CC BY
58
С.О. Ондар, д-р биол. наук, проф. каф. общей биологии Тувинского гос. университета, г. Кызыл, E-mail: ondar17@yandex.ru; У.В. Ондар, канд. хим. наук, доц. каф. химии Тувинского гос. университета, г. Кызыл, E-mail: nirs.tgu.tuva@mail.ru; А.О. Очур-оол, преп. каф. экологии и зоологии Тувинского гос. университета, г. Кызыл, E-mail: aldyn@mail.ru
ЗАПАДНО-САЯНСКАЯ ЛАНДШАФТНО-ГЕОХИМИЧЕСКАЯ И АЛАШСКАЯ БИОГЕОХИМИЧЕСКАЯ ПРОВИНЦИИ
Исследованы особенности накопления основных макроэлементов и микроэлементов, имеющих важное физиологическое значение в обменных процессах в живых организмах, а также относящиеся к группе тяжелых металлов в природных средах и растительном покрове Хемчикской котловины. Выявлены закономерности их накопления в различных типах почв, экосистем и структурах растительных сообществ. Математически показаны корреляционные зависимости взаимодействия химических элементов друг с другом, принципиальные различия в интенсивности биологического накопления элементов надземными органами различных растительных сообществ. Интенсивность поглощения катионогенных химических элементов растениями можно прогнозировать с учетом структуры растительного сообщества и типа почв. Показана пренебрежимо малая роль естественной растительности территории в биогенной миграции химических элементов.
Впервые охарактеризованы особенности поглощения химических элементов растениями в зависимости от типа геохимического ландшафта (элювиальный, транзитный, аккумулятивный) Хемчикской котловины.
Ключевые слова: Хемчикская котловина, тяжелые металлы, содержание химических элементов, фоновые содержания, каштановые почвы, кларки элементов, биогеохимические провинции, растительность, поверхностные воды.
Биогеохимическое районирование в районе исследований было проведено А.В. Пузановым [1] и выделены следующие биогеохимические пояса, отличающиеся циклами химических элементов и реакциями живых организмов: высокогорных тундр и альпийских лугов, горно-лесной и степных и сухостепных котловин.
По данным А.В. Пузанова [1], основу структуры почвенного покрова Хемчикской котловины, которой он отнес к биогеохимическому поясу степных и сухостепных котловин, образуют каштановые и лугово-каштановые легкосуглинистые, супесчаные и песчаные почвы. Почвы среднеобеспечены валовыми и подвижными макро- и микроэлементами. Растения содержат фоновые уровни макро- и микроэлементов. В биогеоценозах с высоким содержанием селена возможен токсикоз у животных [1]. Он же выделил в тувинской горной области в пределах полиметаллических месторождений и орелов рассеяния пять биогеохимических провинций с повышенным содержанием микроэлементов: 1) За-падно-Танну-Ольская - Си, Со, РЬ, Сг, Мо, As, Sn, Ад, Ва, Sb, Нд; 2) Саянская - N Сг, Си, Мо, РЬ, Zn; з) Алашская - Си, ^ РЬ, Со, Сг; 4) Восточно-Тувинская - Си, РЬ, Zn, Со, N Ва, As, Сг, Cd, Мо, Sn, Ва, Ве; 5) Восточно-Саянская и шесть ландшафт-но-геохимических провинций: Западно-Саянская, Восточно-Тувинская, Центрально-Тувинская, Каа-Хемско-Сангиленская, Уб-су-Нурская, Танну-Ольская [1].
Таким образом, по классификации А.В. Пузанова в Хемчик-ской котловине выделена Алашская биогеохимическая и Западно-Саянская ландшафтно-геохимическая провинции. Рельеф Хемчикской котловины разнообразен и определен интенсивными тектоническими процессами, протекавшими в течение длительного геологического периода. На формирование современного рельефа котловины, как и всей территории Тувы, значительное влияние оказали оледенения горных сооружений в течение четвертичного периода, а также процессы денудации [2 - 6].
Почвы элювиальных (водораздельных) ландшафтов котловины представляют собой сочетание маломощных супесчаных, реже легкосуглинистых, более или менее хрящеватых каштановых и светло-каштановых почв с малоразвитыми валунно-галеч-никовыми, едва задернованными наносами. Почвенный покров равнинных территорий и надпойменных террас (аккумулятивных зон) более однороден. Преимущественное распространение имеют каштановые супесчаные почвы средней мощности и маломощные, ближе к горам, по мере повышения поверхности, становятся более гумусными, темными; вместе с тем они перемежаются с малоразвитыми щебнистыми горными каштановыми почвами и частыми выходами на поверхность плотных пород. Более высокие части долин характеризуются каштановыми темными почвами и даже черноземами. Вообще, почвы каштанового ряда являются зональными в аридных котловинах [7; 8].
Почвообразующими породами на хребтах служит суглинистый элювио-делювий, представленный отложениями легкого механического состава, содержащий много щебня и обломков 544
плотных пород. Различные аллювиальные отложения приурочены к днищу котловины.
Высокогорные ландшафты представлены скалисто-осып-ными высокогорьями с маломощным суглинисто-щебнистым покровом с альпийскими и субальпийскими лугами и кустарниками, участками тундр и редколесья на горно-луговых почвах. Степи высокогорий в основном представлены криофитно-зла-ковыми степями, разнотравными лугами на горно-тундровых и горностепных почвах с каменистыми россыпями. Лесные участки представлены редколесьями из кедра, лиственницы и субальпийскими высокотравными лугами, кустарниками на горно-луговых почвах и участками тундр на торфянисто-перегнойных почвах. На высокогорных ландшафтах растительность представлена разнотравной криофитной луговой растительностью (овсецовая, типчаковая, кобрезиевая) с доминированием злаковых. Высокогорная растительность при разнообразии условий, создаваемых разной ориентацией хребтов по отношению к влагонесущим ветрам представлена луговым типом при мощном развитии горно-таежного пояса в среднегорьях. Субальпийский комплекс растительности высокогорий представлен кедровыми редколесьями. Наибольшее распространение в высокогорном поясе имеют разнотравно-злаковые (Festuca sphagnicola, He-lictotrichon hookeri, Helictotrichon altaicum), типчаковые (Festuca lenensis), кобрезиевые (Kobresia filifoNa), овсяницевые (Festuca altaica, Festuca ovina) фитоценозы. Горные тундры (ерниковые, дриадовые) здесь не имеют широкого распространения и приурочены к платообразным вершинам, нагорным террасам [9; 10].
Среднегорные ландшафты распространены на горнолесных бурых перегнойных почвах под доминированием хвойно- и широколиственных лесов, а также представлены лиственничными лесами на горно-луговых в сочетании с сухими степными ассоциациями на горностепных почвах. Более крутые склоны покрыты типичной каменистой степью. В целом этот пояс можно выделить как горностепной, в котором доминируют степи. По южным склонам степи поднимаются до 2000 м и нередко контактируют с высокогорной растительностью и в значительной степени обогащены высокогорными видами. Долинные степные ландшафты состоят из широколиственных смешанных травянистых лесов, часто парковых, на лесных серых дерново-слабооподзоленных или черноземовидных дерново-луговых почвах. На контактах горностепных экосистем с криофитными (высокогорными) травянистыми биомами типа современных кобрезиевников и осочни-ков сформировались криофитные степи [11]. К числу главнейших формаций криофитных степей относятся: алтайско-тонконоговая (Koeleria altaica), мятливокая (Poa attenuata), ленско-типчаковая (Festuca lenensis), скально-осоковая (Carex rupestris), нителист-но-кобрезиевая (Kobresia filifolia) и разнотравная (Eritrichium subrupestre, Eremogone formosa, Oxsitropis macrosema, Allium rubens) [12].
Степи межгорно-котловинные, в основном с сухой мелкодер-новинной полынно-злаковой растительностью, а в условиях луч-
Таблица 1
Основные ландшафты Хемчикской котловины
Точки отбора проб Ландшафты и основные растительные сообщества (экосистемы) Основные типы почв
№ Топологические названия
1 Выравненная степь к северо-западу от г. Ак-Довурак, долина р. Эдегей Аккумулятивный межкотловинный степной (выровненные межкотловинные степи на днище котловины) Каштановые степные
2 Придолинная степь на левом берегу р. Хемчик, окр. с. Суг-Аксы, Кара-Чыраа и Кызыл-Тайга Светло-каштановые степные
3 Подгорная выравненная степь северо-востоку от г. Чадан Светло-каштановые степные
4 Долина р. Устуу-Ишкин ниже м. Ара-Ой к северо-западу от с. Ишкин Транзитный среднегорный (Алашское плато на высоте 1500-1800 м. над у.м. расчлененное глубокими речными долинами со смешанным лесом) Горностепные каштановые
5 Каменистая разнотравная степь на склонах южной экспозиции (окр. с. Хон-делен) Горностепные каштановые
6 Отрог хребта Западный Танну-Ола (перевал Адар-Тош) Горнолесные каштановые темные
7 Окрестности озера Сут-Холь Элювиальный высокогорный (Отроги Западного Саяна с абс. высотой до 24002800-3100 м) Лугово- каштановые темные
8 Окрестности озера Кара-Холь Горно-луговые черноземовидные
шего увлажнения развиваются разнотравно-ковыльно-злако-вые луговые сообщества на разнообразных каштановых почвах. В степных ландшафтах выделяются подпояса разнотравно-дер-новинно-злаковых, сухих дерновинно-злаковых и опустыненных степей на светло-каштановых почвах с доминированием в сообществах Stipa krylovii, Cleistogenes squarrosa, Agropyron cristatum, Artemisia frigita, Caragana pygmaea. На высоких террасах, покатых шлейфах южных экспозиций предгорных гряд нередки опу-стыненные ковыльковые (Stipa glareosa), прутняковые (Kochia prostrate) степи. На щебнистых склонах останцовых возвышений характерны оригинальные плаунковые сообщества [13; 10].
Полевые исследования проводили на 9 репрезентативных ключевых участках. Объектами исследований являлись почвы, растительность и наземные воды.
При отборе образцов в компонентах окружающей среды был использован трансектный метод закладки точек отбора (расположение точек исследования и отбора проб на условной прямой линии от высокой точки к низкой точке над у.м.) на территории четырех районов, расположенных в Хемчикской котловине (западная Тува). Точки отбора проб закладывались в долинах крупных рек, на вершинах, склонах отрогов хребтов различных гипсометрических уровней, террасах различного уровня с учетом ландшафтной организации экосистем. Сопряжено с почвами отбирали пробы доминантных ассоциаций растительности.
Материал в виде образцов для последующего химического анализа отбирался ежегодно на тех же контрольных точках. Определялись валовое содержание и подвижные формы Cu, Mn, Co, Zn, Pb, Cd, Ni, Al, Ba, Cr, Fe, Li, Mg, Sr и Ca, P, K, N2 (ионы аммония и нитраты), гумус, рН, механический состав почвы. Всего отобраны и проанализированы более 300 образцов.
Отбор проб для лабораторного исследования проводился традиционными методами: почвенные образцы отбирались с почвенных разрезов до 1 м и прикопок до 0,5 м; водные образцы отбирались из толщи воды с глубины не менее 1 м; образцы растительного материала отбирались с места отбора почвенных проб с площади 1 м2 путем укоса надземной части растений. По-вторность составляла не менее 30 образцов с каждого участка. Точки отбора проб сгруппированы на три основных ландшафта (таблица 1).
Для изучения взаимного возможного корреляционного влияния валового состава, а также подвижных форм изучаемых микроэлементов и тяжелых металлов были подобраны линейные множественные регрессионные модели с минимальным числом независимых факторов. Для этого применили метод «пошагового включения-исключения факторов» (использовали функцию STEPWISEFIT математического пакета МАТЛАБ). Суть метода заключается в том, что составляется по возможности простая по количеству независимых переменных с одной стороны, и лучшая по качеству регрессионная модель, с другой. Для этого используется специально составленная быстрая процедура включения и исключения факторов модели.
Анализ почвенных образцов проводился в агрохимической лаборатории «Тувинская» Республики Тыва, Центре коллективного пользования Сибирского федерального университета, физико-химической лаборатории Центра коллективного пользования Тувинского государственного университета. Для определения элементного состава объектов окружающей среды использованы: атомно-адсорбционные спектрометры Analyst 600 и Analyst 800 фирмы Perkin-Elmer и Sollar 6M фирмы Thermoscientific; атомно-эмиссионные спектрометры Optima 5300 фирмы Perkin-Elmer и ICAP 6500 фирмы Thermoscientific. Для определения органических веществ различного происхождения и/или их идентификации применяли: хромато-масс-спектрометр фирмы Agilent, спектрофотометры Cary 100, Cary 5000 Esclipse фирмы Varian, ИК-спектрометр Nicolet фирмы Thermoscientific, спектрофотометры Lambda 950 фирмы Perkin-Elmer.
Полученные результаты обработаны статистическими методами с использованием программы Statistica версия 6.1.
Контрастные природные условия района исследований, сложнейшая геология территории обусловили разнообразие почвенного и пестроту растительного покровов. В свою очередь, высотное и широтное проявление климата предопределила неоднородность ландшафтно-геохимических условий. На территории Хемчикской котловины нами выделены следующие основные типы ландшафтов:
Высокогорные экосистемы (элювиальный ландшафт) представлены скалисто-осыпными высокогорьями с маломощным суглинисто-щебнистым покровом с альпийскими и субальпийскими лугами и кустарниками, участками тундр и редколесья на горно-луговых почвах. Степи высокогорий в основном представлены криофитно-злаковыми степями, разнотравными лугами на горно-тундровых и горностепных почвах с каменистыми россыпями. Лесные участки представлены редколесьями из кедра, лиственницы и субальпийскими высокотравными лугами, кустарниками на горно-луговых почвах и участками тундр на торфянисто-перегнойных почвах.
Среднегорные экосистемы смешанного леса (транзитный ландшафт) распространены на горнолесных бурых перегнойных почвах под доминированием хвойно- и широколиственных лесов, а также представлены лиственничными лесами на горно-луговых в сочетании с сухими степными ассоциациями на горностепных почвах. Более крутые склоны покрыты типичной каменистой степью.
Степные экосистемы (аккумулятивный ландшафт) представлены на межгорных котловинах, состоят в основном из сухой мелкодерновинной полынно-злаковой растительности, а в условиях лучшего увлажнения развиваются разнотрав-но-ковыльно-злаковые луговые сообщества на разнообразных каштановых почвах. По долинам рек на днищах котловин можно встретить широколиственные смешанные травянистые леса на лесных серых дерново-слабооподзоленных или черноземовид-ных дерново-луговых почвах.
Таблица 2
Региональные фоновые содержания химических элементов в почвах Хемчикской котловины
ХЭ* Среднее содержание химических элементов в различных типах почв, мг/кг Кларк литосферы
1 2 3 4 5 6 7 8
K 1144,8±363,2 142± 14,14 654,6± 12,6 440,5± 31,36 233,8± 62,59 270± 46,67 506,1± 43,0 215,2± 151,09 25000
Na 797,6± 145,7 - - - 780,8± 191,9 - - 326,6± 289,06 25000
Ca 22101,4 13846,2 86475,3 14950 68437,3 27614,6 26943,8 5975 39600
P 56,2± 28,17 25± 5,656 22,16± 15,09 42± 24,55 30,6± 13,37 29± 4,24 48,57± 27,87 13,5± 3,505 930
B 0,7± 0,07 0,4± 0,007 0,4± 0,016 0,4± 0,02 0,5± 0,016 0,4± 0,01 0,4± 0,05 0,65± 0,11 12
I 0,26±0,02 0,15±0,01 0,19±0,04 0,19±0,04 0,27±0,02 0,29±0,02 0,29±0,095 0,26±0,03
гумус 7,7±2,28 1,01±0,04 2,1±1,2 4,5±3,02 6,2±2,2 4,08±0,3 9,5±6,9 6,8±3,9
Cu в 8,12± 0,76 12,3± 0,70 12,03± 0,78 12,7± 0,96 7,66± 0,918 12,7± 0,141 13,4± 0,438 15,45± 2,119 47
Mn в 521±3 88±5,65 90,8± 9,64 102,16±10,94 496,6± 1,63 93±1,41 102,5± 15,03 288± 36,257 1000
Co в 7,24± 0,78 11,05± 0,07 11,25± 0,52 11,75± 0,51 6,45± 0,85 11,5± 0,28 12,27± 0,56 6,087± 0,9716 18
Zn в 28,6± 7,60 28,5± 3,53 32,83± 7,62 38,16± 8,79 31,4± 6,18 38,5± 3,53 35,28± 7,06 26,87± 4,64 85
Pb в 17,7± 0,80 11,8 12,1± 0,65 12,45± 0,65 14,5± 2,24 12,5± 0,28 11,72± 2,67 14,85± 1,07 16
Cd в 0,33± 0,02 0,42± 0,007 0,44± 0,033 0,46± 0,035 0,25± 0,008 0,40± 0,007 0,43± 0,033 0,4± 0,019 0,5
Ni в 20,56± 0,336 20,7± 0,42 21,61± 1,29 21,78± 0,98 18,8± 0,95 20,65± 0,212 23± 1,53 19,41± 1,36 58
Fe в 24594 18330 26071,6 21842 24594 18240 16935,4 20208,1 46500
Cr в 353,48± 187,3 - - - 70,7± 4,485 - - 29,58± 8,936 83
AI в 15630,7 - - - 13745,7 - - 7757,6 80500
мдв 60617,5 - - - 23906,4 - - 9195,56 18700
Cu п 0,23± 0,05 0,06± 0,014 0,09± 0,037 0,145± 0,04 0,118± 0,042 0,125± 0,0212 0,178± 0,0328 19,187± 7,695 47
Mn п 26,08± 0,52 4,3±0,141 4,46± 0,27 4,75± 0,22 19,58± 1,77 4,75± 0,07 5,05± 0,63 19,18± 7,69 1000
Co п 0,116± 0,008 0,045± 0,007 0,068± 0,0248 0,118± 0,03 0,084± 0,016 0,095± 0,007 0,141± 0,0167 0,116± 0,071 18
Zn п 1,286± 0,06 0,635± 0,091 0,873± 0,193 1,035± 0,419 0,9± 0,272 0,825± 0,021 1,192± 0,438 1,121± 0,658 85
Pb п 1,368± 0,17 0,65± 0,19 0,901± 0,208 1,053± 0,42 0,564± 0,157 0,97± 0,056 1,064± 0,50 1,101± 0,42 16
Cd п 0,03± 0,002 0,05± 0,0028 0,05± 0,008 0,06± 0,005 0,01± 0,0008 0,05± 0,0007 0,056± 0,005 0,07± 0,013 0,5
Ni п 1,076± 0,043 0,975± 0,035 1,053± 0,132 1,138± 0,113 0,774± 0,106 0,97± 0,042 1,095± 0,136 0,605± 0,126 58
В таблице 2 приводятся сравнительные данные средних характеристик общего регионального фона для котловины в целом в сопоставлении с кларком почв.
Являясь одним из важнейших компонентов ландшафта, почва определяет общую биогеохимическую обстановку местности. Валовое содержание тяжелых металлов в почве, прежде всего, зависит от их наличия в почвообразующей породе, а также от техногенного регионального воздушного и водного переноса веществ. Для почв высокогорья характерно постепенное утяжеление механического состава (от песков на арене до суглинков в пойме), увеличение содержания гумуса и значений рН почвенного раствора. Нами более подробно исследованы микроэлементы, играющие важную роль в обмене веществ (Мп, Си, Zn, Со, Мо, Fe, В, I). Фоновые валовые концентрации Си, Zn, РЬ для высокогорных почв составляют соответственно 13,4-15,5; 29,9-35,3; 11,7-14,9 мг/кг воздушно-сухой почвы. Валовое содер-
жание РЬ в корнеобитаемом слое почв высокогорных растительных сообществ Бай-Тайгинского кожууна (окр. оз. Кара-Холь) несколько превышает фоновое, а Си и Zn накапливается существенно меньше фонового уровня. В высокогорных ландшафтах Сут-Хольского кожууна содержание всех элементов ниже фонового. Исключение составляет лишь некоторые образцы, отобранные в зоне роющей активности мелких млекопитающих в островных высокогорных степях и песчаная почва ниже границы леса, где концентрация Мп, Си, Zn, Со, Мо немного превышает фоновую и почва островков древесно-кустарниковой растительности, произрастающих на высокогорных каменистых степях (окр. оз. Кара-Холь и Сут-Холь), где содержание РЬ меньше фонового. Если сравнивать сходные сообщества в пойме и на арене, то можно отметить, что в почве степной древесно-кустарниковой растительности в стадии смыкания на арене больше валовое содержание Си, а в пойме - Zn и РЬ. С увеличением возраста
островков древесно-кустарниковой растительности возрастает валовое содержание всех изучаемых элементов. В сходных по структуре островках древесно-кустарниковой растительности отмечается увеличение концентрации подвижных форм всех тяжелых металлов в почве при переходе к пойме рек Монагы, Алаш и Устуу-Ишкин.
Полученные нами результаты о степени подвижности тяжелых металлов в почве не выявляют строгой зависимости между подвижностью элементов, гранулометрическим составом и гумусированностью почвы. Некоторая зависимость выявляется между содержанием основных макроэлементов (К, Р, N и физиологически важных элементов. В одинаковых лесорастительных условиях в кедровниках и лиственничниках различного возраста почва содержит разное количество валовых и потенциально подвижных форм тяжелых металлов и микроэлементов. Совершенно отличные показатели химического состава отмечены в почвах и травянистой растительности (мхи, лишайники) высокогорных ландшафтов Бай-Тайгинского района, где для некоторых элементов РЬ, Cd, Ва, Sr) отмечены аномально высокие показатели (397,1; 197,7; 0,9; 185,7; 39,6). Такие образцы не включены в общий статистический анализ.
Фоновое содержание меди в органогенных горизонтах почв, сформированных на суглинках, колеблется в среднем от 36,5 до 49,5 мг/кг почвы, на аллювиальных отложениях -33,3±12,5 и 35,2±5,8 на более гумидных луговых и сухих степных почвах соответственно. На элювиальных и трансэлювиальных почвах показатели меди варьируют от 39,1±7,1 до 28,2±2,4.
Средние фоновые содержания цинка в верхнем горизонте различных почв котловины варьируют в диапазоне значений от 97,4±20,4 до 33,4±5мг/кг. Степень обогащения цинком суглинистых почв составляет 81,8±8,5, что превышает кларк элемента. Массовая доля цинка в аккумулятивных зонах составляет 39,9±6 - 39,5±5,3мг/кг.
Распределение никеля в пространстве более-менее однородно и характеризуется в целом почти равным содержанием элемента в верхних горизонтах почв по сравнению с их кларком (40 мг/кг). Пределы колебаний фоновых содержаний цинка в котловине составляют максимум 45,2±6,3 и минимум 24,5±5,6 мг/кг почвы. Содержание свинца в горизонте А0 - А, изучаемых почв колеблется в пределах 12,2±2,4 и 38,1±2,8мг/кг. Максимальные массовые доли превышают минимальные в 3,2 раза, а кларк элемента почти в 4 раза. Увеличение содержания РЬ возможно обусловлено техногенной нагрузкой. Известно, что значительная часть свинца, сосредоточенного в верхних слоях почвы, поступает из почвообразующей породы вместе с опадом, обнаружить техногенныйпривнос этого элемента на естественном биогео-
химическом фоне достаточно сложно. Доказано, что в почве РЬ сильно инактивируется и теряет токсичность [14]. Прочная связь РЬ с органическим веществом объясняется связью его с гума-тами. В отличие от ряда других тяжелых металлов, которые в почвах больше ассоциируются с подвижными фульвокислотами, свинец преимущественно закрепляется более стабильными гу-матами. Это было документально подтверждено методом син-хротронного рентгеновского анализа [15; 16].
Сродство со структурой гуминовых кислот отличает свинец от других тяжелых металлов. По данным Г.М. Варшал и др. [17] гуминовая кислота в разы больше сорбирует РЬ, чем другие металлы. Кроме того, в почвах свинец приоритетно сорбируется и алюмосиликатными гелями: поглощается ими в гораздо большей массе, чем Си, Zn, Cd, Со, № [18].
Не оказывает РЬ и слишком сильного влияния и на биоту чернозема, оно слабее действия селена, хрома, ртути, кадмия, мышьяка, кобальта, сурьмы, меди [19].
Фоновые содержания кадмия в большинстве типов почв котловины почти равны его кларку. Максимальный показатель (1,3±0,6 мг/кг) наблюдается в горно-луговых каштановых почвах, но не превышает ориентировочные допустимые концентрации в этих типах почв (2 мг/кг), которые по показателю рН близки к нейтральным.
В исследуемых почвах средние максимальные содержания марганца в органогенных горизонтах достигает 1632,3±145,8 мг/кг почвы, а наименьшие показатели содержания равно 628,9±141,6мг/кг. Накопление марганца в верхних горизонтах почв в основном обуславливается высоким содержанием его в опаде, так как источником поступления элемента в гумусовые горизонты являются подстилки. Массовая доля марганца выше в почвах аккумулятивных ландшафтов котловины, чем в элювиальных.
Содержание элементов в почве (РЬ, Си и Мо) обнаруживает некоторую зависимость от типа ландшафта, связанная с уменьшением их содержания от элювиального к аккумулятивному. Это может быть результатом отмеченной ранее характерной для свинца способности к комплексообразованию с органическим веществом почв, накапливающимся в понижениях местности, и снижения биодоступности.
Независимо от ландшафта отмечается высокие показатели содержания подвижных форм химических элементов на норах массовых видов мелких млекопитающих. Эта закономерность отмечена нами и для почв Убсу-Нурской котловины [20].
Для всех типов геохимических ландшафтов и почв отмечается критически низкое содержание иода.
Таблица 3
ХЭ* n Среднее содержание химических элементов в различных растительных сообществах, мг/кг
1 2 3 4 5 6 7 8
K 32 1,85±0,96 1,8±0,86 6,35±3,0 1,36±0,65 0,96±0,54 0,43±0,14 0,39±0,87 2,6±1,02
Na 32 0,35±0,2 0,22±0,12 0,7±0,4 0,03±0,008 0,24±0,17 0,03±0,02 169,5±29,4 241,2±33,5
Ca 32 1,11±0,36 0,57±0,53 0,71±0,27 0,518±0,1 0,71±0,33 0,48±0,11 0,75±0,43 1,7±1,04
P 32 0,8±0,08 0,12±0,03 0,3±0,12 0,06±0,03 0,14±0,06 0,25±0,16 0,85±0,23 0,2±0,10
B 33 22,35±1,6 18,5±1,15 21,6±3,1 19,2±1,6 18,5±2,9 22,1±4,2 22,5±4,19 22,4±1,5
Cu 33 4,6±1,08 7,01±2,5 7,2±0,3 4,8±2,3 4,7±1,3 8,08±3,5 12,8±3,2 13,3±2,5
Mn 31 20,9±8,3 13,3±1,9 11,4±1,04 14,08±1,3 16,3±8,8 12,9±1,03 11,7±6,69 18,2±8,8
Co 31 0,2±0,08 0,2±0,06 0,1±0,03 0,13±0,04 0,15±0,03 1,17±0,05 0,88±0,98 1,98±1,03
Zn 32 9,9±2,6 15,4±10,8 15,5±10,5 18,9±2,9 17,9±5,2 14,3±1,6 19,1±6,1 20,4±4,9
Pb 33 0,65±0,20 0,54±0,2 0,72±0,5 0,57±0,4 0,4±0,12 0,84±0,16 2,1±0,88 3,9±2,37
Cd 33 0,36±0,08 0,19±0,07 0,17±0,13 0,21±0,07 0,25±0,12 0,27±0,11 0,054± 0,09 0,14±0,10
Ni 31 8,06±2,4 5,08±2,8 8,4±5,4 10,5±1,9 4,2±2,8 7,3±2,5 3,9±2,06 5,0±3,23
Fe 33 2325,2±454,4 1410,7±6,7 1545,2±119,4 2246,5±190,1 1574,4±290,5 1630,8±219,8 1783,7±07,6 1930,04±362,7
Cr 33 3,3±0,8 1,8±1,6 3,96±2,23 2,05±0,5 1,50±0,67 1,12±0,44 3,01±0,83 2,3±2,39
AI 33 0,07±0,03 0,02±0,01 0,04±0,02 0,034±0,005 0,03±0,01 0,03±0,006 0,029±0,016 0,04±0,02
Mg 32 0,51±0,2 0,34±0,18 0,30±0,08 0,10±0,04 0,36±0,12 0,30±0,10 157,4±87,4 260,9±110,2
Среднее содержание химических элементов в растительных сообществах Хемчикской котловины
Таблица 4
Среднее содержание химических элементов в природных поверхностных водах Хемчикской котловины
Химические элементы Среднее содержание химических элементов в природных поверхностных водах, мг/литр
оз. Кара-Холь оз. Сут-Холь р. Хемчик р. Чадан
Алюминий 0,121±0,01 0,086±0,07 0,110±0,102 0,064±0,04
Барий 0,004±0,002 0,016±0,010 0,041±0,019 0,018±0,01
Железо 0,1295±0,32 0,1849±0,150 0,2218±0,177 0,082±0,067
Калий 0,0679±0,86 0,7414±0,228 0,9437±0,164 1,331±0,717
Кальций 17,68±11,93 17,86±8,543 15,775±5,36 25,91±14,496
Магний 2,881±0,953 3,621±2,013 4,725±1,022 9,178±6,315
Марганец 0,006±0,004 0,0089±0,004 0,0095±0,005 0,0009±0,0001
Натрий 10,168±7,33 7,757±4,994 10,25±2,687 11,25±6,761
Стронций 0,093±0,0646 0,0934±0,0509 0,1146±0,028 0,758±0,5643
Хром 0,0015±0,0011 0,0018±0,0014 0,0026±0,0012 0,0012±0,0007
Растительность является начальным звеном в процессах круговорота веществ и энергии в биосфере, их мощным аккумулятором и трансформатором. В высокогорных растительных сообществах для большинства химических элементов отмечается высокое их содержание (таблица 3). Для аккумулятивных ландшафтов (равнинные степи на каштановых почвах) характерно высокое содержание большинства основных макроэлементов (К, Р, Са). Для лесных растительных сообществ не выявлена взаимозависимость между концентрацией микроэлементов (тяжелых металлов) в почве (валовые и подвижные формы), с одной стороны, и концентрацией данных элементов в надземной части травянистой растительности - с другой стороны. Исключением может быть содержание магния (157 -260 мг/кг), который выходит из данного ряда. В надземной фитомассе растительных сообществ среднегорья, а также в пойме рек выявлена превышающая фон концентрация свинца (смешанные леса с разнотравно-злаковой растительностью).
Минерализация и ионный состав исследуемых водных объектов - озер Кара-Холь и Сут-Холь, рек Алаш, Хемчик, Устуу-Иш-кин и Чадан, формирование их химического состава происходит
Библиографический список
в одинаковых условиях, что создает узкий диапазон показателей солевого и биогенного режимов.
Вода всех водных объектов в период летней межени является ультрапресной, маломинерализованной, гидрокарбонатного класса, натриевой группы за все годы наблюдений [таблица 4]. Вода исследуемых рек и озер по величине общей жесткости относится к «мягким водам». Наименьшая жесткость отмечается в р. Хемчик. Для вод характерно явно выраженное преобладание кальция над магнием.
Содержание тяжелых металлов в поверхностных водах в значительной степени зависит от рН воды, окислительно-восстановительного потенциала, жесткости воды, развития фитопланктона и других факторов.
Содержание микроэлементов в поверхностных водах постоянно изменяется под влиянием многих факторов. Наблюдения, проведенные в 2009-2014 годах, выявили общую закономерность для всех водоемов котловины: повышенное содержание магния, натрия, кальция. Большинство микроэлементов из класса тяжелых металлов, а также биогенные элементы присутствуют во всех исследованных поверхностных водах в следовых количествах.
1. Пузанов, А.В. Биогеохимическое районирование и ландшафтно-геохимическая структура тувинской горной области // Ползуновский вестник. - 2005. - № 4.
2. Маслов. В.П. Происхождение и возраст хр. Танну-Ола в Убсанурской котловине (Южная Тува) // Землеведение. - 1948. - Т. 2. - Вып. 42.
3. Тимофеев, П.П. Юрская угленосная формация Тувинского межгорного прогиба // Труды Геол. Ин-та АН СССР - М., 1964. - Вып. 94.
4. Архипов, С.А. Термолюминесцентный возраст западносибирских оледенений / С.А. Архипов, В.Н. Шелкопляс // Проблемы стратиграфии и палеогеографии плейстоцена Сибири. - Новосибирск, 1982.
5. Шувалов, В.Ф. Палеогеография и история развития озерных систем Монголии в юрское и меловое время // Мезозойские озерные системы Монголии: палеогеография, литология, палеобиогеохимия, палеонтология. - Л., 1982.
6. Чернов, Ю.И. Среда и сообщества тундровой зоны // Сообщества Крайнего Севера и человек. - М., 1985.
7. Юрлова, С.В. Некоторые особенности почвообразования в Тувинских котловинах // Почвоведение. - 1959. - № 7.
8. Носин, В.А. Почвы Тувы. - М., 1963.
9. Шауло, Д.Н. Флора островных степей Западного Саяна // Степная растительность Сибири и некоторые черты её экологии. - Новосибирск, 1982.
10. Намзалов, Б.Б. Степи Южной Сибири. - Новосибирск; Улан-Удэ, 1994.
11. Юрцев, Б.А. Основные направления современной науки о растительном покрове // Ботан. журн. - 1988. - № 10. - Т. 73.
12. Намзалов, Б.Б. О некоторых особенностях распределения растительности в Хемчикской котловине в Туве // Растительные ресурсы Сибири и их использование. - Новосибирск, 1978.
13. Ревушкин, А.С. Материалы к флористическому районированию Алтае-Саянской провинции // Некоторые итоги изучения флоры и растительности Сибири. - Томск, 1987.
14. Елькина, Г.Я. Подходы к нормированию содержания тяжелых металлов в подзолистых почвах // Современные проблемы загрязнения почв: материалы II Межд. конф. - М., 2007. - Т. 2.
15. Мапсеаи, A., Boisset M.C., Sarret G., Hazemann J.L., Mench M.,Cambier P., Prost R. Direct determination of lead speciation in contaminatedsoils by EXAFS spectroscopy // Environ. Sci. Technol.1996. V. 30.
16. Mаnceau, A., Marcus M.A., Tamura N.Quantative speciation ofheavy metals in soils and sediments by synchrotron X-ray techniques // Applications of Synchrotron Radiation in Low-Temperature Geochemistryand Enviromental Science. Reviews in Mineralogy andGeochemistry. Washington, DC. 2002. V. 49.
17. Варшал, Г.М. Гуминовые кислоты как природный комплекснообразующий сорбент, концентрирующий тяжелые металлы в объектах окружающей среды / Г.М. Варшал, Т.К. Велюханова, Д.Н. Чхетия [и др.] // Геохимические барьеры в зоне гипрегенеза: материалы Межд. симпозиума. - М., 1999.
18. Савенко, В.С. Экспериментальные методы изучения низкотемпературных геохимических процессов / В.С. Савенко, А.В. Савенко. -М., 2009.
19. Колесников, С.И. Ранжирование химических элементов по степени их экологической опасности // Современные проблемы загрязнения почв: материалы III Межд. конф. - М., 2010.
20. Ондар, С.О. Механизмы функционирования ультраконтинентальной степной экосистемы: устойчивость и динамические процессы: автореф. дис. ... д-ра биол. наук. - М., 2001.
Bibliography
1. Puzanov, A.V. Biogeokhimicheskoe rayjonirovanie i landshaftno-geokhimicheskaya struktura tuvinskoyj gornoyj oblasti // Polzunovskiyj vestnik. - 2005. - № 4.
2. Maslov. V.P. Proiskhozhdenie i vozrast khr. Tannu-Ola v Ubsanurskoyj kotlovine (Yuzhnaya Tuva) // Zemlevedenie. - 1948. - T. 2. - Vihp. 42.
3. Timofeev, P.P. Yurskaya uglenosnaya formaciya Tuvinskogo mezhgornogo progiba // Trudih Geol. In-ta AN SSSR. - M., 1964. - Vihp. 94.
4. Arkhipov, S.A. Termolyuminescentnihyj vozrast zapadnosibirskikh oledeneniyj / S.A. Arkhipov, V.N. Shelkoplyas // Problemih stratigrafii i paleogeografii pleyjstocena Sibiri. - Novosibirsk, 1982.
5. Shuvalov, V.F. Paleogeografiya i istoriya razvitiya ozernihkh sistem Mongolii v yurskoe i melovoe vremya // Mezozoyjskie ozernihe sistemih Mongolii: paleogeografiya, litologiya, paleobiogeokhimiya, paleontologiya. - L., 1982.
6. Chernov, Yu.I. Sreda i soobthestva tundrovoyj zonih // Soobthestva Krayjnego Severa i chelovek. - M., 1985.
7. Yurlova, S.V. Nekotorihe osobennosti pochvoobrazovaniya v Tuvinskikh kotlovinakh // Pochvovedenie. - 1959. - № 7.
8. Nosin, V.A. Pochvih Tuvih. - M., 1963.
9. Shaulo, D.N. Flora ostrovnihkh stepeyj Zapadnogo Sayana // Stepnaya rastiteljnostj Sibiri i nekotorihe chertih eyo ehkologii. - Novosibirsk, 1982.
10. Namzalov, B.B. Stepi Yuzhnoyj Sibiri. - Novosibirsk; Ulan-Udeh, 1994.
11. Yurcev, B.A. Osnovnihe napravleniya sovremennoyj nauki o rastiteljnom pokrove // Botan. zhurn. - 1988. - № 10. - T. 73.
12. Namzalov, B.B. O nekotorihkh osobennostyakh raspredeleniya rastiteljnosti v Khemchikskoyj kotlovine v Tuve // Rastiteljnihe resursih Sibiri i ikh ispoljzovanie. - Novosibirsk, 1978.
13. Revushkin, A.S. Materialih k floristicheskomu rayjonirovaniyu Altae-Sayanskoyj provincii // Nekotorihe itogi izucheniya florih i rastiteljnosti Sibiri. - Tomsk, 1987.
14. Eljkina, G.Ya. Podkhodih k normirovaniyu soderzhaniya tyazhelihkh metallov v podzolistihkh pochvakh // Sovremennihe problemih zagryazneniya pochv: materialih II Mezhd. konf. - M., 2007. - T. 2.
15. Manceau, A., Boisset M.C., Sarret G., Hazemann J.L., Mench M.,Cambier P., Prost R. Direct determination of lead speciation in contaminatedsoils by EXAFS spectroscopy // Environ. Sci. Technol.1996. V. 30.
16. Manceau, A., Marcus M.A., Tamura N.Quantative speciation ofheavy metals in soils and sediments by synchrotron X-ray techniques // Applications of Synchrotron Radiation in Low-Temperature Geochemistryand Enviromental Science. Reviews in Mineralogy andGeochemistry. Washington, DC. 2002. V. 49.
17. Varshal, G.M. Guminovihe kislotih kak prirodnihyj kompleksnoobrazuyuthiyj sorbent, koncentriruyuthiyj tyazhelihe metallih v objhektakh okruzhayutheyj sredih / G.M. Varshal, T.K. Velyukhanova, D.N. Chkhetiya [i dr.] // Geokhimicheskie barjerih v zone gipregeneza: materialih Mezhd. simpoziuma. - M., 1999.
18. Savenko, V.S. Ehksperimentaljnihe metodih izucheniya nizkotemperaturnihkh geokhimicheskikh processov / V.S. Savenko, A.V. Savenko. -M., 2009.
19. Kolesnikov, S.I. Ranzhirovanie khimicheskikh ehlementov po stepeni ikh ehkologicheskoyj opasnosti // Sovremennihe problemih zagryazneniya pochv: materialih III Mezhd. konf. - M., 2010.
20. Ondar, S.O. Mekhanizmih funkcionirovaniya uljtrakontinentaljnoyj stepnoyj ehkosistemih: ustoyjchivostj i dinamicheskie processih: avtoref. dis. ... d-ra biol. nauk. - M., 2001.
Статья поступила в редакцию 24.10.14
УДК 581: 633.2.032.3 (235.223)
Sambyla Ch.N. PROJECTIVE PLANT COVER EFFECT AND GRASS LENGTH EFFECT ON PHYTOMASS RESERVES OF MEADOW COMMUNITIES OF THE WESTERN SAYAN SUBALPINE BELT. Landscape-forming communities are bortsovy and levzeevy tall grass, gortsovy and trolliusovy subalpine meadows in the subalpine zone of the Western Sayan. Grass length reaches 150-200 sm in the subalpine tall grass, 60-100 sm are in the subalpine meadows and 20-50 sm are in the alpine meadows. The reserves value of the phytomass of meadow and tallgrass communities varies from 126,8 to 640,0 g/m2. Top mortmass is 17,4 - 277,8 g/m2. Mortmass percentage share reaches 41.2% in shultsievy, levzeevy and trolliusovy communities but it does not exceed 16,0 % in gortsovy, sibbaldievyh and trolliuovy meadows. Phytomass reserves do not depend on the projective plant cover, but they are directly dependent on the grass length where the correlation coefficient is 0,76 in the investigated associations of subalpine belt of the Western Sayan Range.
Keywords: projective plant cover, grass length, phytomass, meadows, subalpine belt, Western Sayan.
Ч.Н. Самбыла, канд. биол. наук, доц. Тувинского гос. университета, г. Кызыл, E-mail: Choigansam@mail.ru
ВЛИЯНИЕ ПРОЕКТИВНОГО ПОКРЫТИЯ И ВЫСОТЫ ТРАВОСТОЯ НА ФИТОМАССУ ЛУГОВЫХ СООБЩЕСТВ СУБАЛЬПИЙСКОГО ПОЯСА ЗАПАДНОГО САЯНА
В субальпийском поясе Западного Саяна ландшафтообразующими сообществами являются борцовые и ле-взеевые высокотравья, торцовые и троллиусовые субальпийские луга. В субальпийском высокотравье высота травостоя составляет 150-200 см, в субальпийских и альпийских лугах - 60-100 и 20-50 см соответственно. Величина запаса фитомассы луговых и высокотравных сообществ варьируют от 126,8 до 640,0 г/м2, надземная мортмасса - 17,4 - 277,8 г/м2. В горцовых, сиббальдиевых и аконитовых лугах доля участия мортмассы достигает 41,2%, в шульциевых, левзеевых и троллиусовых сообществах она не превышает 16,0%. В исследованных ассоциациях субальпийского пояса хребта Западного Саяна запасы фитомассы не зависят от проективного покрытия, а прямо зависят от высоты травостоя, где коэффициент корреляции составил 0,76.
Ключевые слова: проективное покрытие, высота травостоя, фитомасса, луга субальпийский пояс, Западный Саян.
Пространственная гетерогенность среды может являться важным фактором сосуществования видов и поддержания биологического разнообразия [1; 2]. С целью максимального использования среды фитоценозы варьируют проективным покрытием, вертикальной структурой, соответственно и продуктивностью. В ряде работ исследователями отмечается тесная связь продукционных и фитоценотических показателей зональных фитоцено-
зов [3; 4]. В высокогорных сообществах выявлена положительная высоко достоверная корреляция между запасами фитомассы и степенью проективного покрытия [5] продуктивностью и вертикальной структурой [6]. Часто в лугах ярусность проявляется не везде и в качестве инварианты предлагается целесообразно рассматривать, согласно В.П. Седельниковым (1988), не вертикальную структуру, а вертикальную мощность фитосреды [6,
