CC BY
30
DOI: 10.25702/KSC.2307-5228.2018.10.4.39-45 УДК 574.24
ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА АССИМИЛИРУЮЩИХ ОРГАНОВ РАСТЕНИЙ В УСЛОВИЯХ ЭКСТРЕМАЛЬНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ ВЫБРОСАМИ МЕДНО-НИКЕЛЕВОГО ПРЕДПРИЯТИЯ
Г. М. Кашулина, Т. И. Литвинова, Н. М. Коробейникова
ФГБУН Полярно-альпийский ботанический сад-институт им. Н. А. Аврорина КНЦ РАН, г. Апатиты
Аннотация
Представлены результаты химического анализа ассимилирующих органов 7 видов растений: черники (Vaccinium myrtillus), брусники (Vaccinium vitis-idaea), вороники (Empetrum hermaphroditum), березы (Betula sp.), ивы (Salix sp.), сосны (Рinus friesiana) и ели (Picea obovata), произрастающих в окрестностях самого крупного на севере Европы источника выбросов SO2 и тяжелых металлов. Результаты показали, что листья растений в локальной зоне обеднены важными питательными элементами Ca, Mg, особенно Mn, а также Al. В то же время в листьях растений локальной зоны повышены концентрации Si и Fe. Ключевые слова:
листья растений, главные питательные элементы, экстремальное загрязнение, медно-никелевое предприятие.
INORGANIC PLANT CHEMISTRY UNDER EXTREME POLLUTION BY EMISSION FROM COPPER-NICKEL INDUSTRIAL COMPLEX
Galina M. Kashulina, Tatjana I. Litvinova, Natalia M. Korobeynikova
N. A. Avrorin Polar-Alpine Botanical Garden-Institute of KSC RAS
Si, Al, Fe, Ca, Mg, K, P, Mn and S concentration in the leaves of 7 plant species (birch — Betula sp., willow — Salix sp., spruce — Picea obovata, pine — Pinus friesiana, blueberry — Vaccinium myrtillus, black crowberry — Empetrum hermaphoroditum, cowberry — Vaccinium vitis-ideaea) from nearby vicinity of the Northern Europe's largest SO2 and heavy metals emission source are presented. Concentrations of Ca, Mg and, especially Mn, are lower in the most plant species near emission sources compared with background area. Still plants have sufficient level of P and K in their leaves. In contrast Si and Fe concentrations in the leaves of all plant species near industrial complex are higher compared with the background areas.
plant leaves, major nutrients, extreme pollution, copper-nickel industrial complex.
Введение
Как и все живые организмы, растения в процессе жизнедеятельности активно регулируют свой химический состав. Накопление химических элементов в растениях во многом определяется их генетическими особенностями, опробуемой частью (орган, ткань) и фазой развития [1]. Условия произрастания — плодородие почвы, увлажнение и климат местности — также способны оказать влияние на химический состав растений.
Длительное воздействие выбросов медно-никелевого комбината «Североникель» значительно изменило условия произрастания растений в его ближайших окрестностях:
• в воздухе значительно повышены концентрации токсичного для растений SO2 и техногенной пыли с экстремально высоким содержанием Ni и Cu [2];
Abstract
Keywords:
• в атмосферных осадках в десятки тысяч раз повышены концентрации основных металлов-загрязнителей — Ni и Cu, а содержания сопутствующих загрязнителей — Cd, Pb, Hg, Zn, Mn — увеличены в десятки раз, SO2~ — до 10 раз [2];
• уровни концентраций основных металлов загрязнителей Ni и Cu в почвах в тысячу и более раз превысили фоновые значения, достигнув уровня перерабатываемых руд [3, 4], при этом концентрации доступных для растений Ca, Mg, K, Mn, наоборот, снижены [5].
Дополнительным стресс-фактором для растений на положительных элементах ландшафта может быть нарушение водного режима экосистемы в сторону иссушения [3].
Одной из задач комплексного почвенно-геоботанического мониторинга, начатого в 2001 г. [2-5] в локальной зоне воздействия выбросов комбината «Североникель», было выявление особенностей химического состава ассимилирующих органов семи наиболее распространенных видов растений, произрастающих в условиях длительного экстремально высокого уровня загрязнения выбросами этого предприятия.
Материалы и методы исследований
Площадки мониторинга располагались на разных элементах ландшафта на расстоянии 1-17 км от комбината «Североникель» [2-5]. Смешанные образцы ассимилирующих органов семи наиболее распространенных видов растений — черники (Vaccinium myrtillus), брусники (Vaccinium vitis-idaea), вороники (Empetrum hermaphroditum), березы (Betula sp.), ивы (Salix sp.), сосны (Pinus friesiana) и ели (Picea obovata) отбирались в 20-х числах августа 2002, 2005-2014 гг. У листопадных растений (береза, ива, черника) отбирались листья, у хвойных деревьев (сосна и ель) — хвоя второго года жизни, у вечнозеленых кустарничков (брусника, вороника) — листья с 2-3-летних побегов.
Содержание зольных элементов (Si, Al, Fe, Ca, Mg, Mn, P, K и S) определялось по методике А. А. Поповцевой [6] в лаборатории почвоведения ПАБСИ КНЦ РАН. Для определения фоновых значений были использованы компилированные данные предшествующих исследований в ненарушенных экосистемах Кольского п-ова и Карелии [7-10]. Для оценки достоверности различий по содержанию элементов в ассимилирующих органах растений локальной зоны и фоновых условий использовали ^-критерий Манна — Уитни*.
Результаты и их обсуждение
Оценка состояния экосистем на площадках мониторинга варьировалась в очень широком диапазоне: от полного разрушения (представлены техногенными пустошами с интенсивной эрозией почв) до умеренного с отсутствием только наиболее чувствительных к загрязнению компонентов — мхов и лишайников [3, 4]. Хотя и в различной степени угнетения (рис. 1), но все основные виды растений коренных северотаежных экосистем древесного (береза, ива, сосна и ель) и кустарничкового (вороника, черника и брусника) ярусов сохранились на многих обследованных площадках и после 70-летнего воздействия выбросов комбината «Североникель».
Направленность изменения и степень проявления обеднения или обогащения зольными элементами ассимилирующих органов растений локальной зоны относительно фона различна для разных видов растений. Основные статистические показатели распределения зольных элементов в листьях/хвое растений локальной зоны приведены в табл. 1. В табл. 2 на основе соотношения медиан концентраций оценена степень обеднения/обогащения ассимилирующих органов растений зольными элементами в локальной зоне относительно фоновых условий. Сравнение уровней концентраций зольных элементов в листьях/хвое растений локальной зоны с фоновыми значениями свидетельствует о том, что концентрации важных зольных элементов для большинства видов растениях около источника выбросов ниже, чем в ненарушенных экосистемах региона. Расчеты U-критерия Манна — Уитни показали, что концентрация Ca в листьях
* URL: http://www.psychol_ok.ru/statistics/mann_whitney.
березы, вороники, брусники и в хвое ели и сосны значимо ниже при p < 0,01, при этом для всех видов растений кроме вороники, для которой все значения в локальной зоне остаются в области естественного варьирования, различная доля значений опускается ниже минимального фонового значения. Наиболее высокая доля (40 %) значений ниже минимального фонового свойственна хвое ели, хотя минимальное значение концентрации Ca в хвое ели в наборе данных, представляющих локальную зону, на 70 % ниже минимального фонового.
Рис. 1. Состояние растений (береза, сосна, брусника и вороника) в локальной зоне воздействия
комбината «Североникель»
Fig. 1. The state of the vegetation near "Severonikel" industrial complex (birch, pine, cowberry and crowberry)
Концентрации М^ значимо ниже только для листьев березы и брусники, при этом все значения для березы, ели, брусники и черники остаются в области естественного варьирования. И только единичные значения для сосны и вороники опускаются ниже минимального фонового. Минимальные концентрации в листьях вороники и хвое сосны опускаются ниже минимального фонового значения на 38 и 3 % соответственно.
Концентрации К были значимо ниже только для березы, при этом в 42 % образцов листьев березы из локальной зоны концентрации опускаются ниже минимального фонового значения, а минимальная концентрация К в наборе данных из локальной зоны на 2500 мг/кг ниже фонового минимума. Для остальных видов растений концентрации К в листьях остаются в пределах естественного варьирования.
Наиболее значительное снижение во всех видах растений, по сравнению с ненарушенными экосистемами, в локальной зоне было отмечено для Мп. И это снижение для всех видов растений, согласно ^-критерию Манна — Уитни, является значимым. При этом только для брусники и черники (род Vaccinium) концентрация Мп во всех образцах остается в пределах естественного варьирования. В 87,5 % образцов листьев березы, в 92 % образцов листьев вороники и в 32 %
образцов хвои сосны концентрации Mn опускаются ниже минимального фонового значения. Различия минимальных концентраций в наборах данных, представляющих локальную зону и фоновые условия, составляют 670, 284 184 мг/кг — для березы, вороники и сосны соответственно.
Таблица 1 Table 1
Медиана и min-max-варьирование концентраций зольных элементов в листьях/хвое растений в локальной зоне воздействия комбината «Североникель»
Median and minimum-maximum variation of elements concentrations in the leaves/needles of plants near «Severonikel» industrial complex
P Ca Mg Mn K S Si
Береза (N = 48) Birch
Медиана Median 2040 4065 2195 348 6383 634 684
Min-max 807-2645 2181-7121 1435-3829 147-1293 3411-10541 276-1720 402-1214
Ива (N = 26) Willow
Медиана Median 2123 16284 3519 402 11699 1966 773
Min-max 985-3889 7329-21557 1990-6006 108-952 5403-25000 972-3668 476-1676
Сосна (N = 47) Pine
Медиана 1168 2624 995 310 4167 360 677
Min-max 859-1618 1580-4719 386-1556 116-743 2855-6200 160-1148 163-1760
Ель (N = 15) Spruce
Медиана Median 1325 4583 1272 410 5993 860 4357
Min-max 737-1966 1251-7143 856-1978 147-519 4407-8449 536-1376 2850-7005
Вороника (N = 36) Crowberry
Медиана Median 985 4358 1535 224 5121 496 722
Min-max 589-2062 2867-6384 434-2593 116-712 2897-11662 192-1720 434-2965
Брусника (N = 5) Cowberry
Медиана Median 689 4204 1260 789 3602 640 869
Min-max 628-920 3904-6571 989-1712 224-1107 3362-3727 428-2112 374-1462
Черника (N = 6) Blueberry
Медиана Median 1308 7987 2572 1118 7267 1080 859
Min-max 1064-1774 3668-9052 1875-3636 441-1838 6258-9645 596-1500 523-1350
В то же время различия по концентрации другого важного питательного элемента — Р между локальной зоной и фоновыми условиями для всех видов растений не являются значимыми. При этом концентрации элемента во всех образцах всех видов растений остаются в пределах естественного варьирования этого показателя.
Таблица 2 Table 2
Отношение медиан концентраций зольных элементов в ассимилирующих органах растений локальной зоны к медиане из набора данных, представляющих фоновые условия
Кольского п-ова и Карелии
The ratio of the median concentrations of the elements in the plant leaves near industrial complex to the median of the data set representing background area of the Kola Peninsula and Karelia
Растение Plant Si Al Fe P Ca Mg Mn K S
Береза Birch 1,55 0,37 1,22 1,04 0,45 0,67 0,24 0,75 1,09
Ива Willow 1,38 0,41 1,54 1,90 1,78 1,01 0,52 1,24 2,85
Сосна Pine 1,69 0,49 1,67 0,97 0,69 0,90 0,44 1,16 1,20
Ель Spruce 1,28 0,53 1,97 0,95 0,49 0,85 0,44 1,17 1,59
Вороника Crowberry 1,44 0,56 1,74 0,82 0,79 0,69 0,28 1,08 0,79
Брусника Cowberry 1,74 0,43 4,18 0,65 0,67 0,57 0,47 1,20 0,52
Черника Blueberry 1,23 0,41 4,10 0,80 1,15 1,13 0,54 1,05 0,94
Сера является важным элементом питания для растений, концентрации соединений которой как в атмосфере, так и в атмосферных осадках [2] в локальной зоне воздействия комбината «Североникель» значительно повышены. Поскольку SO2 является основным компонентом выбросов. Несмотря на избыток соединений серы в окружающей среде, значимое повышение концентрации серы относительно фона было обнаружено только в хвое ели. Наличие единичных значений, превышающих верхний предел естественного варьирования, для березы, сосны и вороники свидетельствует о том, что в условиях экстремального загрязнения концентрации S в листьях растений могут быть повышены. Но их увеличение относительно невелико: при повышении
концентрации БО^" в атмосферных осадках в 6 раз [2] максимальное содержание серы в листьях
березы и хвое сосны только на 30 % превышает максимум из набора данных, представляющих фоновые условия. Для вороники это превышение достигло 83 %.
Согласно имеющимся данным, ива в локальной зоне, несмотря на угнетение, достаточно успешно обеспечивает себя всеми важными элементами питания, кроме Mn и S. Оценка значимости различий по содержанию элементов в ее листьях была затруднена из-за небольшого числа образцов в наборе данных, представляющих ненарушенные экосистемы Кольского п-ова и Карелии.
Наиболее распространенные элементы земной коры — Si, Al, Fe потребляются растениями в небольших количествах. В локальной зоне воздействия выбросов комбината «Североникель» концентрации Si и Fe в ассимилирующих органах растений были повышены относительно фоновых условий, а Al, наоборот, значительно снижены. Уменьшение содержания Al и увеличение содержания Si и Fe в листьях/хвое растений относительно фона является значимой согласно ^-критерию Манна — Уитни. Степень повышения концентрации для Si и обеднения для Al практически не зависит от вида растений, морфологических особенностей ассимилирующих органов (шероховатости, наличия опушения или воскового налета, т. е. тех особенностей, которые
способствовали бы удержанию почвенной или техногенной пыли) растений и положения в экосистеме относительно поверхности эродирующей почвы. Степень обогащения этими элементами не зависит и от продолжительности взаимодействия листьев с загрязненной атмосферой и атмосферными осадками. Например, с загрязненной атмосферой листья березы, ивы и черники взаимодействуют только в течение одного вегетационного сезона, двухлетняя хвоя сосны и ели — около 1,5 лет, а листья брусники и вороники в течение 2-3 лет. Что касается Fe, то его наиболее значительное обогащение свойственно листьям растений рода Vaccinium — брусники и черники.
Таким образом, направленность и степень изменения химического состава ассимилирующих органов растений в локальной зоне воздействия комбината «Североникель» по сравнению с ненарушенными экосистемами Кольского п-ова и Карелии зависит от вида растений и элемента. Листья/хвоя растений локальной зоны характеризуются низким содержанием важных питательных элементов Ca и Mn. Концентрации других важных элементов — P и K в большинстве видов растений локальной зоны сохранились на фоновом уровне. Концентрации S в листьях/хвое большинства видов растений остаются в пределах диапазона, свойственного ненарушенным экосистемам в регионе, несмотря на избыточное содержание ее соединений в воздухе и атмосферных осадках локальной зоны. В то же время в растениях локальной зоны повышается содержание Si и Fe. Видовые особенности реакции на экстремальные условия произрастания свидетельствуют о том, что растения в локальной зоне, несмотря на стресс, продолжают активно регулировать свой химический состав.
ЛИТЕРАТУРА
1. Ильин В. Б. Элементарный химический состав растений. Новосибирск: Наука, 1985. 130 с. 2. Kashulina G., de Caritat P., Reimann C. Snow and rain chemistry around the "Severonikel" industrial complex, NW Russia: Current status and retrospective analysis // Atmospheric Environment. 2014. Vol. 89. P. 672-682. 3. Кашулина Г. М. Экстремальное загрязнение почв выбросами медно-никелевого предприятия на Кольском полуострове // Почвоведение. 2017. № 7. С. 860-873. 4. Кашулина Г. М. Мониторинг загрязнения почв тяжелыми металлами в окрестностях медно-никелевого предприятия на Кольском полуострове // Почвоведение, 2018. № 4. С. 493-505. 5. Влияние длительного экстремального загрязнения выбросами комбината «Североникель» на содержание доступных для растений P, K, Са и Mg в подзолах / Г. М. Кашулина [и др.] // Вестник МГТУ. 2016. Т. 19, № 1/2. С. 184-193. 6. Поповцева А. А. Методическое руководство по ускоренному анализу золы растений. Сыктывкар: Коми филиала АН СССР, 1974. 83 с.
7. Обмен веществ и энергии в сосновых лесах Европейского Севера / Н. И. Казимиров [и др.]. Л.: Наука, 1977. 304 с.
8. Манаков К. Н., Никонов В. В. Биологический круговорот минеральных элементов и почвообразование в ельниках Крайнего Севера. Л.: Наука, 1981. 195 с. 9. Морозова Р. М. Минеральный состав растений лесов Карелии. Петрозаводск: Госкомиздат КАССР, 1991. 99 с. 10. Ушакова Г. И. Биогеохимическая миграция элементов и почвообразование в лесах Кольского полуострова. Апатиты, 1997. 150 с.
Сведения об авторах
Кашулина Галина Михайловна — доктор биологических наук, главный научный сотрудник лаборатории почвоведения Полярно-альпийского ботанического сада-института им. Н. А. Аврорина КНЦ РАН
E-mail: galina. kashulina@gmail. com
Литвинова Татьяна Ивановна — младший научный сотрудник лаборатории почвоведения Полярно-альпийского ботанического сада-института им. Н. А. Аврорина КНЦ РАН E-mail: lita_0409@mail.ru
Коробейникова Наталья Михайловна — младший научный сотрудник лаборатории почвоведения Полярно-альпийского ботанического сада-института им. Н. А. Аврорина КНЦ РАН E-mail: lita_0409@mail.ru
Author Affiliation
Galina M. Kashulina — Dr. Sci. (Bio), Chief Researcher of Laboratory of Soil Science, Polar-Alpine Botanical Garden-Institute of KSC RAS E-mail: galina.kashulina@gmail.com
Tatyana I. Litvinova — Junior Researcher of Laboratory of Soil Science, Polar-Alpine Botanical GardenInstitute of KSC RAS E-mail: lita_0409@mail.ru
Nataliya M. Korobeynikova — Junior Researcher of Laboratory of Soil Science, Polar-Alpine Botanical GardenInstitute of KSC RAS E-mail: lita_0409@mail.ru
Библиографическое описание статьи
Кашулина, Г. М. Особенности формирования химического состава ассимилирующих органов растений в условиях экстремального загрязнения выбросами медно-никелевого предприятия / Г. М. Кашулина, Т. И. Литвинова, Н. М. Коробейникова // Вестник Кольского научного центра РАН. — 2018. — № 4 (10). — С. 39-45.
Reference
Kashulina Galina M., Litvinova Tatjana I., Korobeynikova Natalia M. Inorganic Plant Chemistry under Extreme Pollution by Emission from Copper-Nickel Industrial Complex. Herald of the Kola Science Centre of RAS, 2018, vol. 4 (10), pp. 39-45 (In Russ.).
