ЛЕСОВЕДЕНИЕ, 2004, № 2, с. 25-35
ОРИГИНАЛЬНЫЕ СТАТЬИ
УДК 630*581.5
ЗАКОНОМЕРНОСТИ АККУМУЛЯЦИИ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ СОСНОЙ ОБЫКНОВЕННОЙ В ФОНОВЫХ И ТЕХНОГЕННЫХ
МЕСТООБИТАНИЯХ
© 2004 г. Т. В. Черненькова
Институт проблем экологии и эволюции им. АН. Северцова РАН 119071 Москва, Ленинский просп., 33 Поступила в редакцию 8.01.2003 г.
Даны особенности аккумуляции тяжелых металлов взрослыми и ювенильными особям сосны обыкновенной в зависимости от органов растения и условий загрязнения. Прослежена связь между содержанием металлов в тканях растения и в окружающей среде. Показана зависимость степени повреждения хвои взрослых деревьев и различных частей проростков сосны от содержания металлов в растениях и в окружающей среде.
Сосна обыкновенная, атмосферное загрязнение, тяжелые металлы, фитоиндикация.
Процесс естественного возобновления и роста древостоя является главным фактором нормального функционирования лесных массивов, а его нарушение влечет за собой преобразование всего биоценоза, типологическую смену сообществ. Сосна обыкновенная (Pinus sylvestris L.) является удобным объектом для экотоксикологических исследований из-за широкой экологической амплитуды своего распространения, а также из-за наличия четко идентифицируемых биологических реакций на химическое воздействие на всех этапах своего онтогенетического развития [3, 6, 8-10, 12-17, 19-23, 28, 29, 30, 32-34, 36, 37 и др.]. Вместе с тем многие вопросы биоаккумуляции техноген-но рассеянных элементов для этого вида рассмотрены не полностью. Поскольку сосне обыкновенной принадлежит важнейшая средообразующая роль в формировании растительного покрова Евразии, то изучать техногенно преобразованные биотопы невозможно без данных по аккумулятивным особенностям этого вида.
Процессы сорбции, перераспределения и аккумуляции загрязняющих веществ семенными растениями достаточно сложны и зависят от множества факторов. Известно несколько путей поступления химических элементов и их соединений в растение, основными из которых являются корневое питание, газообмен, обменная адсорбция поверхностью листовой пластинки. Развитие таких эволюционно обусловленных систем, как проводящие ткани, защитный кутикулярный слой, приспособления физиолого-морфологичес-кого и консортивного плана, обуславливают сложную и опосредованную зависимость химического состава тканей сосудистых растений от хи-
мического качества окружающей среды. Жизненная форма древесного растения определяет наличие высокого разнообразия тканей и органов, обладающих различными функциями и имеющих различный химический состав. Основной целью исследования являлось изучение особенностей аккумуляции металлов сосной обыкновенной, произрастающей в фоновых местообитаниях и в окрестностях источников промышленного загрязнения, а также оценка воздействия избыточного количества тяжелых металлов в окружающей среде на состояние проростков и взрослых деревьев сосны.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДИКА
Данные были получены в результате микроэлементного анализа проб растительного материала (хвоя, кора, древесина сосны и подстилка), отобранных в окрестностях металлургических комбинатов РФ ("Североникель", "Костомукшский") и Польши (около Варшавы и Кракова), а также в незагрязненных условиях особо охраняемых природных территориях России (Костомукшский и Лапландский заповедники, Беловежская пуща) и Польши (Славинский и Татраньский национальные парки).
Для установления степени воздействия выбросов металлургического комбината на рост сосен отбирали побеги в нижней части кроны с пяти деревьев в спелых и приспевающих древостоях. Измеряли прирост по длине и массу побегов каждого года (п = 50) у ветвей второго, третьего и четвертого порядков и массу несомой ими хвои в воздушно сухом состоянии.
Для исследования возможностей возобновления хвойных пород на почвах разной степени загрязненности тяжелыми металлами, а также для исследования биоаккумулятивной возможности проростков сосны был поставлен эксперимент по проращиванию семян сосны (Pinus sylvestris L.) в лабораторных условиях. Валовое содержание тяжелых металлов (Co, Cd, Zn, Mn, Fe, Pb, Cu и Ni) оценивалось в надземных и подземных частях проростков. Сравнивались результаты прорастания семян и роста проростков растений на загрязненных почвах по четырем вариантам опыта (I -максимальное, ..., IY - минимальное загрязнение почвы; n = 150 в каждом варианте опыта). Субстрат представлял собой смешанную пробу верхнего горизонта почвы (Ä0), отобранную по градиенту загрязнения в окрестностях металлургического комбината (2, 10, 20 и 30 км от источника загрязнения), помещенную на песчаный грунт.
Для идентификации условий роста растений на пробных площадях с разной токсической нагрузкой были отобраны пробы почвенного материала (Ä0 и Ä1) (n = 8-16) с последующим их микроэлементным анализом методом атомной спектро-фотометрии. Также анализировались образцы растительных проб без их предварительного отмывания.
Для анализа и интерпретации данных использованы дисперсионный и корреляционный анализы.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
При сравнении содержания тяжелых металлов в различных органах сосны обыкновенной, произрастающей в незагрязненных местообитаниях на территории Костомукшского заповедника (Карелия) и Беловежской пущи (Белоруссия), установлены сходные тенденции распределения металлов в пределах надземной части дерева (табл.1). Отмечено, что максимальные концентрации тяжелых металлов наблюдаются в хвое, ветвях и коре сосны, минимальные - в древесине, при этом имеются различия в накоплении металлов по слоям древесины и коры. Это объясняется различиями в процессе поглощения микроэлементов и их соединений из почвы и воздушной среды, особенностями перераспределения их между тканями и органами. Так, способность к поглощению загрязняющих веществ органами растения из воздуха зависит от сорбционных свойств поверхностных тканей листовых пластинок, коры деревьев, а из почвы - от глубины залегания корневой системы, микоризоемкости, фракционного соотношения корней и т.д. Имеются более тонкие различия в концентрации химических веществ растениями в зависимости от возраста частей растений (хвоя, кора, кольца древесины), а также возраста самой особи.
Известно, что кора древесных растений отличается хорошими аккумуляционными свойствами, и это часто используется в практике биомониторинга, но не всегда придается значение существующим послойным различиям в накоплении загрязняющих веществ. Наши данные, полученные на образцах сосны незагрязненных местообитаний, демонстрируют повышенное содержание практически всех шести металлов во внешнем, более старом слое коры деревьев (табл. 1).
Эти различия становятся особенно заметными при существующем градиенте загрязнения. В ходе проведенного исследования [31] было отмечено, что концентрация свинца в самом дальнем от сердцевины участке коры дерева (наиболее старом) была в 20 раз выше, чем ближних, более молодых слоях коры деревьев Pinus halepensis, произрастающих вблизи автомобильной дороги.
Найдены также различия в концентрировании элементов между разными слоями древесины. В древесине Pinus halepensis в Афинах содержание свинца было меньше по сравнению с пробами коры (1.5 и 172 ppm), а содержание свинца в годичных кольцах уменьшалось с возрастом при отрицательной корреляции между содержанием металла и шириной годичного кольца [31]. Эти данные полностью согласуются с полученными нами результатами распределения металлов в разных частях ствола сосны обыкновенной из Костомукшского заповедника (табл. 1).
Изменение кислотности коры сосны в окрестностях завода близ Орнсколдсвике было измерено шведскими учеными [43]: pH на контроле имело значения 3.4-3.8, при низких уровнях загрязнения - 2.9-3.4, а при высоких - 2.6-2.8 и менее 2.5 при очень высоких уровнях загрязнения. Исследованиями К. Гродзинской [26] также была подтверждена зависимость pH коры разных видов древесных пород от расстояния до источника выбросов, в частности для Pinus sylvestris корреляционная зависимость выглядела следующим образом - y = 0.09х + 0.41 (r = 0.91), где х - расстояние до источника загрязнения, км. Увеличение кислотности коры может способствовать увеличению скорости обменных процессов на ее поверхности и проникновению растворимых форм соединений металлов в нижележащие слои, повышая, таким образом, общий уровень содержания элементов в коре дерева.
Собственную версию, объясняющую распределение металлов в стволовой части деревьев, дают В. Космус и Д. Краилф [32]. Они связывают распределение металлов с активностью микроскопических грибов, обитающих в древесине деревьев. Факторный анализ не показал корреляции между возрастом древесины деревьев исследованных видов (Picea abies, Aesculus hippocastanum и Sophora japónica) и содержанием
Таблица 1. Содержание тяжелых металлов в различных частях деревьев сосны обыкновенной ] заповеднике и в Беловежской пуще, ррт
Костомукшском
Вид пробы Бе Мп 7п РЬ Си N1 Со Cd
Костомукшский заповедник
Хвоя текущего года 26.3 320.0 28.8 0.10 < по 1.50 3.00 2.50 <по
1-го » 38.6 652.8 42.0 4.08 1.44 1.44 2.88 <по <по
2-го » 28.4 861.0 47.3 3.57 <по 1.26 1.68 1.89 0.006
3-го » 26.5 702.0 68.9 <по <по 1.56 1.04 2.34 0.05
4-го » 31.1 954.0 49.5 <по <по 1.38 1.84 2.84 0.65
Ветви 26.4 259.6 38.5 3.74 <по 1.32 2.64 1.76 0.01
Кора 16.9 80.0 21.9 2.12 0.75 1.75 2.00 1.50 0.01
Древесина внешний слой 9.4 116.0 9.0 3.40 <по <по 1.20 0.90 <по
средний » 6.0 106.0 9.1 <по <по <по 0.75 0.58 0.01
внутренний » 8.4 140.0 31.5 <по <по <по 0.90 0.53 0.009
Почва Ао 641.0 293.0 60.0 5.00 3.60 2.00 2.20 1.68 0.03
Беловежская пуща
Хвоя текущего года 17.0 275.3 16.6 <по 3.27 6.30 0.09 0.05 -
1-го » 32.6 432.6 26.0 <по 3.67 5.13 0.09 0.05 -
2-го » 53.1 693.3 22.1 <по 2.67 0.10 0.10 0.05 -
3-го » 39.7 920.0 18.6 <по 2.30 3.22 0.09 0.05 -
4-го » 56.3 2670.0 32.6 <по 4.40 0.10 0.09 0.05 -
Ветви 28.4 208.0 12.8 <по 0.80 0.10 0.10 0.05 -
Кора внешний слой 27.7 1088.0 57.8 2.9 1.17 1.53 0.85 0.17 -
средний » 120.5 57.0 5.4 <по 1.50 0.10 0.09 0.15 -
внутренний » 10.6 68.2 6.16 <по 1.54 0.10 0.09 0.
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.