ЛЕСОВЕДЕНИЕ, 2013, № 2, с. 71-77
_ ОРИГИНАЛЬНЫЕ _
СТАТЬИ
УДК 630*581.552:574
СОДЕРЖАНИЕ МИКРОЭЛЕМЕНТОВ В ХВОЕ ЕЛИ ОБЫКНОВЕННОЙ В ПОДМОСКОВЬЕ
© 2013 г. В. Н. Второва, Л. Б. Холопова
Институт проблем экологии и эволюции им. А.Н. Северцова РАН Москва 119071, Ленинский просп., 33
E-mail: lsdc@mail.ru Поступила в редакцию 28.08.2011 г.
Представлены результаты анализа изменчивости содержания Be, Bi, Cd, As, Te, Sb, Sc, Cr, Li, Y, Co, Mo, V, Ni и Pb в хвое Picea abies L. в 35-летних культурах ели (Московская обл.). На основе данных многомерного анализа установлены индексы максимальной вариабельности концентраций Ni, Pb и V, что может указывать на их более активное участие в метаболизме молодой хвои. По результатам кластерного анализа выявлен ряд особенностей в структуре элементного состава. В кластеры объединяются элементы, которые обладают катионогенными (Pb, Ni, Li, Co, Sr) или анионогенными (V, Mo, Cr) свойствами. Содержание ряда элементов в одно- и двухлетней хвое сходно, а с возрастом хвои вариабельность их содержания возрастает.
Культуры ели, хвоя ели, изменчивость содержания тяжелых металлов и редкоземельных элементов, метод главных компонент, кластерный анализ.
Микроэлементы (МЭ) содержатся в почвах, породах, природных водах, живых организмах в очень малых количествах (менее п • 10-3% ), но они выполняют важные функции активаторов биохимических процессов накопления, трансформации, переноса органических соединений в экосистеме. Мо, гп, А1, V, Бе, N1, Т1, и, Си, Сг, Мп, Сэ, Бе, БЪ, Со, W рассматриваются как катализаторы биохимических процессов в организмах. МЭ часто не входят в число необходимых для растений элементов, однако они могут интенсивно поглощаться их корнями и листьями. Информация о поглощении МЭ растениями разных видов на фоновых территориях лесных экосистем крайне скудна и часто носит ориентировочный качественный характер.
По характеру функций, которые выполняют те или иные элементы в процессах метаболизма растений, исследованные нами элементы Ве, В1, Са, Аэ, Те, БЪ, Бс, Сг, Ы, У, Со, Мо, V, N1, РЪ можно отнести к категории жизненно необходимых для роста и развития растений (Мо и Сг) и условно необходимых (V, N1, РЪ, Ы). От 30 до 50% поступающих в атмосферу Са, Си, Мп, РЪ, гп, Аэ, БЪ и более 50% Бе и Мо связывают с деятельностью биологических процессов организмов [13].
Достоверно установлена потребность растений отдельных семейств, родов и видов в определен-
ных химических элементах: Be - Vaccinium myr-tillus, Bi - Lycopodiales, As - микроорганизмы и грибы, Te - Alliaceae, Allium, Y - Pinaceae, Co -Fabales и род Alnus, Sc - мхи, лишайники, грибы, Li - Solanactae, Polygonaceae, Rosaceae.
Основные поставщики МЭ в атмосферу и на подстилающую поверхность земли - антропогенные и природные источники. К биологическим источникам относятся, например, соли, выделяющиеся в процессе транспирации растений, пыльца и споры растений [1], газообразные соединения металлов типа тетраметил-свинца, метил-ртути, образующиеся в результате микробиологических процессов метилизации [5], и др.
Несмотря на длительную историю изучения проблемы МЭ в биосфере (накопление массы фактических данных по уровню содержания МЭ в разных компонентах биосферы и реакции живых организмов на их недостаток или избыток, разработка специальных методов анализа и составление карт биогеохимического районирования), общей теории, рассматривающей функции, механизмы и роль МЭ в биосфере, пока нет [11]. Поэтому каждая работа по исследованию круговорота МЭ в экосистемах и их компонентах представляет вклад в развитие этой теории.
Способность растительных организмов реагировать на колебания природных и антропогенных факторов увеличением вариабельности их химического состава - одно из основных свойств растений, обеспечивающих их адаптацию к меняющимся условиям среды [8-10].
Цель настоящей работы - определить содержание и сезонную изменчивость концентраций МЭ в молодой хвое Picea abies L. 35-летних лесных культур и дерново-подзолистой почвах, типичных для района их произрастания.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ
Исследования проводили в 35-летних культурах ели в зоне широколиственно-еловых лесов (биостанция Малинки Института проблем экологии и эволюции РАН - Московская обл.) на территории, представляющей собой наклонную равнину, ядро которой сложено юрскими глинами и меловыми песками, перекрытыми ледниковыми отложениями. Почвообразующие породы - покровные и моренные суглинки. Естественная растительность -еловые и широколиственно-еловые леса; на месте коренных лесов сформировались березняки и осинники.
Объект исследования - культуры ели 35-летнего возраста (сомкнутость 0.8, средняя высота деревьев 10-12 м, средний диаметр 10-12 см) на дерново-подзолистой почве, сформированной на покровном суглинке. В хвое ели и почве определяли содержание Be, Bi, Cd, As, Te, Sb, Бс, Cr, Li, Y, Co, Mo, V, Ni и Pb.
Почвенные пробы отбирали в зоне влияния деревьев ели. При определении МЭ в почве использованы вытяжка однонормальной HCl (соотношение 1:10), обычно применяемая для определения потенциального запаса элемента в почве, 1% раствор ЭДТА в аммонийно-ацетатном буфере (1:10, рН 4.8) для извлечения обменных и растворимых в слабых кислотах форм элементов и вытяжка с аммонийно-ацетатным буфером (1:10, рН 4.8) для характеристики актуального содержания микроэлементов [12]. Валовое содержание элементов определяли в образцах при разложении смесью концентрированных серной и азотной кислот.
При отборе образцов хвои соблюдали требования отработанной ранее методики сбора, хранения и подготовки проб для химического анализа растений [1]. Прирост и однолетнюю хвою ели собирали отдельно с 16 деревьев разных полос посадки насаждений на высоте 1.3 м по периферии кроны в конце мая и начале сентября. Схе-
ма сбора образцов хвои рассчитана так, чтобы охватить двухлетний период ее роста и развития. Образцы отбирали в одноразовых перчатках, перед проведением химических анализов готовили средний образец, чтобы исключить выщелачивание элементов; хвою не отмывали. Определение концентраций элементов в пробах проводили в специализированной лаборатории с использованием инструментальных методов (ААБ, 1СР/ АЕБ, ЮР/МБ, МАБ). Калибровку сигналов приборов и контроль процесса определения элементов осуществляли с помощью стандартного образца хвои сосны (КВБ 1575). Результаты представлены как средние из двух повторностей определения элемента. Для обработки данных анализа использована программа РаБ1
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Почва исследованного объекта - дерново-подзолистая с набором горизонтов А0-А1-А1А2-А2 (фрагментарный)-А2В-В1-В2-ВС-С, пылевато-суглинистая в горизонтах А1 и А2 и иловато-пыле-вато-тяжелосуглинистая в горизонте В. Профиль почвы слабо дифференцирован, что, по-видимому, связано с историей развития почвенного покрова данной территории и подготовкой почвы для посадки культур. Плотность изменяется по профилю от 0.77 (А1) до 1.77 г см-3 (ВС). Содержание гумуса в горизонте А1 (3.33%) резко падает до 0.26% на глубине 20-25 см (А2).
Общий химический состав почв был представлен в опубликованной ранее работе [3]. Здесь отметим, что для валового состава исследованных почв характерно типичное распределение БЮ2 и Я203. Изменение по профилю реакции, содержания поглощенных оснований и элементов питания почв отражают особенности почвообразовательного процесса, продуктом которого являются широко распространенные в районе исследования дерново-подзолистые почвы. Общее содержание и концентрация разных форм анализируемых элементов представлены в табл. 1.
Среди исследованных элементов N1 > Ы > Сг > > РЬ > V > Со > У преобладают по их содержанию в слое 0-20 см. При дробном рассмотрении этого слоя выявляется повышенная концентрация Ве, Те, Бс, Сг, У, Со, V, N1 и РЬ в самом верхнем горизонте (0-5 см); В1, Сё, аб, БЬ и Ы распределены довольно равномерно.
По степени извлечения элементов однонор-мальным раствором НС1 (процент от общего валового содержания в почве) исследованные элементы можно разделить на 2 группы: Ве, В1, Сё, Те, БЬ, Бс, Сг, V, N1, содержание которых в
Таблица 1. Содержание разных форм микроэлементов (мг кг в верхней части профиля дерново-подзолистой почвы (0-20 см)
н я Щ S о Ц Валовое содержание Однонормальный раствор HCl ЭДТА + аммонийно-ацетатный буфер, pH 4.8 Аммонийно-ацетатный буфер, pH 4.8
m 0-5 см 5-10 см 10-20 см 0-5 см 5-10 см 10-20 см 0-5 см 5-10 см 10-20 см 0-5 см 5-10 см 10-20 см
Be Bi Cd As Te Sb Sc Cr Li Y Co Mo V Ni Pb 3.20 0.91 0.31 0.94 0.95 1.35 4.70 24.10 41.20 16.20 21.60 2.20 17.40 59.40 24.60 2.90 1.05 0.26 0.96 0.42 1.29 3.90 19.00 42.10 13.30 18.20 2.40 15.04 42.00 20.10 2.60 1.05 0.33 0.83 0.39 1.26 3.70 16.00 41.10 10.50 12.60 2.10 14.20 25.80 20.00 0.04 0.40 0.13 0.67 0.34 0.61 I.50 8.20 Не опр. II.50 12.70 1.80 8.70 25.50 14.20 0.04 0.33 0.12 0.58 0.32 0.54 2.00 7.90 Не опр. 10.30 10.90 1.56 15.00 23.10 12.80 0.05 0.37 0.13 0.54 0.25 0.48 4.10 10.20 Не опр. 11.60 8.60 I.14 7.90 20.10 II.20 0.01 0.15 0.04 0.18 0.09 0.20 0.10 3.50 0.90 2.00 3.80 0.30 3.90 11.00 6.00 0.01 0.13 0.03 0.18 0.09 0.19 0.10 3.20 0.90 1.80 3.70 0.30 3.60 11.20 5.00 0.00 0.12 0.04 0.16 0.07 0.16 0.10 3.30 0.90 1.40 2.70 0.20 3.20 6.00 4.00 0.01 0.02 0.00 0.01 0.01 0.00 0.01 0.20 Не опр. 0.20 0.20 0.04 0.20 0.38 Нет 0.01 0.02 0.00 0.01 0.01 0.00 0.02 0.20 Не опр. 0.20 0.30 0.03 0.20 0.87 Нет 0.01 0.02 0.00 0.01 0.01 0.00 0.04 0.20 Не опр. 0.20 0.40 0.02 0.30 0.24 Нет
кислотной вытяжке составляет менее 50%, и аб, У, Со, Мо, РЬ. Концентрация Ы не определена. Что касается концентрации элементов в вытяжке смеси трилона и аммонийно-ацетатного буфера, Ве, Те, Бс и У составляет 0-12% от их валового содержания в почве, все остальные - 12-25%. Сравнение содержания исследованных МЭ и их форм с установленными токсичными концентрациями этих элементов показало, что они не превышают предельно допустимых [14].
Химический состав молодой хвои ели и концентрации МЭ в растениях по данным литературных источников представлены в табл. 2.
Известно, что химический состав растительных организмов изме
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.