ЛЕСОВЕДЕНИЕ, 2008, № 2, с. 3-12
УДК 630*114.3:630*114.19:631.413
ОРИГИНАЛЬНЫЕ СТАТЬИ
ПОГЛОЩЕНИЕ МАКРОЭЛЕМЕНТОВ И ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ ЕЛЬЮ
ПРИ АТМОСФЕРНОМ ЗАГРЯЗНЕНИИ НА КОЛЬСКОМ ПОЛУОСТРОВЕ*
© 2008 г. Г. Н. Копцик1, Н. В. Лукина2, С. В. Копцик3, Т. А. Щербенко1, С. Ю. Ливанцова1
1 Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, факультет почвоведения 119992 Москва, Ленинские горы, e-mail: koptsik@soil.msu.ru 2 Центр по проблемам экологии и продуктивности лесов РАН 117997 Москва, ул. Профсоюзная, 84/32 3 Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, физический факультет 119992 Москва, Ленинские горы, e-mail: koptsik@phys.msu.ru Поступила в редакцию 19.12.2006 г.
Поглощение элементов елью исследовано на северном пределе распространения еловых лесов в зоне влияния атмосферных выбросов комбината "Североникель" - одного из крупнейших в Европе источников диоксида серы и тяжелых металлов. Атмосферное загрязнение сопровождается накоплением серы, никеля, меди, свинца и кадмия в ассимилирующих и многолетних органах ели и их обеднением азотом, кальцием, магнием и цинком. Ветви и особенно кора содержат наибольшее количество тяжелых металлов и вслед за древесиной вносят значительный вклад в их аккумуляцию в биомассе еловых лесов в условиях загрязнения.
Тяжелые металлы, сера, элементы питания, ель, почвы, лесные экосистемы.
В лесных экосистемах основной вклад в биологическое поглощение элементов вносят эдифика-торы - древесные растения. Их ассимилирующие органы (хвоя, листья) наиболее богаты зольными элементами по сравнению с многолетними органами и в то же время чрезвычайно чувствительны к изменению окружающих условий. Поэтому ассимилирующие органы часто используют для выявления дефицита или токсичности элементов для растений и диагностики питательного режима лесных фитоценозов [1-3, 8, 14]. Вместе с тем решающий вклад в поглощение элементов древесным ярусом вносят многолетние органы, прежде всего стволы, обладающие большой биомассой. Однако содержание макроэлементов в этих органах, особенно в древесине стволов, изучено недостаточно, а тяжелых металлов - единично [7, 8, 12, 15, 21]. Детальные исследования изменений элементного состава древесного яруса хвойных лесов под влиянием атмосферного загрязнения уникальны [1-3, 25] и ограничиваются обычно несколькими экосистемами, отражающими основные стадии техногенной сукцессии. При этом в центре внимания большинства работ в зоне влияния медно-никелевых комбинатов нахо-
*
Работа выполнена при поддержке РФФИ (02-04-49047, 05-0448460, 07-04-01189а), N"№0 (047.014.002) и программы фундаментальных исследований Президиума РАН "Изменение окружающей среды и климата: природные катастрофы".
дятся основные металлы-загрязнители (никель и медь), тогда как не меньшее значение могут иметь сопутствующие металлы, отличающиеся высокой токсичностью (кадмий, свинец).
Целью настоящей работы является оценка изменений элементного состава ассимилирующих (хвоя разного возраста) и многолетних (мелкие ветви, кора и древесина ствола) органов ели в широком ряду экосистем еловых лесов под воздействием атмосферных выбросов комбината "Североникель" на Кольском п-ве. Проанализирована аккумуляция элементов питания и элементов-загрязнителей в биомассе еловых лесов и ее изменение в процессе техногенной сукцессии.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДИКА
Исследования проводили в лесных экосистемах Кольского п-ва, в течение более 60 лет подверженных влиянию атмосферных выбросов горно-металлургического комбината "Североникель". Объектами исследования послужили типичные для северной тайги экосистемы еловых лесов, занимающие автономные позиции в ландшафте и наиболее чувствительные к антропогенному воздействию. Зональные еловые леса на северном пределе своего распространения характеризуются низкорослыми сильно разреженными древостоями, в напочвенном покрове преоблада-
ют зеленые мхи, лишайники и кустарнички. Почвенный покров представлен преимущественно маломощными иллювиально-железисто-гумусо-выми подзолами на сильно завалуненных несортированных моренных отложениях легкого гранулометрического состава. По данным комбината, ежегодная эмиссия диоксида серы с 1990 по 2000 г. снизилась с 232.5 до 45 тыс. т, полиметаллической пыли - с 15.8 до 5.4 тыс. т [5].
Образцы хвои разного возраста, мелких ветвей (диаметром менее 1 см), коры и древесины стволов ели (Picea abies) были отобраны с 9 участков мониторинга, расположенных в еловых лесах на расстоянии 7, 18, 20, 22, 24, 28, 100, 101 и 200 км в южном направлении от источника загрязнения. Образцы отбирали в конце вегетационного периода (август) 2002-2003 гг. с десяти деревьев на каждом участке. Отбор образцов хвои ели осуществляли из верхней трети кроны дерева. Хвою разбирали по возрастным фракциям, образцы перед анализом не отмывали.
Озоление растительного материала проводили с помощью концентрированной азотной кислоты с добавлением 30%-го раствора перекиси водорода. В растворе, полученном после мокрого озоления, определяли содержание металлов (Ca, Mg, K, Al, Fe, Mn, Ni, Cu, Pb, Cd и Zn) методом атомно-абсорбционной спектрофотометрии, серы - турбидиметрическим методом и азота - методом Кьельдаля.
Биомасса ели оценена с помощью разработанных для Кольского п-ва регрессионных уравнений [2] на основании измерений высоты и диаметра (на высоте груди) елей на участках мониторинга.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Поглощение элементов из природной среды для продуцирования органического вещества определяется генетическими и возрастными особенностями растений. В индустриальных регионах оно подвержено сильному влиянию атмосферного загрязнения, определяющего техногенную сукцессию лесов.
Хвоя. Ель, произрастающая на Кольском п-ове, в соответствии с минеральным составом фото-синтезирующего аппарата относится к низкозольным кали-кальцефилам. Элементный состав хвои ели условно фоновых районов (100-200 км от источников загрязнения) типичен для бореаль-ных лесов и наряду с калием и кальцием характеризуется повышенным содержанием магния, азота и серы по сравнению с другими органами.
Под влиянием техногенного загрязнения хвоя ели обедняется кальцием и магнием (рис. 1). Так, содержание кальция и магния в хвое текущего года жизни снижается с 3800-4200 и 900-1400 мг кг-1
на фоновых участках до 1700-2100 и 680-700 мг кг-1 на загрязненной территории. Снижение интенсивности поглощения этих элементов елью может быть обусловлено обеднением ими верхнего кор-необитаемого слоя почв в результате селективного вытеснения катионами поллютантов, поступающих из атмосферы. Снижение концентраций кальция и магния в хвое может быть связано также с их выщелачиванием из кроны деревьев под действием кислотных осадков, что особенно вероятно для старой хвои, кутикула которой обычно повреждена в условиях атмосферного загрязнения [13].
Наряду с обеднением такими элементами-биофилами, как кальций и магний, с нарастанием загрязнения происходит обогащение хвои калием (рис. 1). Вероятно, это связано с сокращением срока жизни хвои ели от 5-6 лет в фоновых до 23 лет в загрязненных районах. Активное поглощение из почвы и реутилизация из более старых органов обусловливают повышенное содержание подвижных элементов в молодой хвое загрязненных районов. Несмотря на интенсивный опад растения, вероятно, еще сохраняют способность регулировать отток наиболее подвижных элементов из опадающей хвои в более молодую [3]. Накоплению калия в хвое может способствовать одновременное увеличение доступности этого элемента в почвах вследствие его вытеснения из поглощающего комплекса катионами поллютан-тов [1].
С приближением к источнику загрязнения заметно увеличивается содержание в хвое серы -основного компонента промышленных выбросов. Содержание серы в хвое ели, растущей на загрязненных территориях, в среднем вдвое превышает фоновое (рис. 1).
Рост атмосферного загрязнения сопровождается резким накоплением в хвое тяжелых металлов, входящих в состав выбросов, в первую очередь никеля и меди. По сравнению с фоновыми показателями, концентрации этих металлов в хвое елового редколесья возрастают соответственно в 50-60 и 20 раз (рис. 2). Аккумуляция никеля и меди в хвое обусловлена, очевидно, как увеличением содержания доступных соединений этих металлов в почве, так и поглощением непосредственно из атмосферы [1, 14]. Сходные закономерности изменения содержания никеля и меди в хвое по градиенту загрязнения вблизи локальных источников их выбросов были выявлены ранее [1-3, 6, 8, 9].
С ростом атмосферного загрязнения содержание свинца в хвое увеличивается в 13-17, а кадмия - в 4-7 раз (рис. 2, 3). В отличие от большинства тяжелых металлов концентрация цинка в хвое ели снижается с нарастанием загрязнения. Обеднение хвои ели цинком обусловлено, воз-
ад
10000 8000 6000 4000 2000 0
6000 5000 4000 3000 2000 1000 0
8000
£ 6000
4000
2000
0 1200 1000 800 600 400 200 0
10340
11
7 18 20 22 24 28 100 101 200
1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 800 700 600 500 400 300 200 100 - 0 ^ 1800 ^ 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0
60 50 40 30 20 10 0
И
пЛ
7 18 20 22 24 28 100 101 200
Расстояние, км □ 7 □ 2 П3 П4
Рис. 1. Изменения содержания макроэлементов в органах ели по градиенту загрязнения: а, < в, „ - ветви, д, е - кора, ж, з - древесина ствола; 1 - Са, 2 - Mg, 3 - К, 4 - 8.
- хвоя текущего года,
можно, антагонистическими взаимоотношениями между Бе и 2и, Сё и 2и, Си и 2и, отмеченными как в исследуемом [1-3], так и в других районах [19, 20].
Хвое ели свойственны выраженные возрастные изменения элементного состава, проявляющиеся как в фоновых, так и в техногенных условиях (рис. 4). Прежде всего следует отметить уменьшение возраста хвои с 5-6 лет на условно
фоновых территориях до 2-3 лет в непосредственной близости от комбината. Хвоя текущего года характеризуется преимущественным накоплением калия (5450-9820 мг кг-1) по сравнению с другими элементами. Как в фоновых, так и в техногенных условиях старение хвои сопровождается снижением содержания подвижных элементов питания (азота, калия, магния, фосфора) и увеличением содержания малопо
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.