CC BY
91
Особенности распределения микроэлементов в хвое ели обыкновенной в условиях придорожной зоны
В.З. Латыпова, д.х.н, профессор, Казанский (П)ФУ; Р.И. Винокурова, д.б.н., профессор, О.Н. Денисова, к.х.н., Марийский ГТУ
Создание лесозащитных придорожных полос является одним из наиболее распространённых и доступных направлений снижения негативного влияния автотранспорта на придорожные экосистемы, лесные и сельскохозяйственные угодья. Придорожные лесные экосистемы, принимая на себя основную часть выбросов автотранспорта, тем не менее должны сохранять устойчивое функционирование в неблагоприятных условиях произрастания. С этой точки зрения проблема оценки устойчивости и жизнеспособности лесных пород в условиях техногенного воздействия является весьма актуальной.
В растительных организмах определяют более 60 химических элементов. Химический состав растений отражает как их генетическую специфику, так и геохимические условия среды. При отсутствии внешних признаков угнетения индикацию состояния растительных объектов можно проводить по содержанию микроэлементов (МЭ) в тканях растений, прежде всего в фотосинтезирующих органах, которые являются их активными накопителями [1].
Объекты и методы. Объектом исследования служили почва и растения ели обыкновенной
(Picea abies) вдоль линейного источника загрязнения — автомагистрали Йошкар-Ола — Казань на удалении до 100 м от трассы. Отбор проб проводили в течение всего сезона вегетации с интервалом две недели. С целью выявления аэрозольной составляющей в аккумуляции химических элементов образцы не отмывали. Почвенные образцы брали в местах отбора растительных проб [2]. Образцы хвои разделяли на хвою текущего, второго и третьего годов вегетации. Растительные и почвенные образцы высушивали до воздушно-сухого, затем при 105 °С доводили до абсолютно сухого состояния. Зольность образцов определяли при 450 °С. Количественный химический анализ содержания микроэлементов в образцах почвы и золы растений проводили методом атомно-эмиссионной спектрометрии [3]. Экспериментальные данные обрабатывали с использованием табличного процессора Microsoft Excel, статистических пакетов Statistica 6.0, Curveexpert 1.3. О достоверности оценок судили по значению критерия Фишера.
Результаты исследования. Результаты анализа почвенных образцов (табл.1) показали, что в гумусовом горизонте наблюдается более высокое содержание микроэлементов As, Ba, Cd, Mn, Pb, V и Zn. Ag, B, Be, Co, Cr, Cu, Mo, Ni в повышенных количествах содержатся в горизонте А1В. Это может свидетельствовать о большей под-
вижности соединений данных микроэлементов в почве и их вымывании в нижние почвенные горизонты.
Результаты дисперсионного анализа показали, что различия в содержании микроэлементов в почве по признаку глубины отбора проб являются статистически недостоверными (Рэксп= 0,16-2,65 > Бфакт= 7,71). Поэтому для биогеохимических расчётов использованы усреднённые значения содержания микроэлементов в почве. В изученных почвенных пробах на уровне фона находится содержание большинства микроэлементов: А§, Аз, Со, Сг, Си, Мп, Мо, РЬ. Содержание Ва, Ве и N1 незначительно превышает фоновый уровень, /п, В, V — не достигает фоновых значений [4]. Зависимости содержания данных микроэлементов от расстояния до автодороги не выявлено. Кадмий обнаружен в единичных пробах на расстоянии менее 60 м от асфальта. Почвенные пробы, взятые на большем удалении от асфальтового полотна, данный микроэлемент не содержат.
Ель обыкновенная — одна из основных лесообразующих пород Республики Марий Эл. Обладая высокой теневыносливостью, эта порода
1. Среднее содержание микроэлементов в почве, мг/кг абс. сух.
МЭ Почвенный горизонт
А1 А1В
0,138±0,025 0,201±0,136
Л8 4,35±1,20 3,24±1,03
В 19,47±1,00 21,96±2,81
Ва 771,3±201,5 687,9±145,4
Ве 14,17±5,10 5,99±2,52
еа 1,822±1,11 0,551±0,636
Со 28,59±3,61 32,03±5,26
Сг 125,1±21,7 130,8±11,03
Си 21,31±4,30 22,98±1,51
Мп 2432±851,0 1196±520,2
Мо 0,482±0,120 0,585±0,140
N1 172,3±20,22 161,48±51,34
РЬ 15,41±5,88 11,90±1,53
V 58,53±4,79 54,87±5,96
7п 57,78±13,85 35,89±7,36
успешно возобновляется естественным путём и сохраняет свой ареал и занятые ею площади. Она широко представлена в придорожных лесных экосистемах.
Результаты химического анализа хвои разных лет вегетации растений подроста и деревьев ели обыкновенной представлены в таблице 2.
При сравнении аккумуляции микроэлементов однолетней хвои растений подроста и деревьев ели обыкновенной выявлено, что в однолетней хвое взрослых деревьев содержание всех микроэлементов выше, чем в хвое первого года вегетации подроста. С повышением возраста хвои растений подроста увеличивется содержание РЬ, Д§, Ва, Ве, Со, Сг, Мп, N1, V и /и; уменьшается — В, Си и Мо. В хвое деревьев ели обыкновенной для большинства микроэлементов наблюдается сходный характер распределения. С увеличением возраста хвои возрастает содержание Со, Мп, РЬ, 2п, уменьшается — Д§, В, N1. Для ряда микроэлементов чёткой зависимости содержания от возраста хвои не выявлено.
Исследована зависимость содержания свинца в почве и хвое подроста от расстояния до автодороги. Для описания указанной зависимости в почвенных горизонтах А1 и А1В, а также в хвое второго и третьего годов предложено уравнение вида:
СРЬ = а ■ Ял(Ь-1) ■ ехр(-с ■ Я)+ё,
где СРЬ — содержание РЬ в хвое, мг/кг абс. сух.;
Я — расстояние до автодороги, м.
Выявлено, что в хвое первого года вегетации указанная зависимость отсутствует. Кривые, описывающие данную зависимость, характеризуются максимумом, позволяющим определить расстояние до автодороги, на котором наблюдается наибольшее содержание РЬ. Для почвенного горизонта А1 оно составляет 15 м, для горизонта А1В — 25 м. На основании предложенной модели рассчитано расстояние от автодороги, на котором содержание РЬ в многолетней хвое снижается до фонового уровня, составляющее 115 м от
2. Содержание микроэлементов в хвое ели обыкновенной, мг/кг абс. сух.
МЭ Подрост Деревья
1-й год 2-й год 3-й год 1-й год 2-й год 3-й год
Ag 0,0063±0,001 0,0138±0,003 0,0163±0,003 0,027±0,009 0,026±0,008 0,022±0,006
В 3,37±0,23 3,06±0,26 2,95±0,0,38 3,70±0,78 3,15±0,52 2,26±0,27
Ва 26,36±2,76 27,05±3,95 36,30±3,51 56,15±16,13 83,99±18,53 53,87±6,96
Ве 0,122±0,025 0,113±0,017 0,150±0,033 - - -
Со 0,290±0,030 0,264±0,029 0,272±0,041 0,242±0,025 0,347±0,064 0,354±0,053
Сг 0,392±0,048 0,714±0,108 1,396±0,205 2,52±0,71 5,20±1,22 3,16±0,63
Си 3,53±0,32 2,57±0,21 2,046±0,21 3,91±0,717 2,65±0,51 3,44±0,50
Мп 7,65±0,96 20,76±3,31 39,26±6,15 27,25±2,61 74,74±23,44 96,41±23,12
Мо 0,062±0,008 0,049±0,008 0,0511±0,007 0,055±0,009 0,086±0,017 0,076±0,006
N1 6,06±0,84 4,48±0,70 7,043±1,09 14,54±3,07 8,42±2,24 8,05±1,96
РЬ 0,512±0,017 0,520±0,040 0,726±0,057 0,648±0,059 0,880±0,151 1,09±0,24
V 0,050±0,007 0,0948±0,019 0,269±0,057 - - -
7п 1,81±0,21 4,97±0,80 6,437±1,01 6,71±2,16 22,03±3,45 19,36±2,49
3. Сравнительная характеристика содержания микроэлементов в хвое ели обыкновенной в придорожной зоне с фоновыми значениями
Объект Возраст хвои, лет Содержание микроэлементов
выше фонового уровня на фоновом уровне ниже фонового уровня
Ель 1 В, Со, Сг, Мо, N1, РЬ Ва Ag, Си, Мп, гп, V
обыкновенная, 2 В, Ве, Со, Сг, Мо, N1, РЬ Ва Ag, Си Мп, гп, V
подрост 3 В, Ве, РЬ, Со, Сг, Мо N1, V Ва Ag, Си, Мп, гп
Ель 1 В, Сг, Си, Мо, N1, РЬ Ва Ag, Со, Мп, V, гп
обыкновенная, 2 Сг, Си, Мо, N1, РЬ, 7п Ва Ag, В, Со, Мп
деревья 3 Сг, Си, Мо, N1, РЬ, 7п Ва Ag, В, Со, Мп
4. Дифференциация микроэлементов по величине коэффициента биологического поглощения
Объект Ряды биологического поглощения
Элементы сильного накопления КБП = п.100 - п.101 Элементы слабого накопления и среднего захвата КБП = п.10-1 - п.100 Элементы слабого захвата КБП = п.10-1 Элементы очень слабого захвата КБП = п.10-1 - п.10-2
Ель обыкновенная, подрост Са, в, Си, Мо, гп, рь, Лs Ва, Ag, N1, Мп, Со, Сг, Ве - V
Ель обыкновенная, деревья Са, гп, As, Си, Ag, В, Мо, N1, Ва, РЬ, Мп Сг, Со Ве V
асфальтового полотна. Аналогичный характер зависимости содержания свинца от расстояния до автодороги выявлен для травянистых растений придорожной зоны [5].
Сравнительная характеристика содержания микроэлементов в хвое исследованных растений при сравнении с фоновыми значениями [4] приведена в таблице 3.
Из данных таблицы следует, что в хвое второго и третьего годов подроста ели обыкновенной в придорожной зоне снижено содержание А§, Си, Мп, 2п, Мо. Эти микроэлементы играют важную роль в метаболических процессах и онтогенезе растений, поэтому можно предположить, что в условиях придорожной зоны несколько угнетены физиологические процессы, протекающие с их участием: энергетический обмен, фотосинтез, восстановление и фиксация азота. Снижение содержания цинка и марганца на фоне повышенного содержания свинца отмечалось и ранее [6, 7]. Одновременно в хвое второго и третьего годов растений подроста повышается аккумуляция В и Со, которые также участвуют в обменных процессах, фиксации азота, фотосинтезе, синтезе белков и фитогормонов. Это может свидетельствовать о приспособительной реакции и нормальной жизнеспособности подроста в условиях придорожной зоны.
Распределение микроэлементов в хвое второго и третьего годов вегетации деревьев ели обыкновенной является иным. Содержание Си и 7п достигает уровня, несколько превышающего фоновый, а содержание В и Со, напротив, понижается. Кроме того, низким остаётся уровень поглощения Ag и Мп. Содержание Ва сохраняется практически на фоновом уровне во всех
объектах исследования. При изучении сезонной аккумуляции выявлено барьерное накопление Сг, Сё, Ве, N1, РЬ, относимых к техногенным поллютантам. Содержание их максимально в июле и снижается к концу срока вегетации. Безбарьерный тип сезонного накопления имеют физиологически значимые элементы В, Мо, Со, Си. На фоновых территориях эти микроэлементы имеют барьерный тип аккумуляции [8].
Различная физиологическая роль микроэлементов в растениях определяет разную интенсивность их поглощения. Количественной мерой интенсивности поглощения является коэффициент биологического поглощения (КБП). По величине КБП все микроэлементы распределены на группы в соответствии с классификацией А.И. Перельмана [9] (табл. 4).
В условиях придорожной зоны ряд микроэлементов Сё, РЬ, N1, Сг, Ве, Аз, — признанных аэротехногенными поллютантами, не играющими значительной физиологической роли в растениях, характеризуется высокими значениями КБП. Очевидно, это свидетельствует о загрязняющем влиянии автотранспорта. Одновременно наблюдается усиление поглощения физиологически значимых микроэлементов В, Ва, Си, Мо.
На основании экспериментальных данных и результатов проведённых расчётов можно сделать вывод о нормальной жизнеспособности ели обыкновенной в условиях придорожной зоны. Следует отметить, что все изученные растения не имеют признаков угнетения, не отстают в онтогенезе от растений фоновых территорий, на хвое отсутствуют признаки некроза, хлороза и других заболеваний. Некоторый дисбаланс
в микроэлементном составе хвои может быть объяснён адаптивной реакцией на повышенное содержание антропогенных микроэлементов-токсикантов, а также надёжных, постоянно функционирующих механизмов саморегуляции.
Литература
1. Мэннинг У.Д., Федер У.А. Биомониторинг загрязнения атмосферы с помощью растений. Л.: Гидрометеоиздат, 1985. 143 с.
2. ГОСТ 17.4.4.02-84. Охрана природы. Почвы. Методы отбора и подготовки проб для химического, бактериологического, гельминтологического анализа.
3. МУК 4.1.1482-03. Определение химических элементов в диагностируемых биосубстратах, поливитаминных препаратах с микроэлементами, в биологически активных добавках к пище и в сырье для их изготовления методом атомной эмиссионной спектрометрии с индуктивно-связанной аргоновой плазмой.
4. Роль растений елово-пихтовых лесов в миграции химических элементов /иР.И. Винокурова, О.В. Андриянова, И.Ю. Волкова и др. Йошкар-Ола: МарГТУ, 2002. 196 с.
5. Денисова О.Н., Винокурова Р.И. Особенности накопления микроэлементов Азсиг/теигоресшт (А}1з1о!осЫасеае) и АезоезоросКитройар-апа (Ар/асеае) в условиях придорожной зоны (Республика Марий Эл) // Растительные ресурсы. 2008. Т. 44. Вып. 2. С. 68-73.
6. Винокурова Р.И., Денисова О.Н., Микроэлементньш состав хвои растений вдоль автомагистрали в Марий Эл // Лесоведение. 2008. № 4. С. 73-78.
7. Винокурова Р.И., Денисова О.Н. Влияние автодороги на содержание свинца, цинка и меди в хвое ели обыкновенной / Вестник МарГТУ. Сер. «Лес. Экология. Природопользование». 2008. № 3. С, 75-81.
8. Силкина О.В. Экологофизиологическое состояние хвои деревьев пихты сибирской (АЫетЬтса) и ели европейской (Р^сеааЫез) / О.В. Силкина, Р.И. Винокурова, А.И. Винокуров, В.З. Латыпова // Вестник Северо-Кавказского гос. техн. ун-та. 2006. № 2. С. 62-66.
9. Перельман А.И. Геохимия ландшафта. М.: Высшая школа, 1975. 341 с.
