ЭКОЛОГИЯ, 2007, № 4, с. 259-267
УДК 574.4+504.054
ХИМИЧЕСКОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ СРЕДЫ: ВЫНОС ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ НАДЗЕМНОЙ ФИТОМАССОЙ ТРАВЯНИСТОЙ
РАСТИТЕЛЬНОСТИ
© 2007 г. В. С. Безель, Т. В. Жуйкова
Институт экологии растений и животных УрО РАН 620144 Екатеринбург, ул. 8 Марта, 202 E-mail: bezel@ipae.uran.ru Поступила в редакцию 26.08.2005 г.
В градиенте загрязнения среды тяжелыми металлами показаны смена видового состава, снижение видового разнообразия и общей биомассы растений. Данные о содержании химических элементов (Zn, Cu, Cd, Pb, Co, Ni, Mn, Cr, Fe) в надземных частях травянистой растительности и биомассе каждого вида позволяют оценить роль высших продуцентов при включении химических элементов в биогенные циклы на фоновых участках и в условиях химического загрязнения. Основную роль в накоплении химических элементов играют сложноцветные. Полученные результаты свидетельствует о наличии в природных экосистемах механизмов, ограничивающих избыточное включение химических элементов в надземную биомассу растений.
Ключевые слова: химические элементы, химическое загрязнение среды, фитоценоз, биогеохимические циклы химических элементов.
Согласно современным представлениям, био-та формирует и контролирует в биосфере потоки вещества и энергии, обеспечивая постоянство параметров окружающей среды (Вернадский, 1967). Организмы различных трофических уровней активно участвуют в стабилизации экосистем, выступая как в роли геохимических барьеров, так и в качестве природных депо химических элементов. При изучении химического загрязнения окружающей среды до последнего времени обращали внимание главным образом на процессы накопления токсикантов различными звеньями природных систем. Как правило, данные по уровням химических веществ в отдельных компонентах биоты рассматривают в качестве основных биоиндикационных показателей ее состояния. Вместе с тем проблемы экологической токсикологии не ограничиваются изучением реакции систем организменного и популяционного уровней. В условиях токсического воздействия речь идет о важнейшей функции биогеоценоза - сохранении стабильности условий окружающей среды за счет поддержания неизменными биогенных потоков химических элементов. Важнейшая ценотическая роль растительных сообществ заключается в необходимости обеспечения начального этапа биогенного обмена микро- и макроэлементов, в результате чего возможно функционирование последующих трофических уровней. С этих позиций значение растений особенно важно в условиях химического загрязнения среды, когда в биологиче-
ский круговорот включаются избыточные количества токсикантов.
Роль растений в формировании биогенных циклов химических элементов определяется рядом факторов: концентрациями элементов в надземных и корневых органах, их биомассой и скоростью процессов ее минерализации. Особенности накопления разными растениями химических элементов в условиях природного или антропогенного загрязнения окружающей среды достаточно широко изучены (Алексеев, 1987; Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989; Горюнова, 2001; Федорова, Одинцева, 2005; и др.). Обсуждается также реакция растительных организмов на повышенные уровни токсикантов (Воробейчик и др., 1994; Черненькова, 1995; Копцик и др., 2004). Вместе с тем отмеченная в публикациях специфика накопления растениями химических элементов и вызванная этим трансформация растительных сообществ имеет следствием эффекты биоценотиче-ского ранга. Речь идет о возможном изменении состава и интенсивности биогенного обмена химических элементов, контролируемых организмами следующих трофических уровней. С этих позиций участие растений в формировании биогенных циклов зависит не только от уровня химического загрязнения среды (прежде всего почвы) и особенностей накопления химических элементов различными видами, но и от состава сообщества, обилия и массы его компонентов.
259
2*
Настоящая работа посвящена изучению закономерностей трансформации травянистой растительности на фоновых и химически загрязненных территориях и оценке влияния этих процессов на вынос химических элементов в надземную фито-массу.
РАЙОН И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
Работы проведены в 2001-2005 гг. на территории одного из промышленных районов Свердловской области (г. Нижний Тагил). Почвенно-рас-тительный покров территории сформировался в условиях южно-таежной зоны. Здесь распространены дерново-подзолистые почвы, обедненные органическими и минеральными веществами. Выбор этого района обусловлен тем, что на относительно небольшой площади сконцентрировано большое количество промышленных предприятий различного профиля. Основные загрязняющие вещества - оксиды азота и углерода, сероводород, фенол, формальдегид, ароматические углеводороды, тяжелые металлы.
Оценка степени синантропизации и трансформации растительного покрова проведена на девяти участках (Жуйкова, Мордвина, 2003). Геоботанические описания растительных сообществ и отбор образцов для биогеохимических исследований проводили по стандартным методикам (Махнев и др., 1990; Миркин и др., 2000) на пробных площадках размером 10 х 10 м в конце июля, когда заканчивается первичный (в высоту) и вторичный (по диаметру) прирост большинства растений. Подбирали типичные для данных районов участки с характерным набором видов. Описание выполняли в границах однородного сообщества. Номенклатура растений приведена по С.К. Черепанову (1995).
В 2002 г. для химического анализа растений на содержание микроэлементов и установления связи между содержанием металлов в почве, подземных и надземных органах были отобраны образцы корней и побегов видов, характерных для исследуемых фитоценозов, а также образцы почвы в непосредственной близости от соответствующих растений.
Для оценки участия растений в выносе химических элементов в 2003-2004 гг. на каждом исследуемом участке в пределах пробных площадей методом укосов определяли надземную фитомас-су. Растения срезали на уровне почвы с учетной площадки 0.25 м2 в пяти повторностях и разбирали по видам. На том же месте методом конверта были отобраны образцы почвы.
Обработку почвенных и растительных образцов проводили в соответствии с требованиями методик ("Методические рекомендации...", 1981). Содержание Zn, Си, Мп, Бе, №, Cd, Сг, Со, РЬ измеряли методом атомной абсорбции на спектрофо-
тометре фирмы Perkin Elmer. Биомасса была определена у 210 растений, выполнено 1130 элемент-анализов почвы, 2575 - надземной и 1485 -подземной частей.
Анализ сходства видового состава фитоценозов проведен с использованием коэффициента Чекановского-Съеренсена, сравнение содержания металлов в надземной биомассе растений -кластерным анализом (пакет Statistica-6).
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Уровни химических элементов в почвах. Концентрации металлов в почвах на различных участках образуют следующий градиент химического загрязнения: Zn 17.5-390.96, Cu 12.56951.49, Cd 0.15-1.54, Pb 8.10-115.3, Co 6.50-124.23, Ni 12.95-17.97, Mn 291.6-2364.9, Cr 13.06-20.03, Fe 788.9-1274.37 мкг/г. Таким образом, содержание меди в отдельных вариантах различается в 80 раз, цинка и кобальта - в 20, свинца, кадмия и марганца - в 10-14. Концентрации некоторых элементов, прежде всего железа, хрома и никеля, на всех площадках не выходят за пределы кларковых содержаний, и поэтому их не учитывали при формировании интересующего нас градиента загрязнения.
Оценку уровня токсической нагрузки по совокупности химических элементов в почвах оценивали как
n
К = 1/n ^ С/Сфо^
i
где Ci и Сфон - концентрации химического элемента в почвах на исследуемом и фоновом участках соответственно; n - количество включенных в анализ элементов. Суммирование ведется по всем металлам, формирующим градиент загрязнения. В нашем случае токсическая нагрузка на выбранных участках возрастала от 1 до 22 отн. ед. (см. таблицу). В соответствии с уровнем токсической нагрузки участки были отнесены к трем зонам: фоновой (1 отн. ед.), буферной (2.54-8.38 отн. ед.), импактной (22.78 отн. ед.).
Характеристика растительности. Таксономический состав исследуемых фитоценозов был описан ранее (Жуйкова, Мордвина, 2003). В составе флоры выделено 24 семейства, включающие 76 родов и 91 вид. Основу флоры составляют 10 семейств, на долю которых приходится 80.3% всех видов: Aster-aceae, Poaceae, Fabaceae, Rosaceae, Lamiaceae, Scro-phulariaceae, Brassicaceae, Caryophyllaceae, Apiaceae, Rubiaceae. Число семейств в градиенте токсической нагрузки остается практически неизменным.
Фитоценоз фоновой зоны характеризуется высоким видовым богатством. С увеличением загрязнения уменьшается число родов (с 41 до 28) и видов (с 49 до 32). Наибольшее снижение количе-
ХИМИЧЕСКОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ СРЕДЫ Средние концентрации химических элементов в надземных органах (М ± т)
Токсическая
Участок нагрузка,
отн. ед.
Фон № 1 1
Буфер № 2 2.54
Буфер № 3 3.33
Буфер № 4 4.33
Буфер № 5 4.92
Буфер № 6 5.72
Буфер № 7 6.19
Буфер № 8 8.36
Импакт № 9 22.78
Токсическая
Участок нагрузка,
отн. ед.
Фон № 1 1
Буфер № 2 2.54
Буфер № 3 3.33
Буфер № 4 4.33
Буфер № 5 4.92
Буфер № 6 5.72
Буфер № 7 6.19
Буфер № 8 8.36
Импакт № 9 22.78
Содержание, мкг/г
Zn Си Cd РЬ Со
37.13 ± 19.36 6.18 ± 2.33 0.33 ± 0.30 6.67 ± 5.10 4.86 ± 7.60
38.51 ± 15.73 594 ± 2.51 0.33 ± 0.30 4.59 ± 2.78 1.36 ± 0.78
71.77 ± 40.19 9.72 ± 7.49 0.56 ± 0.61 13.97 ± 8.55 18.43 ± 20.68
104.59 ± 56.6 16.75 ± 10.45 0.50 ± 0.45 12.86 ± 10.49 29.24 ± 36.83
55.84 ± 7.44 7.57 ± 2.47 0.29 ± 0.22 1.72 ± 1.24 0.54 ± 0.58
92.08 ± 92.50 15.47 ± 18.87 1.10 ± 1.43 1.75 ± 12.56 34.09 ± 31.28
89.71 ± 72.50 9.68 ± 6.39 0.71 ± 0.67 14.66 ± 10.06 94.51 ± 139.36
64.59 ± 30.65 6.17 ± 2.83 0.57 ± 0.28 6.63 ± 2.71 1.12 ± 0.86
103.34 ± 81.82 42.89 ± 52.50 2.01 ± 2.35 14.21 ± 14.58 125.37 ± 219.17
Содержание, мкг/г
N1 Мп Сг Fe
6.05 ± 4.54 54.31 ± 37.39 3.98 ± 2.51 401.84 ± 343.27
3.58 ± 2.84 35.34 ± 17.03 3.03 ± 1.52 599.00 ± 171.54
3.83 ± 1.66 62.27 ± 33.50 4.81 ± 2.18 1007.47 ± 406.10
7.28 ± 8.60 66.72 ± 51.85 6.36 ± 4.12 634.02 ± 288.46
9.72 ± 6.70 57.50 ± 32.20 6.44 ± 2.51 158.89 ± 83.06
4.66 ± 4.63 54.20 ± 21.05 6.18 ± 6.82 599.52 ± 188.60
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.