ГЕОХИМИЯ, 2015, № 3, с. 252-263
ГЕОХИМИЯ ТРАВЯНИСТЫХ БИОГЕОЦЕНОЗОВ: БИОГЕННЫЕ ЦИКЛЫ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ ПРИ ЗАГРЯЗНЕНИИ ПРИРОДНОЙ СРЕДЫ ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ
© 2015 г. В. С. Безель*, Т. В. Жуйкова***, В. А. Гордеева**
*Институт экологии растений и животных УрО РАН 620144 Екатеринбург, ул. 8-е Марта, 202 e-mail: bezel@ipae.uran.ru **ФГБОУВПО Нижнетагильская государственная социально-педагогическая академия Факультет естествознания, математики и информатики 622031 Нижний Тагил, ул. Красногвардейская, 57 Поступила в редакцию 18.02.2014 г.
Принята к печати 03.06.2014 г.
Рассмотрено участие сообщества травянистых растений в формировании биогенных циклов химических элементов (Zn, Cu, Pb, Cd, Mn, Co, Cr, Ni, Fe). Показано изменение видового состава и наземной фитомассы для фитоценозов Среднего Урала в градиенте загрязнения тяжелыми металлами. Рассмотрены также процессы биопродуктивности и последующей минерализации растительных остатков для двух типов почв, различных по агрохимическим параметрам. Установлено, что вклад агроботанических групп в биогенный обмен химических элементов определяется различием не только в ежегодно отмирающих объемах надземной фитомассы, но и в градиенте загрязнения, а также в интенсивности минерализации растительных остатков. В результате при химическом загрязнении среды изменяется круговорот химических элементов в природных биогеоценозах. Реакцию травянистых сообществ на загрязнение среды можно рассматривать в качестве частичной компенсации негативного влияния химического стресса, поскольку поддерживается достаточный уровень биогенного обмена химических элементов.
Ключевые слова: тяжелые металлы, химическое загрязнение среды, биогеохимические циклы, травянистые фитоценозы, биопродуктивность, процессы минерализации.
Б01: 10.7868/80016752515030036
Проблема биологического круговорота химических элементов в экосистемах различного типа и нарушение его под влиянием деятельности человека — сегодня одна из актуальных в современной геохимии.
Выполненные в последние годы многочисленные исследования процессов химической деградации природной среды как правило ограничиваются изучением накопления химических веществ разнообразными компонентами природных экосистем. Однако даже популяционные эффекты, характеризуя лишь отдельные компоненты биоценоза, не могут в полной мере отражать его состояние в качестве целостной биологической системы. Судьба биогеоценоза, как комплекса живых, биокосных и косных компонентов в условиях любого вида антропогенного воздействия определяется тем, в какой мере такая система способна поддерживать необходимый уровень обмена вещества, энергии и информации внутри себя и по отноше-
нию к смежным биогеоценозам (Вернадский, 1978; Шварц, 1980). В такой постановке проблемы при химическом загрязнении среды речь может идти об антропогенной деформации этого обмена. Исследованиям подобного уровня в настоящее время уделяется особое внимание (Покаржевский и др., 2000; Безель, 2006; Безель и Жуйкова, 2007; Grimshaw etal., 1958; Lindquist and Block, 1997; Dmowski and Karalewski, 1979). Априори можно ожидать, что интенсивность подобных циклов при различных уровнях загрязнения почв определяется следующими факторами:
• возрастающими в почвах уровнями элементов в химических формах, доступных растениям;
• изменением видового состава фитоценозов под влиянием химического загрязнения и связанной с этим специфичностью накопления элементов и их токсичностью по отношению к различными видами растений;
• снижением общей продукции сообщества под влиянием химического загрязнения, главным образом за счет уменьшения надземной и подземной фитомасс;
• изменением процессов минерализации растительных остатков в почвах, возвращающих химические элементы в биогенный обмен.
Сложность проблемы заключается в высокой трудоемкости исследований в силу ограниченности сведений по реакции на повышенные уровни токсикантов продуктивности отдельных звеньев фитоценозов и прямого влияния этих уровней на процессы минерализации растительных остатков.
Настоящее исследование посвящено изучению обмена фитомассы и химических элементов в системе "почва-фитоценоз" в травянистых сообществах Среднего Урала, подверженных разному уровню загрязнения аэрогенными выбросами металлургических предприятий. Целью работы был анализ роли перечисленных факторов в формировании биогенных циклов химических элементов.
МЕТОДИКА
Исследование выполнено в условиях Среднего Урала (таежная географическая зона, подзона южной тайги). Промышленный комплекс района исследования (Свердловская область, г. Нижний Тагил, 60 ° в.д., 58° с.ш.) представлен предприятиями черной металлургии. Приоритетный загрязнитель — полиметаллическая пыль в виде оксидов металлов Cr, Ni, Fe, Cu, Zn, Cd, Pb и др. и оксида серы.
Для исследования были выделены участки в агрогенных и техногенных ландшафтах, широко представленных в окрестностях г. Нижний Тагил. Различная удаленность участков от металлургического комбината позволяла рассматривать градиент химического загрязнения почв. Изученные фитоценозы принадлежат травянистым сообществам.
Почвенные и растительные пробы для определения содержания тяжелых металлов отбирали в соответствии с требованиями методик (Алексеен-ко, 1990; Ильин, 1991; Методические..., 1992). Экстрагировали металлы из почвы 5%-ной HNO3, из растительных образцов — 70%-ной HNO3 или смесью HNO3 и HCl. В кислотных вытяжках почвы и растений измеряли концентрации Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Cd, Pb методом пламенной атомно-аб-сорбционной спектрометрии на спектрофотометре AAS 300 фирмы Perkin Elmer (Хавезов и Цалев, 1983). Химический состав почв определен в соответствии с аттестованными методами анализа в аккредитованной лаборатории ИЭРиЖ УрО РАН (Аттестат аккредитации № РОСС RU. 0001.515630). Диагностика антропогенно-нарушенных почв выполнена ранее (Кайгородова и др., 2013).
Для оценки первичной продукции исследуемых луговых сообществ в вегетационные сезоны 2009—2012 гг. в период максимального развития травостоя методом случайной выборки закладывали по 10 учетных площадок размером 25 х 25 см. Отбор проб проводили методом монолитов (Шалыт, 1960). Растения в пределах учетной площадки разбирали по видам. После предварительной подготовки определяли атмосферно-сухую надземную и подземную фитомассу каждого вида (г/м2).
Для изучения актуальной скорости разложения растительных остатков была отобрана надземная фитомасса в исследуемых травянистых сообществах. В качестве экспонируемого материала в полевом эксперименте использовали атмосферно-сухую фитомассу агро-ботанических групп (бобовые, злаки, разнотравье). Образцы помещали в верхний 5-ти сантиметровый слой почвы по тран-секте через каждые 30 см на тех участках, с которых была собрана фитомасса растений. На каждой трансекте последовательно закладывали по 10 образцов бобовых, злаков и разнотравья. Срок экспонирования образцов — 12 мес.
После завершения срока экспозиции извлеченные пакеты очищали от частиц почвы и тонких корней и высушивали до абсолютно сухой массы при 105°С (Воробейчик, 2007; Воробейчик и Пи-щулин, 2011). Скорость разложения экспонируемого материала оценивали по убыли массы навески, выраженной в процентах (Воробейчик, 2007).
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Характеристика почв и концентрации химических элементов. Почва как центральное звено биогенного обмена выступает в роли первичного депо химических элементов, обеспечивая последующую транслокацию их по трофическим уровням. Замкнутость продукционного цикла в системе почва-растение обеспечивается также процессами минерализации растительных остатков. При этом интенсивность процессов биологической продуктивности и минерализации опада прямо зависит от таких основных почвенных параметров, как величина рН, содержание алюмосиликатов, гумуса, состава и обилия почвенной биоты (Сочава и др., 1962; Титлянова, 1977, 1979; Рогинская и Казанцева; 1982; Харитонов и Бойков, 1999 и др.).
В градиенте химического загрязнения почв выделены участки лугового типа в агрогенных и техногенных ландшафтах. Среднее содержание подвижных форм тяжелых металлов в почве регионального фона и техногенно нарушенных территорий различалось в десятки раз (табл. 1). Приоритетными загрязнителями почвы исследуемых территорий являются кадмий, кобальт, цинк, медь. Концентрации данных элементов в почвах фоновой и техногенно
Таблица 1. Содержание подвижных форм тяжелых металлов в образцах исследованной почвы (М ± т)
Название 3, Содержание микроэлементов, мкг/г
участков отн. ед. 7п2+ Си2+ са2+ РЪ2+ Со2+ №2+ Мп2+ Сг2+ Бе3+
Почвы I типа
Фон 1.00 17.51 ± 12.56 ± 0.15 ± 8.10 ± 6.50 ± 12.95 ± 291.60 ± 13.06 ± 788.90 ±
± 1.61 ±0.89 ±0.96 ± 0.91 ± 0.85 ± 0.86 ± 27.17 ± 0.78 ± 50.87
(20) (20) (17) (20) (20) (20) (19) (20) (15)
Буфер-1 3.33 58.05 ± 38.62 ± 1.26 ± 13.17 ± 16.76 ± 17.97 ± 359.01 ± 20.03 ± 964.48 ±
± 1.10 ± 0.59 ± 0.00 ± 0.18 ± 0.21 ± 0.32 ± 9.37 ± 0.46 ± 1.65
(19) (20) (20) (20) (20) (20) (20) (20) (15)
Почвы II типа
Буфер-2 6.19 262.65± 101.57 ± 0.90 ± 38.81 ± 14.53 ± 7.40 ± 375.18 ± 7.78 ± 841.11 ±
± 39.56 ± 11.13 ± 0.08 ± 4.91 ± 3.63 ± 1.37 ± 54.02 ± 1.08 ± 13.23
(20) (20) (20) (19) (20) (20) (20) (20) (15)
Импакт 22.78 390.96 ± 951.49 ± 1.54 ± 12.38 ± 124.23 ± 7.75 ± 2364.9 ± 7.14 ± —
± 125.92 ± 236.10 ± 0.47 ± 3.88 ± 17.79 ± 1.30 ± 93.52 ± 2.26
(5) (4) (5) (4) (5) (5) (5) (5) -
Примечание. Sí — суммарная токсическая нагрузка; М — среднее значение; т — погрешность среднего арифметического. В скобках — объем выборки; данные отсутствуют.
нарушенных территорий различаются более, чем в 75, 20, 19 и 10 раз соответственно. Концентрации свинца, марганца и железа изменяются мало или даже снижены (никель, хром).
Для интегральной оценки токсической нагрузки на почву был использован показатель Sn:
п
=1 ^ •
отн. ед.,
(1)
I
где С(- и С; — концентрации только тех элементов, содержание которых в почве превышает фоновое (минимальные в наших условиях). По этому показателю токсическая нагрузка в нашем градиенте возрастает более чем в 20 раз.
По о
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.