ЭКОЛОГИЯ, 2004, № 5, с. 336-342
УДК 581.552:574
АККУМУЛЯЦИЯ ЭЛЕМЕНТОВ-БИОФИЛОВ В ХВОЕ ВИДОВ PICEA ПРИРОДНЫХ И УРБАНИЗИРОВАННЫХ ЭКОСИСТЕМ СИБИРИ И СРЕДНЕЙ АЗИИ И ОЦЕНКА СОСТОЯНИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
© 2004 г. В. Н. Второва
Институт проблем экологии и эволюции им. АН. Северцова РАН 119071 Москва, Ленинский проспект, 33 Поступила в редакцию 15.07.2003 г.
Представлены результаты анализа изменчивости содержания N, P, K, Ca, Mg, Na, Cu, Zn, Mn, Fe в хвое 19 видов ели, произрастающих в природных и урбанизированных экосистемах Сибири и Средней Азии. Показано, что сходство значений содержания элементов-биофилов в однолетней хвое разных видов обусловлено биохимическими процессами и подтверждает их статус как пассивных биоиндикаторов состояния окружающей среды. Содержание микроэлементов в составе многолетней хвои, за исключением форм с цветовыми вариациями хлорофилла, можно рекомендовать в качестве объектов исследования для оценки состояния окружающей среды.
Ключевые слова: виды Picea, антропогенное воздействие, элементы-биофилы, индикаторы состояния окружающей среды.
Важнейшая проблема экологии - познание законов естественного функционирования биологических систем и путей их преобразования под влиянием различных форм хозяйственной и геохимической деятельности человека. Способность организмов на адекватную реакцию при колебаниях природных и антропогенных факторов выражается в изменении параметров их биогеохимического состава, что обеспечивает сохранение особей и максимальное приспособление к условиям среды (Ковальский, 1974). Изучение факторов, влияющих на концентрации химических элементов, поглощаемых из окружающей среды и накапливающихся в растениях, их качественные и количественные характеристики, в последние годы активно исследуются экологами. Для растительных организмов в биогеоценотических процессах на основных этапах жизненного цикла функционально важны элементы-биофилы, которые практически не исследовались для решения задач мониторинга, так как предпочтение отдавалось изучению тяжелых металлов и редкоземельных элементов (Маркерт, Второва,1995).
Цель настоящей работы - определить масштабы изменчивости содержания элементов-биофилов в хвое разных видов Picea, произрастающих в природных экосистемах и условиях урбанизированной среды, а также оценить степень влияния на эти показатели антропогенного пресса.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДИКА
Исследовали фотосинтезирующие органы
19 видов рода Picea. Виды c ареалом на Японских островах, Курилах, в Корее и Приморском крае составили 32% (от общего количества обследованных видов), в Северной Америке и Канаде -26%, Китае - 21%, Европе - 11%, Сибири - 10%. Названия видов даны согласно систематике рода Picea (Бобров, 1971). Экосистемы с фоновым уровнем загрязнения окружающей среды представлены ельниками и культурами ели в урочищах Чон-Кызыл-Су и Джеланды (Северный Тянь-Шань) и ельниками Саян (стационар РАН в 40 км от Красноярска). Экосистемы, развивающиеся в условиях загрязнения, представлены дре-востоями старинных ботанических садов и денд-ропарков крупных городов Сибири (Красноярск, Омск, Новосибирск, Барнаул) и Средней Азии (Алматы, Бишкек).
В работе соблюдали требования отработанной ранее методики сбора, хранения, пробоподготов-ки и химического анализа растений (Второва, Маркерт, 1995). Однолетнюю и многолетнюю хвою в ботанических садах собирали с каждого экземпляра вида ели, в природных условиях - с
20 деревьев определенного вида (на высоте 1.3 м по периметру кроны) в период развития максимальной фитомассы (июль - август). Количество образцов, включая видовые формы, составило 199. Содержание N, P определяли методом "мокрого" озоления, K, Ca, Mg, Na, Cu, Zn, Mn, Fe - методом атомной абсорбции и спектральным анали-
АККУМУЛЯЦИЯ ЭЛЕМЕНТОВ-БИОФИЛОВ В ХВОЕ Таблица 1. Содержание элементов-биофилов в хвое видов Picea
Вид
Зола N P K Ca Mg Na Cu Zn Mn Fe
% мг/кг
P.schrenkiana 8 4.4 1.554 0.191
P.obovata 17 4.3 1.464 0.200
P.abies 8 4.2 1.832 0.228
P.koraiensis 9 4.1 1.498 0.188
P.glauca 6 3.8 1.362 0.187
P.pungens 16 3.3 1.452 0.212
Для 19 видов 100 3.9 1.528 0.204
P.schrenkiana 8 8.1 1.126 0.091
P.obovata 17 8.0 1.178 0.157
P.abies 8 8.4 1.436 0.165
P.koraiensis 9 8.6 1.210 0.128
P.glauca 6 7.1 1.134 0.124
P.pungens 16 6.2 1.154 0.141
Для 19 видов 99 7.6 1.194 0.137
Однолетняя хвоя 0.948 0.802 1.045 0.892 0.712 0.888 0.889
0.359 0.438 0.538 0.478 0.500 0.431 0.447
0.966 0.119 220.3 3.5 30.0 77.4 150.7
0.982 0.144 156.5 4.4 53.1 64.4 181.2
0.638 0.106 476.2 3.9 29.1 64.9 202.5
0.822 0.114 166.0 3.7 34.4 86.0 152.0
0.788 0.112 130.0 4.0 36.0 72.3 156.7
0.543 0.109 158.1 3.9 26.6 69.5 137.5
0.701 0.119 186.7 3.9 35.5 69.5 173.7
тняя хвоя
1.622 0.129 185.1 2.8 35.5 210.2 320.4
1.635 0.145 213.7 3.8 99.2 226.4 525.3
1.571 0.126 188.8 3.4 33.8 139.5 416.2
1.522 0.112 165.0 4.0 58.0 231.7 395.0
1.444 0.120 108.0 3.7 62.0 277.2 384.0
1.115 0.126 175.6 3.5 36.7 129.5 374.4
1.479 0.127 178.6 3.4 53.8 177.7 439.7
n
зом (AES-ICP, MAS). При анализе данных химизма хвои использован пакет программ Statgraphics. Нормальность распределения концентраций в выборках установлена по показателям асимметрии и эксцесса, достоверность различий - по критерию Стьюдента. Оценку приспособленности растительных организмов к условиям окружающей среды проводили методом корреляционной адаптометрии и определяли мерой экологического и видового разнообразия химического состава хвои.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Масштабы аккумуляции элементов-биофилов исследованных возрастных групп хвои видов Picea по экотопам приведены в табл. 1 и 2. В однолетней хвое по сравнению с многолетней достоверно различались концентрации элементов: N (t = 12.4), P (15.3), K (19.8), Са (13.2), Zn (3.6), Mn (4.2), Fe (6.5). Исключение составили Mg, Na и Cu, концентрации которых были стабильны. Эти данные подтвердили общие закономерности временной динамики химизма фотосинтезирующих органов ели у исследованных видов, обусловленные собственным возрастом хвои; они отражают уровень метаболической активности и степень функциональной нагрузки. Только для N,P,K характерен базипетальный градиент распределения концентраций с максимумом в однолетней хвое, что связано с выполнением физиологически важных функций по синтезу органического вещества и их собственным круговоротом в органах расте-
ний: перемещением в тканях по мере возникновения потребности в них, включая повторное использование (реутилизацию). По мере увеличения возраста хвои остальные элементы накапливаются, практически не реутилизируются и имеют акропетальный градиент распределения.
Причинно-следственные связи химизма хвои ели, обусловленные ее собственным возрастом, видовой спецификой и условиями произрастания деревьев, исследовали методом кластерного анализа. Задача заключалась в разделении множества переменных, представленных концентрациями элементов, на классы, каждый из которых объединял бы образцы хвои с высокой степенью сходства химического состава. Результаты анализа отразили сложную систему связей между концентрациями элементов-биофилов в хвое и продемонстрировали широкие отклонения от средних значений общей выборки, что обусловило формирование классов из разных видов Picea, произрастающих в разных экотопах (табл. 3).
Аккумуляция элементов-биофилов в однолетней хвое. Все разнообразие химического состава прироста хвои охватили пять классов (табл. 3). Критерии Стъюдента для большинства элементов соседних классов редко превышали 3, а наибольшее варьирование концентраций наблюдалось у Mn (t = 9.5), Mg и Fe (7.6), P и K (4.5). Диапазон изменчивости элементов (отношение максимальных значений к минимальным) в разных классах составил: для N, P, K - 1.3 раза, Na, Ca, Mg, Cu и Zn - 2 раза, Fe и Mn - 3-4 раза.
Таблица 2. Среднее содержание (в числителе) и диапазон изменчивости (в знаменателе) микроэлементов в хвое ели из разных экотопов, мг/кг
Место сбора Однолетняя хвоя Многолетняя хвоя
образцов Cu Zn Mn Fe Cu Zn Mn Fe
Чон-Кызыл-Су 3 .9 3 0 108 162 2.7 2-6 259 260
3.6-4.8 23-3 5 83 - 140 80 - 390 2. 5 -3.1 19-3 0 199-3 9 9 190-4 6 0
Джеланды 3 .7 3 6 3 4 116 3 .0 5 3 73 264
3.2-4.4 19-63 19-5 6 70 - 160 2. 0 -5.6 22-9 2 20 - 188 210-340
Стационар 4.2 4 0 109 191 2 .7 6-6 160 255
в Саянах 3.2-5.1 29-5 8 38 - 179 60 --220 2. 1 -3.4 28-9 7 59 - 398 150-350
Красноярск 4.2 4 0 75 144 3 .1 76 158 374
3.0-8.5 19-5 6 51 - 118 50 - 340 2. 3 -5.2 36 - 148 51 --280 190-6 3 0
Омск 4 .3 3 7 84 121 4 .1 66 238 473
2. 6 -5.6 15-6 5 29 - 125 70 - 300 2. 8 -7.9 20 - 195 54 --405 240-7 8 0
Новосибирск 5 .1 4 1 112 164 4 .9 44 205 640
3. 6 -7.3 27-7 5 37 --250 100-2 8 0 3. 3 -7.1 25 - 135 69 --434 290-9 6 0
Барнаул 4 .3 3 3 1 5 310 5 .6 3 6 48 780
3. 8 -5.0 22-4 2 12-1 7 200-4 0 0 5. 1 -5.9 30-4 7 18 - 100 670-9 7 0
Алматы 4 .1 2 7 4 1 208 3 .1 3 4 79 402
2. 9 -5.9 19-4 1 26-8 0 90 --430 2. 3 -5.1 11-7 0 21 - 157 240-8 1 0
Бишкек 4 .3 2 6 33 270 4 .8 2 8 39 534
3. 1 -6.7 19-5 8 16 - 125 140-4 6 0 2. 3 -8.1 18-43 20 - 120 280-9 7 0
Литературные данные* До статочная и ли нормаль] тая И збыточная i ли токсичн ая
5-30 3-32 27-150 13-100 20-300 16-398 50-100 28-250 20-100 23-140 100-400 70-300 300-500 400-1700 18-1000 >250
* Первая строка - А.Кабата-Пендиас, Х.Пендиас (1989), вторая - В.В.Ковальский (1974).
Более половины образцов хвои вобрали в себя первый (п = 33) и пятый (п = 29) классы, и концентрации элементов в них оказались наиболее контрастны. Первый класс включил образцы преимущественно из экосистем с фоновым уровнем загрязнения: ельники Саян (64% образцов данного экотопа), урочище Чон-Кызыл-Су (100%), и из ботанических садов Новосибирска (60%), Барнаула (48%) и Алматы (23%). Концентрации элементов в этих образцах имеют минимальные значения для N и средние - для других элементов. В пятом классе объединились образцы однолетней хвои из урбанизированных экосистем Омска и Красноярска (100%), Барнаула (36%), Новосибирска (21%) и Бишкека (18%).
Концентрации N Р, Са и М§ в хвое свидетельствуют о высоком уровне обеспеченности де
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.