CC BY
104
УДК 574.2 (574.3)
НАКОПЛЕНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ ГРУППЫ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В РАЗЛИЧНЫХ КОМПОНЕНТАХ ЛЕСНЫХ ЭКОСИСТЕМ ТЕРРИТОРИЙ С РАЗЛИЧНОЙ
ТЕХНОГЕННОЙ НАГРУЗКОЙ
Л.Н. Анищенко, А.А. Агапова
Показано значение различных компонентов лесных биогеоценозов в накоплении элементов группы тяжелых металлов (ТМ) в зависимости от техногенной (в основном аэрогенной) нагрузки. В биокосном компоненте -почве максимальное валовое количество ТМ определено в верхних горизонтах, изменяется по сезонам. Наибольшее содержание ТМ определено в молодых частях побега и генеративных органах, наименьшее - в древесине. Лиственные древесные виды накапливают загрязнители интенсивнее, чем хвойные. Полученные данные рекомендовано использовать в мониторинге и при планировании фиторемедиационных мероприятий. Ключевые слова: загрязнители, тяжелые металлы, лесные экосистемы, техногенная нагрузка
Лесные экосистемы - биогеоценозы с интенсивно совершающимся круговоротом веществ и превращениями энергии. Изучение аккумулятивных особенностей живых, биокосных и биогенных элементов леса - важное звено мониторинговых исследований на территориях с интенсивной антропогенной нагрузкой.
Цель работы - выявить содержание элементов группы тяжелых металлов (ТМ) в живых и биокосных элементах городских лесов на территориях с различной степенью техногенного загрязнения (Брянская область).
Для установления содержания ТМ в почве, лесной подстилке, моховом и древесном ярусе пробные площади были заложены на расстоянии в 2, 4 и 6 км в лесных биогеоценозах окрестностей ЗАО «Мальцовский портландцемент» (Брянская область), который является самым крупным загрязнителем атмосферного воздуха на территории Брянской области [1, с.94]. Сообщества лесных экосистем изучались геоботаническим методом на пробных площадках в 100 м2. Сообщества -сосняки сложные (тип лесорастительных условий - С3) и разнотравные ельники (тип лесорастительных условий - В3). Состояние насаждений хорошее, 1 стадия рекреационной дигрессии, сомкнутость древостоя - от 0,5 до 0,6. Проективное покрытие мхов на пробных площадках (1111) составляет от 40 до 50%.
У видов, формирующих 1 и 2 ярус, отбирались побеги различных порядков и возраста, листва (хвоя), одревесневшие стебли у основания свежего валёжа. Образцы почвы и лесного опада вместе с подстилкой, образцы мохообразных изымались с поверхности и с глубины в 0-5 и 12-14 см весной (оттаявшая прогревшаяся почва, первая декада мая) и осенью (первая декада октября). Отобранные образцы подвергались общепринятой камеральной обработке для пробоподготовки к работе на спектрометре «Спектроскан-Макс» [1]. Ориентировочно-допустимые концентрации (ОДК) химических веществ в почве определялись по ГН 2.1.7.2041-06, ГН 2.1.2042-06 [2].
Результаты исследования содержания ТМ в почвенном покрове лесных экосистем представлены в таблицах 1-2.
Таблица 1
Валовое содержание ТМ (М + т, мг/кг) в почве (расстояние 2 км)_
ТМ Группы проб
1 2 3 4
Sr 77,1+4,3 69,3+4,3 70,65+7,5 71,8+2,2
РЬ 28,9+2,3 27,1+2,2 21,65+2,4 33,4+3,4
As 1,02 1,95 1,9 1,9
гп 27,95+2,2 21,0+1,6 17,3+1,1 31,6+3,2
Си 26,9+2,4 22,3+2,4 21,7+2,1 24,3+2,9
№ 22,75+1,9 17,3+1,6 18,9+1,3 18,7+1,6
Со 1,3 2,9 3,45 2,6
Fe 8130,5+102,6 5356,0+119,7 4655,5+184,3 7640,7+94,6
Мп 195,7+9,4 179,2+918 140,4+10,2 302,2+11,4
Сг 58,8+4,3 59,1+4,9 54,5+4,9 57,1+4,3
V 25,6+2,8 5,55 23,3+2,3 21,25+2,1
ТС 2378,45+89,7 1695,2+110,7 1819,3+90,6 2328,5+108,2
Номера проб: 1 - нижний слой почвы, весна; 2 - верхний слой почвы, весна; 3 - нижний слой почвы,
осень; 4 - верхний слой почвы, осень.
В образцах почвы ни весной, ни осенью не зарегистрировано превышение ОДК по цинку, меди, марганцу, ванадию, мышьяку. Валовое содержание свинца выше ОДК только в образцах верхнего слоя почвы осенью, содержание никеля - в нижнем слое почвы весной. Наибольшая валовая концентрация стронция, меди, железа, ванадия, титана отмечена в нижнем слое почвы весной, цинка, марганца - в верхнем слое почвы осенью. Во всех образцах почвы выявлен кобальт.
Таблица 2
Валовое содержание ТМ (М + т, мг/кг) в почве (расстояние 4 км)
ТМ Группы проб
1 2 3 4
Sr 104,6+8,6 104,35+9,6 101,65+7,9 102,75+9,6
РЬ 25,8+2,6 22,05+2,0 27,55+2,5 23,0+2,1
As 1,9 1,8 1,8 1,9
гп 40,15+3,5 38,8+3,1 43,6+4,3 34,9+2,9
Си 20,4+2,0 24,0+2,1 25,3+2,5 21,1+1,6
№ 25,7+2,9 25,85+2,6 25,0+2,5 23,95+2,6
Со 3,4 5,3+4,0 6,5 3,5
Fe 14781,15+97,9 14495,35+112,4 14169,8+132,3 13166,9+147,
Мп 641,0+14,8 544,95+13,1 623,0+15,7 480,9+12,6
Сг 87,95+7,4 65,8+5,7 55,95+3,8 71,1+5,9
V 57,95+4,6 46,1+3,7 44,5+4,1 54,1+4,7
ТС 3794,2+110,8 3890,2+120,1 3917,6+185,4 4043,6+179,5
Номера проб: 1 - верхний слой почвы, весной; 2 - нижний слой почвы, весной; 3 - верхний слой почвы, осенью; 4 - нижний слой почвы, осенью.
В пробах почвы на 1111 (расстояние от предприятия) валовая концентрация свинца, мышьяка, цинка, марганца, ванадия не превышает ОДК. аловое содержание никеля во всех образцах почвы выше ОДК. Наибольшая концентрация стронция определена в верхнем и нижнем слое почвы весной, свинца, цинка, меди - в верхнем слое почвы осенью, железа и хрома - в верхнем слое почвы весной, титана - в нижнем слое почв осенью.
Валовое содержание ТМ в листве отражена в таблице 3.
Таблица 3
Валовое содержание ТМ (М + т, мг/кг) в листве и подстилке_
ТМ Номера проб
1 2 3 4
Sr 116,7+11,5 118,15+9,9 134,7±11,8 121,7+10,6
РЬ 18,15+1,3 24,75+2,6 28, 4±27 27,0+2,1
As 1,5 1,3 1,9 1,8
гп 121,2+10,42 81,3+7,5 153,45±12,8 70,9+5,7
Си 42,1+3,8 43,4+3,6 40,4±3,7 39,55+2,9
Ni 17,2+2,0 19,7+1,5 18,1±2,0 16,7+0,9
Со 2,8 0,35 3,1 2,4
Fe 4358,05+189,4 5914,65+199,5 3957,3±201,3 3953+189,6
Мп 261,5+11,9 334,9+15,7 173,35+9,7 177,95+10,3
Сг 42,65+3,5 50,3+4,1 58,6±4,6 52,6+4,8
V 0 0 0 0
ТС 0 0 0 0
Номера проб: 1 - листва и подстилка, 1111 2 км , весной; 2 - листва и подстилка 1111 4 км, весной; 3 - листва и подстилка, 1111 2 км, осенью; 4 - листва и подстилка, ПП 4 км, осенью.
В образцах опавшей листвы и подстилки - неперегнившей весной и свежих опавших листьях и подстилки осенью определены следующие концентрации ТМ. Во всех образцах валовая концентрация цинка, меди превышает ОДК и определен кобальт. Валовое содержание свинца, никеля и марганца ниже ОДК. Для всех лесных экосистем динамика валовых концентраций ТМ сходна. Содержание стронция, свинца, мышьяка, хрома в листве выше в осенних пробах. Содержание цинка, меди, никеля, железа и марганца больше в весенних пробах.
На исследуемых территориях моховой покров (табл. 4) не столь резко отличается по накоплению тяжелых металлов: мышьяка, хрома и титана. Содержание свинца в видах бриофитов на двух группах ПП примерно одинаково. Валовое содержание стронция и никеля больше в пробах мохообразных ПП первой группы, свинца и особенно, цинка, - на ПП второй группы. Концентрация свинца и цинка выше ОДК. В целом повышенное содержание этих элементов в смешанных пробах
мхов отмечается на 1111 второй группы (4 км от предприятия).
Таблица 4
Валовое содержание элементов группы тяжелых металлов в моховом покрове лесных
экосистем
Концентрация элементов в моховом покрове
ТМ (М ± т, мг/кг)
ПП первой группы* ПП второй группы ПП третьей группы
Sr 105,70±8,90 83,94±7,80 34,94±4,21
РЬ 33,41±3,63 37,71±2,38 19,40±1,97
As 11,42±0,62 12,16±1,10 1,81±0,81
гп 65,33±6,30 94,72±8,1 39,35±4,21
Си 47,97±3,90 40,40±3,6 29,37±1,80
№ 47,33+3,70 38,65±3,7 13,48±1,24
Со 0 0 0
Fe 19835,15±207,94 18407,65±188,60 9107,65±97,25
Мп 1385,95±139,35 1242,40±295,80 895,55±85,36
Сг 72,16±6,57 68,21±5,83 44,37±3,47
V 0 0 0
ТС 270,02±20,73 278,36±19,45 98,15±8,54
Примечание*. 1111 первой группы - 2 км, второй группы 1111 - 4 км, третьей группы - 6 км.
Металлы техногенного происхождения - мышьяк, никель - определены в пробах мхов и зарегистрированы в концентрации, превышающей ОДК на первых двух группах ПП. Накопления элементов-загрязнителей различной природы в моховом покрове свидетельствует, что характер их концентрирования зависит от уровня техногенной нагрузки. Несмотря на значительное накопление элементов-загрязнителей в моховом покрове вклад этого компонента в общее загрязнение лесного ценоза токсикантами невелико.
Древесина является наименее загрязнённым компонентом древостоя, в пробах всех ПП не обнаружено превышение ОДК по всем 12 ТМ. Однако, содержание свинца, цинка и меди в древесине мягколиственных видов значительно выше, чем хвойных: у тополя дрожащего - почти в 3 раза, берёзы повислой - до 2 раз по сравнению с сосной обыкновенной. Валовая концентрация марганца в древесине берёзы повислой, тополя дрожащего превышает содержание этого ТМ в древесине сосны на расстоянии в 2 км от предприятия. В целом исследованные древесные виды по уровню содержания свинца, мышьяка, меди, цинка, железа, марганца древесины составляют убывающий ряд: осина > берёза > сосна; стронция, кобальта, хрома - берёза > осина >сосна.
В древесном ярусе, сложенном из деревьев хвойных видов и лиственных, максимальные уровни накопления отмечаются для цинка и меди, а также марганца и минимальные для никеля и кобальта на ПП (4 км от предприятия). В древесине липы сердцелистной максимальная концентрация наблюдается для цинка и меди, минимальная - для свинца, средняя - для стронция в образцах на ПП удаленностью в 2 и 4 км. В крупных ветках липы сердцелистной наблюдается повышенное валовое содержание цинка, меди и стронция в пробах площадки 2 км.
Для всех видов растений относительно однородное распределение характерно для кобальта. На всех ПП и в образцах наибольшая концентрация стронция зарегистрирована в мелких ветках сосны обыкновенной и во внутренней коре липы сердцелистной.
При анализе содержания ТМ в побегах текущего года (прирост) выявлено превышение ОДК валового содержания свинца, цинка, марганца на всех ПП и местах отбора проб у лиственных и хвойных видов. Максимальную концентрацию ТМ имеют молодые, физиологически активные органы (хвоя и побеги текущего года). Наибольшая концентрация свинца (63,55±5,67) отмечена на площадке 2 км для хвои сосны обыкновенной. Относительно содержания всех ТМ элементы фитомассы располагаются в следующей последовательности: у хвойных (сосна обыкновенная и ель европейская) - хвоя текущего года > побеги текущего года > хвоя прошлого года; у лиственных -листья > побеги текущего года > кора > сучья > древесина.
По валовому содержанию свинца, цинка, железа, меди, марганца (пробные площадки в 2 и 4 км от предприятия) компоненты сосны обыкновенной составляют убывающий ряд: хвоя текущего года > побеги текущего года > шишки > хвоя прошлого года > побеги прошлого года > кора > древесина; по валовой концентрации стронция, хрома, кобальта, никеля - хвоя текущего года > шишки побеги текущего года > хвоя прошлого года > побеги прошлого года > древесина > кора. На пробной площадке в 6 км высоко содержание (но не превышает ОДК) свинца, меди и цинка в шишках и коре сосны обыкновенной и ели европейской. Распределение валовой концентрации
всех ТМ в надземной части хвойных видов сходно: максимальное содержание имеют кора наружная и камбий, минимальное - древесина (все пробные площадки).
Итак, концентрация ТМ в компонентах древостоев зависит от вида и возраста. В целом совокупный анализ содержания и распределения ТМ в древесном ярусе показал, что структурами, характеризующимися максимальным накоплением всех элементов-загрязнителей, являются прирост - ассимилирующие органы текущего года формирования и внутренние слои коры. Минимальное количество всех элементов накапливается в древесине. Современное загрязнение ТМ исследуемых лесных ценозов в большей степени обусловлено корневым путем; для свинца возможен аэрогенный путь поступления.
Результаты проведенных исследований позволяют подбирать компоненты для фиторемедиационных мероприятий в условиях сильного техногенного загрязнения. Компоненты живого напочвенного покрова лесных экосистем обладают свойством быстро восстанавливаться при нарушении (или изъятии). Это обстоятельство позволит ускорить процессы репарации экосистем при стрессовых воздействиях.
Shows the importance of the various components of forest biogeocenoses in the accumulation of elements of the group of heavy metals (HMS) depending on anthropogenic (mainly air) load. In biostagnant component - soil maximum gross amount of HMS defined in the upper horizons, changes in the seasons. The greatest content of HMS defined in young parts of escape and generative organs, the smallest - in the wood. Deciduous tree species accumulate pollutants intensively than pine. The obtained data it is recommended to use in the monitoring and planning of phytoremediation activities.
The key words: pollutants, heavy metals, and forest ecosystems, anthropogenic load
Список литературы
1 Методика выполнения измерений массовой доли металлов и оксидов металлов в порошкообразных пробах почв методом рентгенофлуоресцентного анализа. М 049-П/04.-С-Пб.: ООО НПО «Спектрон», 2004. 20 с.
2 ПДК и ОПДК химических веществ в почве (ГН 2.1.7.2041-06, ГН 2.1.2042-06).
Об авторах
Анищенко Л.Н. - профессор кафедры экологии и рационального природопользования, Брянский государственный университет, eco_egf@mail.ru
Агапова А.А. - аспирант кафедры экологии и рационального природопользования, Брянский государственный университет, eco_egf@mail.ru
THE ACCUMULATION OF ELEMENTS OF THE GROUP OF HEAVY METALS IN VARIOUS COMPONENTS OF THE FOREST ECOSYSTEMS OF THE TERRITORIES WITH DIFFERENT ANTHROPOGENIC LOAD
L.N. Anishchenko, A.A. Agapova
