CC BY
39
УДК 630*114.3:630*114.19:631.413
ПОГЛОЩЕНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ ПИТАНИЯ И ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ СОСНОЙ В УСЛОВИЯХ АТМОСФЕРНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ1
Т.А. Щербенко, Г.Н. Копцик, Б.-Я. Гроненберг, Н.В. Лукина, С.Ю. Ливанцова
(кафедра общего почвоведения ф-та почвоведения МГУ; Алтерра, P.O.Box 47, 6700 AA Вагенинген, Нидерланды; Центр по проблемам экологии и продуктивности лесов РАН)
В последние десятилетия атмосферное загрязнение диоксидом серы и тяжелыми металлами (ТМ) признано важнейшим фактором деградации и гибели лесных экосистем индустриальных регионов [4, 8, 14, 18]. Поступление поллютантов сопровождается дефицитом и дисбалансом элементов питания, накоплением ТМ и серы, нарушениями основных звеньев биогеохимических циклов элементов, деградацией и гибелью лесных фитоценозов [4-10, 17, 19, 20, 27, 29]. Наибольшие изменения характерны для лесных экосистем вблизи мощных локальных источников загрязнения.
Сосновые леса Кольского полуострова в течение более чем 60 лет испытывают негативное воздействие крупнейшего в Северной Европе источника выбросов диоксида серы и ТМ — горно-металлургического комбината «Печенганикель». Леса на северном пределе распространения, находясь под влиянием экстремальной для древесной растительности климатической обстановки, постоянно ощущают мощный природный стресс. Поэтому даже минимальное поступление поллютантов может оказывать серьезное воздействие на структуру и функционирование лесных экосистем [6].
Первые оценки состояния лесных экосистем в зоне влияния комбината в начале 1990-х гг. выявили значительные изменения в характере растительного покрова с приближением к источнику загрязнения: исчезновение лишайников, снижение доли мхов в напочвенном покрове, снижение общего проективного покрытия, обесцвечивание хвои, дефолиацию, ухудшение состояния крон, гибель древесного яруса [5, 7, 9, 20].
Существенную трансформацию претерпевает элементный состав как древесных растений — эдифи-каторов лесных экосистем, так и растений наземного яруса [6, 9, 10, 20].
Однако большинство работ по древесным растениям посвящено их ассимилирующим органам [15, 23, 28-31, 35], хотя аккумуляция элементов в значительной степени определяется многолетними органами благодаря их большой биомассе. Данные по элементному составу многолетних органов, особенно древесины стволов, малочисленны [6, 9, 24, 32, 36], а в условиях атмосферного загрязнения чрезвы-
чайно редки [6, 9, 36]. Следует отметить также, что в подавляющем большинстве работ в центре внимания находятся основные металлы-загрязнители (никель и медь), тогда как неменьшее значение могут иметь сопутствующие металлы, отличающиеся высокой токсичностью (кадмий, свинец).
Целью настоящей работы является оценка современных уровней содержания элементов питания (K, Mg, Ca и S) и ТМ (Ni, Cu, Cd, Pb, Zn) в ассимилирующих (хвоя) и многолетних (мелкие ветви, кора, древесина) органах сосны в зоне влияния комбината «Печенганикель» на Кольском полуострове. Проанализированы возможные источники поступления ТМ и серы в растения, а также роль хвои и многолетних органов сосны в диагностике загрязнения и в накоплении поллютантов.
Исследования проводили в экосистемах сосновых лесов Кольского полуострова в зоне влияния газопылевых выбросов комбината «Печенганикель» (Мурманская обл.).
Образцы хвои, мелких ветвей (диаметр d < 1 см), коры и древесины стволов сосны (Pinus sylvestris) были отобраны на 12 стационарных участках мониторинга, заложенных на разном расстоянии (5 и 6 км в северо-западном, 7, 8, 11, 12, 16, 34, 41, 58, 75 и 77 км в южном направлении) от источника загрязнения. Хвою сосны отбирали из верхней третьей части кроны дерева с десяти деревьев на каждом участке, разбирали по возрастным фракциям, мелко измельчали (d < 3 мм) и не отмывали. Мелкие ветви, кору и древесину стволов (с помощью древесного бура) отбирали с этих же десяти деревьев; для анализов использовали смешанные образцы.
Озоление растительного материала проводили концентрированной азотной кислотой с добавлением 30%-го раствора перекиси водорода [2, 13]. Металлы в HNO3-вытяжках из растительных проб определяли с использованием атомно-абсорбционной спектроскопии пламени (Ca, Mg, K, Ni, Cu, Zn). Металлы, имеющие низкие концентрации (Cd и Pb), определяли после предварительного концентрирования непламенным вариантом метода (с помощью графитовых кювет), который имеет более низкий предел обнаружения. Определение серы проводили в HNO^bi-тяжках из растительных проб турбидиметрическим методом, азота — по Кьельдалю.
Атмосферное загрязнение сопровождается значительными изменениями элементного состава ассимилирующих (хвоя) и многолетних (мелкие ветви, кора, древесина) органов сосны, нарушением его сбалансированности (табл. 1).
Химический состав хвои сосны лесных биогеоценозов фоновых участков типичен для бореальных
1 Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (гранты № 02—04—49047, 05—04—48460а, 08—04—01745, http://soil.msu.ru/ projects/solution), NWO (047.014.002, http://soil.msu.ru/projects/nwo02).
Таблица 1
Элементный состав ассимилирующих и многолетних органов сосны
^ 2 8 Й Я , Элементы питания, ммоль/кг Тяжелые металлы мкмоль/кг
S Са Mg К № Си РЬ Cd Zn
Хвоя текущего года
77 33 42 60 223 53 50 3,1 1,3 445
75 38 55 57 250 93 61 0,33 0,73 870
58 28 64 47 183 114 104 0,30 0,58 667
41 29 20 42 180 89 157 0,58 1,2 364
34 34 73 58 230 345 301 0,72 0,75 634
16 39 39 43 195 414 226 1,7 0,73 539
12 41 69 52 180 419 130 0,96 0,61 668
11 38 28 43 225 211 116 4,9 1,2 478
8 38 46 45 223 410 178 2,5 0,82 360
7 37 44 47 203 341 115 2,7 0,73 375
5 38 59 58 210 269 116 4,4 3,1 411
6 35 37 41 238 198 74 2,7 0,87 416
Хвоя 3- го года
77 25 92 25 83 32 30 2,4 1,6 347
75 35 115 34 87 34 35 0,89 0,50 861
58 17 76 31 84 78 91 3,4 1,0 458
41 17 37 22 66 104 111 2,0 0,32 74
34 29 101 43 99 176 235 1,4 0,40 437
16 32 77 31 92 333 249 3,7 0,47 426
12 35 100 42 74 557 406 21 0,75 327
11 29 77 24 83 390 281 16 1,2 227
8 36 82 38 74 568 376 22 0,79 210
7 30 96 26 73 765 306 12 0,88 264
5 23 112 41 71 473 233 9,1 2,2 220
6 33 83 30 91 474 270 9,0 1,3 263
Ветви
77 16 57 39 103 42 65 2,0 1,9 305
75 15 43 39 69 46 67 1,2 1,2 786
58 9,3 66 32 99 37 132 2,2 2,1 403
41 11 37 30 77 165 160 1,8 2,9 271
34 23 84 56 115 299 281 5,6 1,4 366
16 23 52 46 105 387 392 5,2 2,1 686
12 14 81 37 75 375 455 10 1,6 312
11 23 57 51 111 379 368 11 5,6 316
8 21 75 38 109 454 542 8,5 4,1 258
7 17 65 33 78 594 517 7,8 1,5 281
5 16 94 39 75 750 596 11 5,7 226
6 10 47 30 93 233 217 4,9 4,1 270
Кора
77 24 64 4,5 3,2 138 100 9,4 1,6 151
75 18 64 4,1 3,2 84 128 9,5 1,8 143
58 2,3 59 6,0 8,7 94 114 5,8 1,5 292
41 2,7 80 3,0 3,8 200 141 2,2 1,3 207
34 4,0 37 8,8 15 400 538 5,7 1,0 135
16 13 59 13 9,5 1530 1490 17 1,7 190
12 27 76 27 5,2 1710 2850 16 3,1 176
11 18 58 28 19 1800 3060 19 4,1 214
8 19 92 29 11 2240 2260 10 3,2 266
7 21 86 11 10 2610 3050 15 2,9 247
5 15 74 5,6 6,3 1080 1660 8,9 3,0 150
6 33 65 7,9 4,2 2170 3690 15 3,5 116
Окончание табл. 1
ем 8 Й н, Элементы питания, ммоль/кг Тяжелые металлы мкмоль/кг
S Са Mg К № Си РЬ Cd Zn
Древесина
77 1,2 19 8,7 11 9,6 16 0,14 0,61 102
75 5,1 15 6,4 9,0 6,5 14 0,23 0,56 111
58 3,9 18 6,6 8,6 4,1 14 1,3 0,52 157
41 4,9 11 6,1 7,4 6,9 18 0,99 0,62 170
34 1,5 15 6,1 7,2 6,9 13 1,4 0,38 95
16 4,1 16 9,2 10 11 16 1,6 1,4 137
12 4,2 19 7,5 8,7 7,9 12 1,0 0,52 114
11 6,1 18 7,2 12 20 22 0,56 0,64 122
8 2,1 18 8,6 10 10 12 0,87 0,75 106
7 0,8 16 6,3 10 11 16 1,1 0,72 81
5 2,0 18 7,6 10 11 14 0,50 0,81 68
6 1,9 18 7,8 12 9,8 16 0,71 0,29 77
лесов Кольского полуострова. Хвоя текущего года характеризуется преобладанием азота и калия, а также повышенным содержанием кальция, магния и серы по сравнению с другими органами. При старения хвои элементный состав ее меняется в сторону потери подвижных калия и магния и накопления малоподвижного кальция (рис. 1). Так, содержание калия и кальция в хвое текущего года составляет 180-250 и 4264 ммоль/кг, а в хвое третьего года жизни — 83-87 и 76-115 ммоль/кг соответственно. Такая трансформация обусловлена, вероятно, локализацией подвижных элементов в зоне активного роста растений [6, 9].
Вблизи источника загрязнения содержание калия в хвое сосны повышено по сравнению с фоновыми участками (рис. 1), что подтверждает полученные ранее данные и обусловлено, видимо, уменьшением возраста древостоя и самой хвои в условиях загрязнения и увеличением доступности калия в почвах вследствие вытеснения его из ППК катионами пол-лютантов. Активное поглощение из почвы и отток подвижных элементов из старых органов определяют повышенное содержание этих элементов в молодой хвое сосны загрязненных участков [6, 9, 10]. Так, содержание калия в хвое текущего года жизни не превышает 180 ммоль/кг на расстоянии 40-50 км от комбината и возрастает до 200-240 ммоль/кг вблизи него. Повышенное содержание калия на наиболее удаленных в южном направлении участках (75-80 км) связано, видимо, с интенсификацией биологического круговорота. Изменения содержания кальция и магния по градиенту загрязнения незакономерны.
Хвоя сосны фоновых участков отличается повышенным содержанием серы (17-29 ммоль/кг) по сравнению с незагрязненными районами Кольского полуострова (10-24 ммоль/кг [6, 9, 12, 25]), что обусловлено как выбросами многочисленных местных предприятий-загрязнителей, так и дальним атмосфер-
Рис. 1. Возрастные изменения элементного состава хвои сосны на условно-фоновом (41 км от комбината), средне- (12 км)
и сильнозагрязненном (8 км) участках
ным переносом. Поэтому фоновые участки следует считать лишь условным локальным фоном. С приближением к источнику загрязнения содержание в хвое серы — основного компонента промышленных выбросов— увеличивается в 1,3-2 раза по сравнению с условно-фоновыми участками (50-60 км от комбината). Повышение содержания серы в хвое с удалением на юг может быть обусловлено наложением влияния трансграничных потоков диоксида серы. Содержание серы в молодой хвое всех исследованных фитоценозов превышает критический уровень в 28 ммоль/кг (900 мг/кг), установленный для районов с низкой обеспеченностью азотом [25].
Следует отметить, что накопление серы в хвое по мере ее старения в районах, приближенных к комбинату, не происходит (табл. 1, рис. 1). Содержание серы снижается с возрастом в соответствии с поведением, выявленным для элементов-органогенов [6, 9, 12]. Еще одной причиной накопления серы в молодой хвое может являться ее способность к более активному поглощению из воздуха в течение вегетационного периода, когда газообмен и ассимиляция протекают наиболее активно, содействуя аккумуляции элемента [6, 30].
Содержание ТМ, как и серы, в хвое сосны условно-фоновых участков повышено по сравнению с незагрязненными территориями Кольского полуострова. Так, содержание никеля и меди в хвое текущего года на расстоянии 60-80 км составляет 50110 мкмоль/кг, а в хвое третьего года жизни — 30-80 и 30-90 мкмоль/кг, тогда как средние показатели по региону не превышают 10-40 и 10-60 мкмоль/кг соответственно [6, 9, 11, 12]. В центральной части Кольского полуострова выявлено двукратное превышение величин фоновых концентраций никеля и меди в хвое в конце 1980-х гг. по сравнению с установленными для этого района двумя десятилетиями раньше [8].
С ростом атмосферного загрязнения содержание никеля в хвое текущего года достигает 200-420, а в хвое третьего года жизни — 330-760 мкмоль/кг, возрастая в 2,3-4,5 и в 10-20 раз соответственно (табл. 1). Содержание меди увеличивается до 120-230 и 230400 мкмоль/кг, превышая фоновые величины в 23 раза в молодой и в 7-10 раз в старой хвое. В зоне загрязнения хвоя сосны накапливает больше никеля, чем меди. С приближением к источнику загрязнения содержание свинца в хвое увеличивается в 325 раз, а кадмия — в 1,5-4 раза (рис. 2 и 3). Концент-
Рис. 2. Содержание водорастворимых соединений тяжелых металлов в хвое сосны 3-го года жизни на разном расстоянии от источника загрязнения
рация цинка в хвое сосны в отличие от концентрации большинства ТМ снижается с нарастанием загрязнения. Обеднение хвои цинком обусловлено, возможно, антагонистическими взаимоотношениями
между Fe и 2и, Сё и 2и, Си и 2и, отмеченными как в исследуемом [6, 9, 10], так и в других районах [3, 31].
При старении хвои содержание никеля и меди в ней на фоновых участках практически не меняется или слегка увеличивается, а в хвое загрязненных участков заметно возрастает (рис. 1). Сходные закономерности изменения содержания этих металлов с возрастом хвои отмечены и ранее [6, 9, 12, 25]. При старении хвои содержание кадмия в ней изменяется мало; свинца увеличивается, а цинка снижается.
Накопление ТМ растениями обусловлено как поглощением их из почвы корневой системой, так и непосредственным осаждением на поверхность хвои и коры [1, 6, 10, 22, 26, 28]. Несмотря на идентификацию частиц металлов на поверхности хвои с помощью сканирующей электронной микроскопии [29, 35], количественный вклад сухого осаждения в элементный состав растений до сих пор неясен. Так, вблизи медно-никелевого комбината в Финляндии хвоя сосны поглощала основную часть меди, железа и никеля непосредственно из атмосферы [26]. Концентрации никеля и меди в восковом слое хвои сосны вблизи Мончегорска превышали таковые во внутренних тканях в 10-30 раз [28]. Аналогично поверхностная аккумуляция достигала 70-90% общего содержания никеля и меди в листьях березы вблизи
Рис. 3. Надземная биомасса сосны и аккумуляция в ней тяжелых металлов на разном расстоянии от источника загрязнения
комбината [22]. Наряду с атмосферными аэрозолями источником металлов, осаждающихся на поверхности растений, может служить металлсодержащая пыль вследствие активного развития эрозии почв [21]. Интенсивное поверхностное осаждение поллютантов определяет целесообразность использования хвои для биоиндикации и мониторинга атмосферного загрязнения, но ограничивает ее применение для диагностики токсичности тяжелых металлов в лесных экосистемах.
Использование растворителей (дистиллированная вода, хлороформ, слабые растворы кислот) для разделения атмосферного и корневого поглощения сопряжено с методическими трудностями в связи с неполным удалением осажденных на поверхность хвои металлов, с одной стороны, и их извлечением из внутренних тканей, особенно при повреждении кутикулы частицами металлов-загрязнителей, — с другой [22, 26, 28]. Разделение мобильных (биологически доступных) и труднорастворимых соединений тяжелых металлов с помощью 15-минутного кипячения неотмытых листьев в дистиллированной воде привело к извлечению >90% растворимых никеля и меди, что составило 32-40 и 9-19% их общего содержания в листьях березы [22]. В наших исследованиях содержание растворимых соединений никеля и меди в хвое сосны фоновых районов не превышало 4 и 6 мкмоль/кг или нескольких процентов от их общего количества. С ростом атмосферного загрязнения содержание растворимых соединений никеля возрастало в 10-18, меди — в 4-7 раз, а их доля увеличивалась только в 2-6 раз (рис. 2). Абсолютное содержание растворимых соединений свинца, кадмия и цинка увеличивалось в 1,5-3 раза, тогда как их относительное количество снижалось. По-видимому, в условиях сильного атмосферного загрязнения поверхностное осаждение вносит существенный вклад в аккумуляцию тяжелых металлов в ассимилирующих органах сосны.
Важнейшим источником ТМ для растений служит почва [4, 6, 9, 10, 16, 20]. Увеличение содержания никеля и меди в хвое с приближением к источнику загрязнения тесно связано с ростом содержания доступных для растений соединений этих металлов в корнеобитаемых горизонтах почв, в первую очередь в подстилках [6, 9, 10, 20]. Однако ряд механизмов препятствует избыточному поглощению металлов корнями из почвы и их транспорту в хвою и ветви [1, 3, 22].
Мелкие ветви сосны отличаются высоким уровнем накопления минеральных элементов, сопоставимым с ассимилирующими органами. Содержание никеля, меди, свинца и кадмия в мелких ветвях возрастает с приближением к источнику загрязнения (табл. 1) и превышает фоновые показатели в 8-16, 5-9, 4-9 и 1,3-4,7 раза соответственно. Содержание цинка, напротив, снижается, вероятно, в связи с ан-
тагонистическими взаимоотношениями между металлами, отмеченными выше для хвои сосны.
Кора как многолетний орган аккумулирует значительные количества поллютантов. Содержание основных компонентов атмосферных выбросов в коре сосны резко возрастает по направлению к комбинату: серы в 6-10, никеля в 18-30, меди в 12-24, свинца и кадмия в 1,5-2 раза (табл. 1). В отличие от хвои кора накапливает больше меди, чем никеля. Способность коры древесных растений к аккумуляции ТМ и серы хорошо известна и обусловлена механическим осаждением их на поверхности коры благодаря ее шероховатой структуре. В связи с большой адсорбционной способностью кора сосны успешно используется для индикации и мониторинга атмосферного загрязнения во многих индустриальных регионах мира [27, 32, 33]. С другой стороны, известно ее применение в качестве удобрения в лесном хозяйстве и биосорбента при рекультивации почв [34]. Однако в последних случаях необходим предварительный анализ качества коры, особенно если речь идет о загрязненных территориях [32].
Древесина ствола характеризуется низким содержанием макроэлементов по сравнению с другими органами сосны: содержание кальция не превышает 12-19, калия — 7-12, магния — 6-9, серы— 16 ммоль/кг; при этом изменения по градиенту загрязнения не имеют систематического характера.
Содержание ТМ в древесине ели в фоновых условиях также очень низкое; преобладают цинк и медь. С приближением к источнику загрязнения содержание никеля в древесине возрастает в 1,5-2 раза, свинца, меди и кадмия изменяется незакономерно, а цинка имеет тенденцию к снижению (табл. 1). ТМ поступают в деревья преимущественно через корни, а также из атмосферы через хвою и кору; часть металлов накапливается во вновь формирующейся древесине. Это служит основой дендрохимического анализа, позволяющего по содержанию металлов в годовых кольцах прослеживать временные и пространственные изменения природной среды. Однако результаты такого анализа неоднозначны: одни исследователи подтверждают, другие, напротив, опровергают связь элементного состава годовых колец с атмосферными выпадениями и содержанием металлов в почвах [24, 36]. Результаты наших исследований свидетельствуют о накоплении никеля и меди во внешних годовых кольцах, сформировавшихся в течение последних 25 лет — периода максимальных атмосферных выбросов комбината, — по сравнению с внутренними кольцами (табл. 2). Однако накопление меди во внешних годовых кольцах может отражать не только повышенный уровень атмосферного загрязнения, но и тенденцию к ее перераспределению в молодые растущие ткани [36]. Выявлена тенденция обеднения внешних годовых колец цинком; изменения содержания свинца и кадмия незакономерны.
Таблица 2
Содержание тяжелых металлов (мкмоль/кг) во внутренних и внешних (последние 25 лет) годовых кольцах сосны по градиенту загрязнения
Расстояние от ГМК, км Годовые кольца № Си РЬ Cd Zn
58 внутренние 3,5 8,3 1,7 0,52 151
внешние 5,6 9,2 4,7 0,54 176
41 внутренние 6,8 18 0,63 0,65 176
внешние 7,1 18 2,0 0,54 152
34 внутренние 3,5 9,8 2,2 0,62 124
внешние 8,9 15 0,89 0,24 79
16 внутренние 6,3 13 3,7 1,4 136
внешние 17 21 1,9 1,4 137
12 внутренние 4,2 9,4 1,8 0,34 137
внешние 11 15 2,3 0,66 97
внутренние 8,6 11 2,7 0,88 125
8 внешние 13 15 1,0 0,52 72
Аккумуляция тяжелых металлов в биомассе сосны.
Бореальные сосновые леса Кольского полуострова, формирующие северный предел распространения древесной растительности на границе лесотундры и северной тайги, характеризуются низкой биомассой и продуктивностью. Биомасса сосны, оцененная на основании измеренных таксационных показателей с помощью региональных регрессионных уравнений, не превышает 2,5-4,5 кг/м2 в фоновых ельниках и снижается до 0,8-1,5 кг/м2 с приближением к источнику загрязнения (рис. 3). Основной вклад в биомассу вносит древесина (64-80%), доля коры не превышает 10-12%. Доли хвои текущего и третьего года жизни и мелких ветвей в фоновых условиях составляют 4, 11 и 10% и снижаются вследствие дефолиации с нарастанием загрязнения до 1, 3 и 7% соответственно. Низкая биомасса с экстремально высокой долей хвои и мелких ветвей и низкой долей коры свойственна молодому сосняку за пределами основной зоны загрязнения (34 км от комбината). Напротив, полновозрастный сосняк в зоне влияния комбината (16 км) отличается высокой биомассой и низкой долей хвои и мелких ветвей. Эти оценки согласуются с экспериментальными данными для фоновых (2,2-6,7 кг/м2) и загрязненных (1,3-1,4 кг/м2) районов полуострова [9].
В сосновых лесах, удаленных от источника загрязнения, сосна накапливает около 8-9мг/м2 никеля, 10 мг/м2 меди, 1-2 мг/м2 свинца, 0,4 мг/м2 кадмия и 50-80 мг/м2 цинка. Максимальное количество никеля аккумулировано в хвое (24-51%) и коре (28-
44%), цинка — в хвое (26-43%) и древесине (24-50%), свинца— в коре (21-56%) и древесине (34-64%), кадмия — в древесине (39-45%). Медь более равномерно распределена между органами. Под воздействием техногенного загрязнения накопление никеля и меди в биомассе сосны возрастает (несмотря на снижение биомассы), а цинка снижается (рис. 3). В загрязненных районах кора сосны аккумулирует наибольшее количество никеля (76-88%) и меди (77-93% от общего содержания металла в биомассе соответственно). Свинец, кадмий и цинк сравнительно равномерно распределены между многолетними органами. Поскольку в настоящей работе были проанализированы только мелкие ветви, общий вклад крупных и мелких ветвей в аккумуляцию металлов в биомассе сосны должен быть еще выше. Этот факт обычно не учитывается в балансовых расчетах, моделировании поведения и оценке критических нагрузок ТМ в лесных экосистемах.
Заключение
Сосна фоновых районов Кольского полуострова содержит максимальное количество элементов питания (калий, кальций, магний, сера) в хвое, цинка — в хвое и ветвях, кадмия — в ветвях и коре, никеля, меди и свинца — в коре. Древесина отличается минимальным содержанием всех элементов. Атмосферное загрязнение вызывает значительные изменения элементного состава ассимилирующих и многолетних органов сосны, проявляющиеся в накоплении никеля, меди, кадмия, свинца и серы и обеднении цинком. Максимальным изменениям подвержены кора и старая хвоя, аккумуляция тяжелых металлов в которых определяется преимущественно поверхностным осаждением. Минимальные изменения свойственны древесине: тенденция к аккумуляции никеля с приближением к источнику загрязнения подтверждается накоплением металла во внешних годовых кольцах по сравнению с внутренними. Возрастные изменения элементного состава хвои характеризуются ее обогащением малоподвижными (кальций) и обеднением подвижными (калий, магний, цинк) элементами и сохраняются в условиях загрязнения, дополняясь выраженным накоплением никеля, меди и свинца. Несмотря на низкую биомассу сосновых лесов на северном пределе их распространения, аккумуляция тяжелых металлов в древесине, ветвях и коре должна быть учтена при моделировании поведения металлов, оценке их критических нагрузок и риска избыточного поступления в лесные экосистемы.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Алексеев Ю.В. Тяжелые металлы в почвах и растениях. Л., 1987. 140 с.
2. Гришина Л.А., Самойлова Е.М. Учет биомассы и химический анализ растений. М., 1971. 98 с.
3. Кабата-Пендиас А., Пендиас X. Микроэлементы в почвах и растениях. М., 1989.
4. Кислотные осадки и лесные почвы / Под ред. В.В. Никонова, Г.Н. Копцик. Апатиты, 1999.
5. Копцик Г.Н., Ерусланкина Л.В., Ливанцова С.Ю., Коп-цик С.В. Влияние атмосферного загрязнения на напочвенный покров лесных БГЦ Кольского полуострова // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 17. Почвоведение. 2003. № 3. C. 22-29.
6. Копцик Т.Н., Копцик С.В, Омлид Д. Трансформация элементного состава растений лесных биогеоценозов северной тайги под воздействием атмосферного загрязнения // Там же. 1999. № 3. C. 37-49.
7. Копцик С.В., Копцик Т.Н., Меряшкина Л.В. Ордина-ция растительных сообществ лесных биогеоценозов Кольского Севера в условиях атмосферного загрязнения // Экология. 2004. №2. C. 1-10.
8. Лесные экосистемы и атмосферное загрязнение / Под ред. В.А.Алексеева. Л., 1990.
9. Лукина Н.В., Никонов В.В. Биогеохимические циклы в лесах Севера в условиях аэротехногенного загрязнения: В 2 ч. Апатиты, 1996. Ч. 1. 213 с.; Ч. 2. 192 с.
10. Лукина Н.В., Никонов В.В. Питательный режим лесов северной тайги (природные и техногенные аспекты). Апатиты, 1998. 316 с.
11. Раменская М.Л. Микроэлементы в растениях Крайнего Севера. Л., 1974.
12. Обмен веществ и энергии в сосновых лесах европейского Севера. Л., 1977.
13. Родин Л.Е., Ремезов Н.П., Базилевич Н.И. Методические указания к изучению динамики биологического круговорота в фитоценозах. Л., 1968.
14. СмитУ.Х. Лес и атмосфера. М., 1985.
15. Сыроид Н.А. Способность хвои ели и сосны выживать в условиях аэротехногенного загрязнения // Антропогенное воздействие на экосистемы Кольского Севера. Апатиты, 1988. С. 24-28.
16. Ушакова Г.И. Биогеохимическая миграция элементов и почвообразование в лесах Кольского полуострова. Апатиты, 1997.
17. AamlidD., T0rsethK., Venn К., StuanesA.O., SolbergS, Hylen G., Christophersen N., FlamstadE. Changes of forest health in Norwegian boreal forests during 15 years // Forest Ecology and Management. 2000. Vol. 127. Р. 103-118.
18. Fowler D., Cape J.N., Coyle M., Flecharg C., Kuylen-stiernaJ., Hicks K., DerwentD., Johnson C., Stevenson D. The global exposure of forests to air pollutants // Water, Air, Soil Pollut. 1999. Vol. 116. P. 5-32.
19. Freedman B., Hutchinson T.C. Smelter pollution near Sudbary, Ontario, Canada and effects on forest litter decomposition // Effects of Acid Precipitation on Terrestrial Ecosystems / NATO Adv. Res. Inst. Scarborough, 1978. P. 395-434.
20. Koptsik S., Koptsik G., Livantsova S., Eruslankina L., ZhmelkovaT., VologdinaZh. Heavy metals in soils near the nickel smelter: chemistry, spatial variation, and impacts on plant diversity // J. Environ. Monit. 2003. Vol. 5. P. 441-450.
21. Kozlov M.V. Sources of variation in concentrations of nickel and copper in mountain birch foliage near a nickel-copper smelter at Monchegorsk, north-western Russia: results of long-term monitoring // Environ. Pollut. 2005. Vol. 135, N 1. P. 91-99.
22. Kozlov M.V., Haukioja E, Bakhtiarov A., Stroganov D.N., Zimina S.N. Root versus canopy uptake of heavy metals by birch in an industrially polluted area: contrasting behaviour of nickel and copper // Ibid. 2000. Vol. 107. P. 413-420.
23. Kozlov M.V., Niemelä P. Difference in needle length — a new and objective indicator of pollution impact on Scots pine (Pinus sylvestris) // Water, Air, Soil Pollut. 1999. Vol. 116. P. 365-370.
24. Lindeberg J. X-ray Based Tree Ring Analyses. Doctoral Thesis. Swedish University of Agricultural Sciences, Umeä, 2004.
25. Manninen S., Huttunen S., Rautio P., Perämäki P. Assessing the critical level of SO2for Scots pine in situ // Environ. Pollut. 1996. Vol. 93, N 1. P. 27-38.
26. Nieminen T.M., DeromeJ., Saarsalmi A. The applicability of needle chemistry for diagnosing heavy metal toxicity to trees // Water, Air, Soil Pollut. 2004. Vol. 157, N 1-4. P. 269-279.
27. Poikolainen J. Sulphur and heavy metal concentrations in Scots pine bark in northern Finland and the Kola Peninsula // Ibid. 1997. Vol. 93. P. 395-408.
28. Rautio P., Huttunen S. Total vs. internal element concentrations in Scots pine needles along a sulphur and metal pollution gradient // Environ. Pollut. 2003. Vol. 122, N2. P. 273-289.
29. Rautio P., Huttunen S., Lamppu J. Effects of sulphur and heavy metal deposition on foliar chemistry of Scots pines in Finnish Lapland and on the Kola Peninsula // Chemos-phere. 1998. Vol.36, N4-5. P. 979-984.
30. Rautio P., Huttunen S., Lamppu J. Element concentrations in Scots pine needles on radial transects across a subarctic area // Water, Air, Soil Pollut. 1998. Vol. 102, N3-4. P. 389-405.
31. Reimann C., Koller F., Kashulina G., Niskavaara H., Engmaier P. Influence of extreme pollution on the inorganic chemical composition of some plants // Environ. Pollut. 2001. Vol. 115, N2. P. 239-252.
32. Saarela K.-E., HarjuL., RajanderJ., LillJ.-O., Heselius S.-L., LindroosA., MattsonK. Elemental analyses of pine bark and wood in an environmental study // Sci. Tot. Environ. 2005. Vol. 343, N 1-3. P. 231-241.
33. Schulz H., Popp P., Huhn G., Stärk H.-J., Schürmann G. Biomonitoring of airborne inorganic and organic pollutants by means of pine tree barks: I. Temporal and spatial variations // Ibid. 1999. Vol. 232. P. 49-58.
34. Täljemark K., Öberg K. Pine bark for remediation purpose. A study of the sorption capacity of pine bark for heavy metals and polyaromatic hydrocarbons. Lund, Sweden, 2003. 93 p. (In Swedish).
35. Turunen M., Huttunen S. Scots pine needle surfaces on radial transects across the north boreal area of Finnish Lapland and the Kola Peninsula of Russia // Environ. Pollut. 1996. Vol. 93, N2. P. 175-194.
36. Watmough S.A., Hutchinson T.C. Analysis of tree rings using inductively coupled plasma mass spectrometry to record fluctuations in a metal pollution episode // Ibid. 1996. Vol. 93, N 1. P. 93-102.
Поступила в редакцию 25.02.07
PLANT UPTAKE OF NUTRIENTS AND HEAVY METALS IN PINE FORESTS
UNDER AIR POLLUTION IMPACT
T.A. Scherbenko, G.N.Koptsik, B.-J. Groenenberg, N.V. Lukina, S.Yu. Livantsova
Pollution-induced changes in concentrations and accumulation of elements in pine needles, branches, stem bark and wood have been investigated in 12 plots along a pollution gradient at distances from 5 to 77 km from a copper-nickel smelter in the Kola Peninsula (north-western Russia), the largest emitter of sulphur and heavy metals in northern Europe. Close to the pollution source, concentrations of S, Ni, Cu, Pb and Cd in all pine compartments were higher compared to background levels while concentrations of Zn lower. Ni and Cu, the main metals emitted, showed the highest concentration (enrichment) factors in all pine compartments. Age related variations in needle composition were comparable to background. Branches and especially stem bark were higher in heavy metals than other tissues and, in addition to wood, contributed significantly to biomass accumulation of metals in the polluted pine forests. Changes in chemical composition of plant tissues could be explained by changes in element concentrations in soils and direct uptake from the air as well as by antagonistic relationships between the elements.
