ЭКОЛОГИЯ, 2013, № 2, с. 90-98
УДК 581.52:643.411
МИКРОЭЛЕМЕНТНЫЙ СОСТАВ РАСТЕНИЙ ПОЛЯРНОГО УРАЛА В КОНТРАСТНЫХ ГЕОХИМИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ
© 2013 г. Н. В. Алексеева-Попова, И. В. Дроздова
Ботанический институт им. В.Л. Комарова РАН 197376Санкт-Петербург, ул. проф. Попова, 2 e-mail: nap5151@gmail.com Поступила в редакцию 04.05.2012 г.
Дана оценка природной изменчивости уровня микроэлементов в растениях и почвах Полярного Урала в зависимости от типа подстилающих горных пород. Атомно-абсорбционным методом определено содержание Fe, Mn, Zn, Cu, Ni, Cr, Co в 156 видах растений из 25 семейств и в 38 образцах почв. Установлена вариабельность минерального состава растений в разных эдафических условиях. Впервые на большом фактическом материале выявлены таксономические особенности аккумуляции элементов растениями Полярного Урала.
Ключевые слова: микроэлементы, минеральный состав, ультраосновные, кислые, основные, карбонатные горные породы.
DOI: 10.7868/S0367059713020030
Минеральный обмен — один из важных аспектов жизнедеятельности растений — претерпевает существенные изменения в различных экологических условиях, среди которых эдафические имеют решающее значение. Минеральный режим почв определяется прежде всего особенностями химического состава подстилающих горных пород. Известно, что биоразнообразие растительности изменяется в контрастных геохимических условиях (Игошина, 1966; Юрцев и др., 2004; Erschbamer, 1991; Proctor, Nagy, 1992). Так, видовое разнообразие сосудистых растений на ультраосновных породах уменьшается по сравнению с таковым на кислых и особенно на карбонатных и основных горных породах Полярного Урала (Юрцев и др., 2001; Холод, 2006). При этом изменяется также минеральный состав растений, который обусловлен как почвенно-геохимическими условиями произрастания, так и особенностями минерального обмена, присущими растениям разных таксонов. Однако в отличие от влияния условий произрастания таксономическая специфичность минерального обмена по-прежнему остается недостаточно исследованной. Сравнение минерального состава большого количества видов растений разных семейств и таксонов более высокого ранга позволило установить филогенетически обусловленные закономерности варьирования уровня макроэлементов (Thompson et al., 1997; Broadley et al., 2004; Hodson et al., 2005). Обобщение и статистическая обработка литературных сведений по аккумуля-
ции микроэлементов у покрытосеменных растений также выявили определенные филогенетические различия (Broadley й а1., 2001, 2007; ^&1апаЬе й а1., 2007).
Влияние почвенной среды на природные флоры в конкретном географическом районе редко изучается на большом количестве видов (Takada е! a1.,1980), что затрудняет оценку эволюционно закрепленных таксономических особенностей минерального обмена. Данные о минеральном составе растений тундровой зоны получены лишь для некоторых районов и в основном ограничены зональной растительностью на кислых горных породах (Манаков, 1970; Богатырев, Василевская, 2004).
Наши исследования проводились на Полярном Урале в контрастных почвенно-геохимиче-ских условиях: на ультраосновных, основных, карбонатных и кислых горных породах. Это позволяет выявить специфику минерального обмена растений в зависимости от химизма подстилающих горных пород. Сведения об изменении минерального обмена растений на ультраосновных породах в условиях природного обогащения почвенной среды N1, Сг, Со необходимы для оценки реакции растений при техногенном загрязнении среды тяжелыми металлами.
Цель данной работы — изучение влияния эдафических факторов на минеральный состав дикорастущих видов растений Полярного Урала, а
Таблица 1. Основные характеристики почв на разных типах горных пород
Горные породы Число образцов РНводн Количество, мг-экв/100 г почвы
К Ca Mg
Ультраосновные* 56 6.73 ± 0.05 0.21 ± 0.02 2.41 ± 0.24 20.4 ± 3.30
Основные 38 5.86 ± 0.04 1.13 ± 0.05 15.0 ± 0.73 7.89 ± 0.57
Карбонатные** 34 7.33 ± 0.04 0.41 ± 0.03 50.5 ± 4.30 3.60 ± 0.50
Кислые* 52 4.72 ± 0.07 0.32 ± 0.03 5.83 ± 0.71 2.09 ± 0.19
Примечание. Здесь и в табл. 2: * — по: Дроздова и др., 2005; ** — по: Алексеева-Попова и др., 2005.
также изменчивости содержания Fe, Mn, Zn, Cu, Ni, Cr, Co в растениях и почвах Полярного Урала в зависимости от химизма горных пород. Кроме того, выявляли особенности минерального состава видов растений разных таксонов.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ
Работа выполнена на Полярном Урале (67° с.ш., 65° в.д.) на карбонатных (известняки) и кислых (песчаники, алевролиты) породах Б. Пайпудын-ского массива, ультраосновных (дуниты, серпентиниты) и основных (габбро, габбро-амфиболиты) породах массива Рай-Из. В горных тундрах в типичных экотопах на пробных площадях размером 3 х 3 м проводили геоботаническое описание растительности, отбирали образцы почв и растений. Были заложены 103 пробные площади: 11 — на карбонатных, 36 — на кислых, 32 — на ультраосновных и 24 — на основных горных породах. Растительный материал собирали по отдельным видам. Среди них были амфитолерантные виды, встречающиеся на двух и более типах горных пород, и облигатные виды, приуроченные к определенному типу субстрата. Всего собрано 156 видов растений из 25 семейств (858 образцов). Большинство видов было собрано на каждой горной породе на нескольких пробных площадях. Анализировали листья кустарничков и кустарников и вегетативные надземные части травянистых растений. Средний образец составляли 20—30 особей в стадии цветения — начала плодоношения. Высушенные до воздушно-сухого веса образцы растений сжигали в муфельной печи при 450°С и растворяли в 1 н. азотной кислоте.
Образцы почвы были взяты из корнеобитае-мого слоя (10—15 см). Содержание обменных форм Ca, Mg, подвижных форм Fe, Zn, Mn, Cu, Ni (CH3COONH4 с pH 4.8), потенциально подвижных форм Co и Cr (1 н. HNO3), актуальную кислотность почв определяли стандартными методами (Allen et al., 1974). Проанализировано 38 образцов почв на основных породах, данные для почв на других типах горных пород опубликованы ранее (Алексеева-Попова и др., 2005; Дроздова и др., 2005; Kataeva et al., 2004; Proctor et. al,
2004). Концентрации химических элементов в растениях и почвенных вытяжках измеряли на атом-но-абсорбционном спектрометре КВАНТ-АФА. Статистический анализ результатов осуществлялся стандартными методами описательной статистики с использованием ПСП Statistica-6.0. Исходя из характера распределения концентраций элементов в образцах растений, статистическую значимость различий оценивали с использованием U-критерия Манна-Уитни.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
При определении кислотности почв Полярного Урала выявлены значительные различия между ними, обусловленные влиянием литогенного фактора, — интервал значений составил 4.72—7.33 (табл. 1). Неодинаковый минералогический состав горных пород обусловил и различия в содержании основных катионов в почвах, сформированных на этих горных породах. Известно (Ersch-bamer, 1991), что для нормального развития растений необходимо соотношение Ca/Mg не ниже 1.2. В почвах на ультраосновных породах отмечается высокий уровень Mg, низкий Ca (см. табл. 1), соотношение основных катионов <1, что создает условия, неблагоприятные для минерального питания растений. Почвы на карбонатных породах характеризуются резким преобладанием в почвенном поглощающем комплексе катионов Са2+ — элемента, уменьшающего подвижность и доступность большинства микроэлементов. Более сбалансированное соотношение катионов Ca2+ и Mg2+ наблюдается в почвах на основных породах. Эти почвы выделяются также наиболее высоким содержанием К (Алексеева-Попова, Дроздова, 2010).
Количество микроэлементов, особенно Ni, в изученных почвах также изменялось в достаточно широких пределах: от 47.9 мг/кг на ультраосновных до 0.51 мг/кг на карбонатных горных породах (табл. 2). По нашим данным, уровень потенциально подвижных форм Cr в почвах на ультраосновных породах был в 29 раз выше, чем его количество в зональных тундровых почвах на кислых породах. Повышенное содержание Ni, а также Cr
Таблица 2. Содержание микроэлементов в почвах на разных типах горных пород, мг/кг
Элемент Горные породы
Ультраосновные Основные Карбонатные Кислые
Fe 27.2 ± 2.80 181 ± 8.60 34.1 ± 12.0 192 ± 24.0
Zn 2.32 ± 0.54 1.86 ± 0.03 3.62 ± 0.49 2.98 ± 0.47
Mn 54.4 ± 6.60 64.7 ± 6.90 58.4 ± 4.50 55.5 ± 11.0
Cu 1.04 ± 0.17 3.89 ± 0.05 0.05 ± 0.01 1.87 ± 0.36
Ni 47.9 ± 3.70 5.60 ± 0.05 0.51 ± 0.12 0.74 ± 0.13
Co 25.2 ± 2.10 4.17 ± 1.49 1.42 ± 0.23 1.79 ± 0.28
Cr 15.3 ± 2.50 5.72 ± 2.84 11.3 ± 3.0 0.52 ± 0.59
Примечание: Fe, Zn, Mn, Cu, Ni — подвижные формы (1 н. CH4COONH4); Co, Cr — потенциально подвижные формы (1 н. HNO3).
Таблица 3. Содержание микроэлементов в растениях на разных типах горных пород, мг/кг сухого вещества
Горные породы Число образцов Fe Zn Mn Cu Ni
Ультраосновные 248 131 ± 127 47.7 ± 45.1 50.2 ± 51.8 3.93 ± 2.89 107 ± 328
Основные 222 80.4 ± 41.9 51.2 ± 54.3 217±203 6.11 ± 3.10 15.4 ± 14.1
Кислые 200 91.7 ± 64.9 53.5 ± 32.8 558 ±514 5.25 ± 2.61 6.79 ± 5.17
Карбонатные 188 53.8 ± 71.3 59.8 ± 55.9 47.9 ± 51.3 4.15 ± 1.19 0.93 ± 0.75
в почвах, развитых на ультраосновных породах, рассматривается как одна из основных причин отсутствия на них некоторых видов (Proctor et al., 2004).
Среднее содержание элементов во всех проанализированных образцах растений, собранных на каждой из четырех горных пород, приведено в табл. 3. Следует отметить, что концентрации химических элементов значительно варьируют у растений на разных типах горных пород, причем различия в большинстве случаев достоверны (табл. 4). Для растения на кислых почвах характерно наиболее высокое количество Mn, которое с высокой степенью достоверности отличается от такового в растениях на других типах горных пород. Высокий уровень Cu наблюдается в растени-
ях на основных породах, особенно по сравнению с растениями на ультраосновных и карбонатных породах. Виды, встречающиеся на ультраосновных породах, отличаются максимальным содержанием N1, они богаче Бе по сравнению с видами на основных и карбонатных породах. Растения на извест
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.