evolution, Russian Academy of Sciences, for their participation in field works.
REFERENCES
Aleksandrova L.M., Lyuzhin M.F., Arshavskaya V.F. Gumusovye veshchestva pochvy (ih obrazovanie, sostav, svojstva i znachenie v pochvoobrazovanii i plodorodii) [Humic substances of the soil (their formation, composition, properties and significance for soil formation and fertility)], Zapiski Leningr. s-h. in-ta, 1970, vol. 142, 233 p. (In Russian)
Avessalomova I.A. Biogeohimija landshaftov [Biogeochemistry of landscapes], Moscow, MSU Faculty of Geography Publ., 2007, 163 p. (In Russian)
Avessalomova I.A. Biogeohimicheskaya spetsializatsiya rastenij polesskih landshaftov Ozernoj Meschery [Biogeochemical
specialization of plants in Polesye landscapes of the Meschera Lakeland]. Vestn. Mosk. un-ta, Ser. 5, Geogr., 2020, no. 5, p. 63-72.
Bade C., Jacob M., Leuschner C., Hauck M. Chemical properties of decaying wood in an old-growth spruce forest and effects on soil chemistry, Biogeochemistry, 2015, vol. 122, p. 1-13. DOI: 10.1007/s10533-014-0015-x.
Bazilevich N.I., Titlyanova A.A. Bioticheskij krugovorot na pjati kontinentah: azot i zol'nye elementy v prirodnyh nazemnyh ekosistemah [Biotic cycle on five continents: nitrogen and ash elements in natural terrestrial ecosystems], Novosibirsk, Nauka Publ., 2007, 381 p. (In Russian)
1 Lomonosov Moscow State University, Faculty of Geography, Department of Landscape Geochemistry and S oil Geography, PhD student; e-mail: [email protected]
2 Lomonosov Moscow State University, Faculty of Geography, Department of Landscape Geochemistry and Soil Geography, Scientific Researcher, PhD. in Geography; e-mail: [email protected]
3 Lomonosov Moscow State University, Faculty of Geography, Department of Landscape Geochemistry and Soil Geography, Senior Scientific Researcher, PhD. in Geography; e-mail: [email protected]
4 Lomonosov Moscow State University, Faculty of Geography, Department of Landscape Geochemistry and Soil Geography, Leading Scientific Researcher, PhD. in Geography; e-mail: [email protected]
5 Lomonosov Moscow State University, Faculty of Geography, Department of Landscape Geochemistry and Soil Geography, Technician, graduate student; e-mail: [email protected]
6 Lomonosov Moscow State University, Faculty of Geography, Department of Landscape Geochemistry and Soil Geography, Scientific Researcher; e-mail: [email protected]
Gandois L., Probst A. Localisation and mobility of trace metal in silver fir needles, Chemosphere, 2012, vol. 87, p. 204-210. DOI: 10.1016/j.chemosphere.2011.12.020.
Herndon E., Yarger B., Frederick H., Singer D. Iron and Manganese Biogeochemistry in Forested Coal Mine Spoil, Soil systems, 2019, vol. 3, no. 1, p. 13. DOI: 10.3390/soilsystems 3010013.
Hu Z., Gao S. Upper crustal abundances of trace elements: A revision and update, Chemical Geology, 2008, vol. 253, no. 3-4, p. 205-221. DOI: 10.1016/J.CHEMGE0.2008.05.010.
Huang J.-H., Ilgen G., Matzner E. Fluxes and budgets of Cd, Zn, Cu, Cr and Ni in a remote forested catchment in Germany, Biogeochemistry, 2011, vol. 103, no. 1-3, p. 59-70. DOI: 10.1007/ s10533-010-9447-0.
Isachenkova L.B., Tarzaeva M.V. [Comparative biogeochemical characteristics of forest ecosystems], Ekosistemy shirokolistvenno-hvojnyh lesov juzhnogo Podmoskov'ja [Ecosystems of broadleaved-coniferous forests in the southern part of the Moscow region]. Moscow, MSU Faculty of Geography Publ., 2006, p. 84-97. (In Russian)
Kabata-Pendias A. Trace Elements in Soils and Plants. CRC Press, 2011, 548 p.
Karavanova E.I., BelyaninaL.A., Shapiro A.D., Stepanov A.A. Effect of litters on the mobility of zinc, copper, manganese, and iron in the upper horizons of podzolic soils. Eurasian Soil Science, 2006, vol. 39, no. 1, p. 35-43. DOI: 10.1134/S1064229309070035.
Karavanova E.I., Malinina M.S. Spatial Differentiation of the Chemical Composition of Solid and Liquid Phases in the Main Soil Types of the Central Forest State Natural Biospheric Reserve, Eurasian Soil Science, 2009, vol. 42, no. 7, p. 725-737.
Kasimov N.S., Lychagin M.Ju., Chalov S.R., Shinkareva G.L. Parageneticheskie assotsiatsii himicheskih elementov v landshaftah [Paragenetic associations of chemical elements in landscapes]. Vestn. Mosk. un-ta, Ser. 5, Geogr., 2019, no. 6, p. 20-28. (In Russian)
Lukina N.V., Orlova M.A., Bakhmet O.N., Tikhonova E.V., Tebenkova D.N., Kasakova A.I., Gornov A.V., Smirnov V.E., Knyazeva S.V., Bakhmet O.N., Kryshen A.M., Shashkov M.P., Ershov V.V. The Influence of Vegetation on the Forest Soil Properties in the Republic of Karelia, Eurasian Soil Science, 2019, vol. 52, no. 7, p. 793-807. DOI: 10.1134/S1064229319050077.
Makarova O.A. Ekologicheskaja ocenka soderzhanija tjazhelyh metallov v sisteme voda-pochva-rastenie v priruslovoj chastipojmy reki Irtysh [Environmental assessment of heavy metals content in the water-soil-plant system in the near-river part of the Irtysh River floodplain], PhD Thesis in Biology. Omsk, Om. gos. ped. un-t Publ., 2009, 113 p. (In Russian)
Market B., Franzle S., Wunschmann S. Chemical evolution and the biological system of the elements. Heidelberg, Springer, 2015, 282 p.
Nikonov V.V., Lukina N.V., Bezel' V.S. Bel'skij E.A., Bespalova A.Yu., Golovchenko A.V., Gorbacheva T.T., Dobrovol'skaya T.G., Dobrovol'skij V.V., Zukert N.V., Isaeva L.G., Lapenis A.G., Maksimova I.A., Marfenina O.E., Panikova A.N., Pinskij D.L., Polyanskaya L.M., Stajnnes E., Utkin A.I., Frontas'eva M.V., Cibul'skij V.V., Chernov I.Yu., Yacenko-Hmelevskaya M.A. Rassejannye elementy v boreal'nyh lesah [Trace elements in boreal forests], Moscow, Nauka Publ., 2004, 616 p.
Peng K.J., Luo C.L., You W.X. Manganese uptake and interactions with cadmium in the hyperaccumulator - Phytolacca americana L. Journal of Hazardous Materials, 2008, vol. 154, no. 13, p. 674-681. DOI :10.1016/j.jhazmat.2007.10.080.
Puzachenko Yu.G., Kozlov D.N. Geomorfologicheskoe razvitie territorii Central'no-Lesnogo zapovednika [Geomorphological evolution of the Central Forest Nature Reserve territory], Trudy Central'no-Lesnogo zapovednika, 2007, vol. 4, p. 125-159. (In Russian)
Puzachenko Y., Sandlersky R., Sankovski A. Methods of Evaluating Thermodynamic Properties of Landscape Cover Using Multispectral Reflected Radiation Measurements by the Landsat Satellite, Entropy, 2013, vol. 15, no. 9, p. 3970-3982. DOI: 10.3390/ e15093970.
Puzachenko Yu.G., ZheltukhinA.S., KozlovD.N., KorablyovN.P., Fedyaeva M. V., Puzachenko M.Ju., Siunova E. V Central Forest State Biosphere Reserve. Moscow, Delovoj mir Publ., 2007, 84 p.
Reimann C., Fabian K., Birke M., Filzmoser P., Demetriades A., NegrelP., OortsK., Matschullat J., de CaritatP., Albanese S., Anderson M., Baritz R., Batista M.J., Bel-Ian A., Cicchella D., De Vivo B., De Vos W., Dinelli E., DurisM., Dusza-Dobek A., Eggen O.A., Eklund M., Ernsten V., Flight D.M.A., Forrester S., Fügedi U., Gilucis A., Gosar M., Gregorauskiene V., De Groot W., Gulan A., Halamid J., Haslinger E., Hayoz P., Hoogewerff J., Hrvatovic H., Husnjak S., Jähne-Klingberg F., JanikL., Jordan G., Kaminari M., Kirby J., Klos V., Kwecko P., Kuti L., Ladenberger A., Lima A., Locutura J., Lucivjansky P., Mann A., Mackovych D., McLaughlin M., MalyukB.I., MaquilR., Meuli R.G., Mol G., O'Connor P., Ottesen R.T., Pasnieczna A., Petersell V, Pfleiderer S., Ponavic M., Prazeres C., Radusinovic S., Rauch U., SalpeteurI., Scanlon R., SchedlA., Scheib A., SchoetersI., SefcikP., Sellersjö E., Slaninka I., Soriano-Disla J.M., Sorsa A., Svrkota R., Stafilov T., Tarvainen T., Tendavilov V., Valera P., Verougstraete V., Vidojevic D., Zissimos A., Zomeni Z., SadeghiM. GEMAS: Establishing geochemical background and threshold for 53 chemical elements in European agricultural soil, Applied Geochemistry, 2018, vol. 88, p. 302-318. DOI :10.1016/ j.apgeochem.2017.01.021.
Rudnick R.L., Gao S. Composition of the Continental Crust, Treatise on Geochemistry, 2003, vol. 3, p. 1-64. DOI: 10.1016/B0-08-043751-6/03016-4.
Semenkov I.N., Terskaya E.V., Kasimov N.S. [Distribution of metal forms in zonal soil-geochemical catenas], Geohimija landshaftov [Landscape geochemistry]. K 100-letiju so dnja rozhdenija Aleksandra Il'icha Perel'mana. Moscow, APR Publ., 2016, p. 97-144. (In Russian)
Semenkov I.N., Terskaya E.V., Kasimov N.S. Lateralnaya differentsiatsiya form soedinenij metallov v pochvennyh cuglinistyh katenah tsentra Zapadno-Sibirskoj ravniny [Lateral differentiation of metal fractions in loamy soil catenas of the central part of Western Siberia Plain]. Vestn. Mosk. un-ta, Ser. 5, Geogr., 2019, no.3, p. 25-37.
Smirnova O.V., Zaugolnova L.B., Evstigneev O.I., Korotkov V.N., Hanina L.G. Sukcessionnyeprocessy v zapovednikah Rossii i problemy sohranenija biologicheskogo raznoobrazija [Succession processes in the reserves of Russia and the problems of conservation of biological diversity], St. Petersburg, Rossijskoe botanicheskoe obshhestvo Publ., 1999, 549 p. (In Russian)
Sukhareva T.A., Lukina N.V. Mineral composition of assimilative organs of conifers after reduction of atmospheric pollution in the Kola Peninsula, Russian Journal of Ecology, 2014, vol. 45, no. 2, p. 95-102. DOI: 10.1134/S1067413614020088.
Terehina N.V. Metodicheskie ukazanija k provedeniju fitogeohimicheskih issledovanij: uchebno-metodicheskoe posobie [Methods for conducting phytogeochemical studies: manual], St. Petersburg, Akademia, 2010, 25 p. (In Russian)
Watmough, S.A., Eimers, M.C., Dillon, P.J. Manganese cycling in central Ontario forest: Response to soil acidification, Applied Geochemistry, 2007, vol. 22, no. 6, p. 1241-1247. DOI: 10.1016/ j.apgeochem.2007.03.039.
Watmough S. A. Calcium, strontium and barium biogeochemistry in a forested catchment and insight into elemental discrimination, Biogeochemistry, 2014, vol. 118, p. 357-369. DOI: 10.1007/s10533-013-9938-x.
Zheleznova O.S., Chernyh N.A., Tobratov S.A. Cink i kadmij v fitomasse drevesnyh rastenij lesnyh ekosistem: zakonomernosti translokacii, akkumuljacii i bar'ernyh mehanizmov [Zinc and cadmium in tree species of forest ecosystems: patterns of translocation, accumulation and barrier mechanisms], RUDN Journal of Ecology and Life Safety, 2017, vol. 25, no. 2, p. 253-270. DOI: 10.22363/2313-2310-2017-25-2-253-270. (In Russian)
Received 18.02.2020 Revised 22.05.2020 Accepted 06.08.2020
