Статья: Особенности накопления Cd и Ni лиственницей Сукачева (Larix sukaczewii Dyl.) в условиях техногенеза

Уфимский Институт биологии - обособленное структурное подразделение Уфимского федерального исследовательского центра РАН

Уфимский научно-исследовательский институт медицины труда и экологии человека

Особенности накопления Cd и Ni лиственницей Сукачева (Larix sukaczewii Dyl.) в условиях техногенеза

Р.Х. Гиниятуллин, З.Б. Бактыбаева

Изучены особенности накопления и распределения тяжелых металлов (кадмия и никеля) в надземных и подземных органах лиственницы Сукачева (Larix sukaczewiiDyl.) в условиях Стерлитамакского промышленного центра. Проведена сравнительная оценка относительного жизненного состояния санитарнозащитных лиственничных лесонасаждений, расположенных в непосредственной близости от промышленной зоны города и в зоне условного контроля. Выявлено, что повышение концентрации металлов в почве приводит к увеличению их содержания в хвое, ветвях и корневой системе деревьев. В подземной части никель в основном аккумулируется поглощающими корнями, кадмий - поглощающими и полускелетными. В надземной части концентрация металлов в ветвях выше, чем в хвое. В то же время у здоровых деревьев сохранена барьерная функция корневой системы, препятствующая избыточному поступлению поллютантов в надземные органы, у ослабленных деревьев барьерная функция снижена. Изучение корненасыщенности почвенного покрова показало, что в зоне условного контроля на глубине 0-20 см масса поглощающих корней достигает 78,51±4,10 г/м². В зоне влияния Стерлитамакского промышленного центра с повышением уровня тяжелых металлов в грунте происходит снижение доли поглощающих корней: у здоровых деревьев в 2 раза, у ослабленных - в 2-3 раза. На загрязненном участке наблюдаются внешние признаки угнетения деревьев: уменьшение густоты кроны на 20-25%, увеличение количества мертвых ветвей до 25-30%, поражение ассимиляционного аппарата хлорозами и некрозами до 15%. Деревья, относящиеся к категории «ослабленные», составляют 55% древостоя, а сухостой достигает 10%.

Ключевые слова: тяжелые металлы; санитарно-защитные лесонасаждения; относительное жизненное состояние древостоя; корненасыщенность почвы; Стерлитамакский промышленный центр; Предуралье.

Rafak Kh. Giniyatullin, Zulfiya B. Baktybaeva

Ufa Institute of Biology, Ufa Federal Research Centre of the Russian Academy of Sciences, Ufa, Russian Federation

Ufa Research Institute of Occupational Health and Human Ecology, Ufa, Russian Federation

Features of Cd and Ni accumulation by Larix sukaczewii Dyl. under technogenesis

In industrially developed cities, sanitary-protective afforestation promotes the deposition of aeropollutants, as well as the absorption of toxicants from the soil. However, performing a function of a phytofilter for a long time negatively affects the vitality of the trees themselves. Among numerous pollutants of technogenic origin, the most toxic for living organisms, including plants, are heavy metals. Studying the absorption capacity of different species of woody plants and their reaction to increased concentrations of toxicants allows us to predict the stability of protective forest stands and design forestry measures. One of the species, widely used in creating sanitary protection zones in the Republic of Bashkortostan, is Larix sukaczewii Dyl., characterized by its resistance to extreme environmental factors. The adaptive abilities of this species to an increased content of heavy metals remain poorly studied. The aim of this study is to identify the features of the accumulation and distribution of heavy metals (Cd and Ni) by Larix sukaczewii and assess the relative living condition of the stand in Sterlitamak industrial center.

We conducted studies in 2007-2018 in the city of Sterlitamak (53°38'00"N, 55°57'00"E), a major center of the chemical and oil refining industry of the Russian Federation. The establishment and description of trial plots was carried out according to generally accepted methods [Andreeva EN et al., 2002; Forest ecology..., 2007]. Permanent trial plot No. 1 measuring 20x50 m was located 1-2 km from sources of petrochemical and chemical pollution (See Fig. 1). Permanent trial plot No. 2 measuring 18x50 m was located in the area of conditional control (25-30 km from pollution sources). Trial areas were laid in coeval (about 55 years) and clean tree stands (See Table 1). The category of the vital state of an individual tree was determined by the auxiliary table (See Table 2). After summing up the number of trees by categories, we assessed the relative living conditions of the entire stand [Alekseev VA, 1990]. At a rate of 100% to 80%, the stand was assessed as “healthy”, at 79-50% as “weakened”, at 49-20% as “strongly weakened”, and at 19% and below as “completely destroyed”. The study of the soil saturation with absorbing roots was carried out by the method of soil sections 1x1x1 m in size [Root Methods, 2000]. The roots were sorted by fractions: less than 1 mm in diameter (absorbing roots), 1-3 mm (half-skeletal roots), and more than 3 mm (skeletal roots). We determined the weight of the roots in the air-dry state. To study the metal content, annually during the growing season, we performed repeated re-selection of needles, branches and roots. At the same time, we took soil samples from the depth of 0-20 cm. The samples were dried to an air-dry state and analyzed on a “ZEEnit-650” atomic absorption spectrometer (Germany) [Hill SJ, Fisher AS, 2017]. In soil samples, we determined gross and mobile forms of metals. Data are presented as arithmetic mean ± standard deviation (M ± SD). Differences were considered statistically significant atp < 0.05.

We found that at the permanent trial plot No. 1, the trees are more weakened in comparison to the conditional control. External signs of oppression were expressed in a crown density decrease to 75-80%, an increase in the number of dead branches to 25-30%, and damage to the assimilation apparatus by chlorosis and necrosis (on average by 15%). Trees classified as “weakened” accounted for 55% of the stand, and deadwood reached 10%. The relative vital condition of the entire stand was characterized as “weakened” (See Table 3). In the area of conditional control, the forest stand corresponded to the “healthy” category. Moreover, the trees had a better formed crown (average density is 82%) and fewer dead branches on the trunk (21% on average). Needles damage by chlorosis was not more than 11%. The results of chemical analysis of soil samples revealed statistically significant differences (p < 0.05) between the content of the metals in the zone of influence of the industrial center of Sterlitamak and in the area of conditional control (See Table 4). Higher concentrations of cadmium and nickel were found at the permanent trial plot No. 1. The leached chernozem prevailed in the soil cover. The pH of the soil according to many years of research ranged from 6.55-6.90 units. The bulk of the absorbing larch roots was located at a depth of 0-30 cm (See Fig. 2). Moreover, in the control area, the root saturation of the soil reached 78.51 ± 4.10 g / m². In the influence zone of Sterlitamak industrial center, we observed a decrease in the proportion of absorbing roots: in healthy trees 2 times and in weakened trees 2-3 times. Perhaps, this is due to higher concentrations of metals in the surface of soil layer at a permanent trial plot No. 1, which led to a significant restructuring of the larch suction root apparatus. Chemical analysis of plant samples showed that in the contaminated area the content of cadmium in needles and branches is statistically significantly (p < 0.05) higher by 5-6 times and that of nickel by 3-4 times. In underground organs, the content of elements in comparison to the conditional control increased 2.5-4 times (p < 0.05). Besides, in the underground part, nickel is mainly accumulated in absorbing roots, and cadmium in absorbing and semi-skeletal ones (See Fig. 3 and 4). The movement of nickel from absorbing roots to conductive roots is less expressed than cadmium. In the aerial part of trees, the metal content in the branches is higher than in the needles (See Fig. 5 and 6). At the same time, in healthy trees, the barrier function of the root system is preserved, which prevents the excess intake of pollutants in the aboveground organs. Despite the fact that the relative vital condition of the stand at the contaminated site is characterized as “weakened”, there is no decrease in the quality class. It is not required to carry out operational forestry activities in the sanitary-protective larch plantations. Timely sanitary felling and further monitoring are recommended.

Key words: heavy metals; sanitary-protective afforestation; relative living state of the stand; root saturation of the soil; Sterlitamak industrial center; Cis-Urals.

Введение

Среди загрязнителей промышленно развитых территорий особую опасность представляют тяжелые металлы (ТМ), так как в отличие от органических веществ они не подвергаются процессам разложения и легко переходят из одной среды в другую [1]. В составе выбросов ТМ способны рассеиваться на десятки километров и затем оседать, загрязняя почвенный покров. Дальнейшая миграция и перераспределение поллютантов в компонентах экосистем зависят от многих природных факторов, а также от интенсивности техногенеза. С повышением концентрации тяжелые металлы становятся токсичными для живых организмов [2, 3].

Одним из эффективных способов оздоровления окружающей среды загрязненных территорий является создание санитарно-защитных лесонасаждений, которые способствуют осаждению аэрополлютантов, а также поглощению токсикантов из почвы. Однако выполнение в течение длительного времени функции фитофильтра негативно сказывается на жизненном состоянии самих деревьев, вследствие чего могут наблюдаться такие явления, как замедление их роста и развития, преждевременное частичное усыхание, а также общее ослабление всего древостоя [4-7]. Результаты исследований по изучению поглотительной способности разных видов древесных растений и их реакции на действие ТМ позволяют выявлять перспективные виды-фиторемедиаторы [8-12], а также прогнозировать устойчивость лесных насаждений и проектировать лесохозяйственные мероприятия [13-16].

На территории Республики Башкортостан во второй половине XX столетия при формировании санитарно-защитных зон вокруг городов широко применялась лиственница Сукачева (Larix sukaczewii Dyl.) [17, 18]. Популярность данного представителя семейства Pinaceae Lindl. связана с такими характеристиками, как быстрый рост и морозоустойчивость. В то же время адаптационные возможности вида к повышенному содержанию ТМ в окружающей среде остаются малоизученными. Недостаточно сведений и по аккумуляции металлов в различных органах лиственницы Сукачева.

Цель данного исследования - выявить особенности накопления и распределения тяжелых металлов (Cd и Ni) лиственницей Сукачева и оценить относительное жизненное состояние древостоя в условиях Стерлитамакского промышленного центра.

Материалы и методики исследования

Район исследования расположен на стыке Предбельского лесостепного и Предуральского степного района. Средняя годовая температура воздуха составляет 3,2 °С, среднее годовое количество осадков - 498,9 мм. Преимущественное направление ветра - южное (35%). Почвообразующими породами служат делювиальные и аллювиально-делювиальные отложения. В почвенном покрове преобладают черноземы типичные и выщелоченные [19, 20].

Город Стерлитамак (53°38'00"N, 55°57'00''E) характеризуется относительно высокой техногенной нагрузкой, свойственной территориям с развитой химической и нефтеперерабатывающей промышленностью. Крупные производственные объекты сосредоточены в северной части города. На сегодняшний день загрязнение атмосферного воздуха и почвенного покрова в Стерлитамаке, в первую очередь, связано с работой таких предприятий, как «Башкирская содовая компания», «Синтез-Каучук», «Стерлитамакский нефтехимический завод», «ХайдельбергЦементРус». Кроме того, вклад в загрязнение компонентов окружающей среды вносят предприятия машиностроения, электроэнергетики и автотранспорта. За последние 20 лет общий объем валовых выбросов по городу варьировал в пределах 54-119 тыс. тон в год. При этом наиболее высокие показатели (более 100 тыс. т в год) приходились на 2000 г. и период с 2006 по 2011 г. Начиная с 2012 г. наблюдается постепенное снижение объема валовых выбросов. Несмотря на это, плотность выбросов загрязняющих веществ от стационарных и передвижных источников на территории Стерлитамака остается самой высокой среди городов республики и в 2018 г. составила 5,63 т в расчете на 1 га. Количество твердых загрязняющих веществ, выброшенных в атмосферу, составило 1,88 тыс. т/год [21]. Специфика производственных процессов обусловливает высокое содержание в выбросах оксида кальция (до 0,56 тыс. т/год) и неорганической пыли (до 0,50 тыс. т/год). Периодически регистрируются превышения предельно допустимых концентраций в 3-4 раза по бенз(а)пирену, формальдегиду, этилбензолу, аммиаку, сероводороду, ксилолам, взвешенным веществам; в 2-3 раза - по хлориду водорода, оксиду углерода, оксиду азота, диоксиду азота, диоксиду серы, фенолу. Как известно, в результате функционирования предприятий нефтехимической отрасли в воздушный бассейн поступает более 200 специфических поллютантов, среди которых особо опасными считаются канцерогены. К их числу относятся в том числе кадмий и никель [22]. Согласно санитарно-гигиеническому мониторингу, многолетние показатели концентрации никеля в атмосферном воздухе г. Стерлитамак находятся в пределах нормы. Кадмий не входит в перечень определяемых загрязнителей. В почвенном покрове на территории города валовые формы никеля, кадмия, свинца, меди и цинка превышают фоновые концентрации в 1,2-2,5 раза [23].

Санитарно-защитные полосы с участием лиственницы Сукачева расположены в северной и южной части города. При создании лиственничных культур использован однородный в генетическом отношении посадочный материал из питомника. Исследования проведены в 2007-2018 гг. на двух постоянных пробных площадях (ППП). Закладка и описание пробных площадей выполнены по общепринятым методикам [24, 25]. ППП заложены на однородных по почвенно-эдафическим условиям участках в одновозрастных (около 55 лет) и чистых по составу древостоях. ППП № 1 размером 20/50 м - в 1-2 км от источников нефтехимического и химического загрязнения Стерлитамакского промышленного центра (рис. 1). Общая длина санитарно-защитного лиственничного лесонасаждения - 500 м, ширина - 30 м. ППП № 2 размером 18^50 м - в зоне условного контроля (25 км от промышленной зоны). Общая длина данного санитарно-защитного лесонасаждения - 800 м, ширина - 30 м. Уровень залегания грунтовых вод на исследуемых участках - высокий (1,2 м) [19].

Рис. 1. Местоположение постоянных пробных площадей на территории г. Стерлитамак.

Условные обозначения: 1 - постоянная пробная площадь в условиях промышленного центра; 2 - постоянная пробная площадь в зоне условного контроля; - промышленная зона

[Fig. 1. Location of permanent trial plots in the city of Sterlitamak.

Legend: 1 - Permanent trial plot in the industrial center; 2 - Permanent trial plot in the area of conditional control; 'Si - Industrial zone]

Для определения лесотаксационных параметров лиственничных насаждений применен метод сплошных перечетов на ППП. В течение 12 лет в эксперименте задействовали по 110 модельных экземпляров на участок. У каждой лиственницы измеряли высоту с помощью высотомера «Haglof Electronic Clinometer» (Швеция), а также диаметр ствола на высоте 1,3 м. Средний диаметр элемента леса определяли через среднюю площадь сечения: сумма площадей сечений модельных экземпляров поделена на их общее количество. Средняя высота древостоя установлена по графику высот для среднего диаметра. График высот построен на основании замеров у 20 деревьев. Краткая таксационная характеристика изученных насаждений представлена в табл. 1.

Относительное жизненное состояние деревьев определяли по методике В.А. Алексеева [26], согласно которой проведена визуальная оценка таких диагностических признаков как густота кроны (в % от нормальной густоты), наличие на стволе мертвых сучьев (в % от общего количества сучьев на стволе), степень повреждения хвои токсикантами, патогенами и насекомыми (средняя площадь в % от площади хвои). Категория жизненного состояния отдельного дерева определена по вспомогательной таблице (табл. 2).

Таблица 1 [Table 1]

Краткая таксационная характеристика насаждений лиственницы Сукачева (Larix sukaczewii Dyl.) в условиях промышленного центра и в зоне условного контроля [Brief taxation characteristics of Larix sukaczewii Dyl. Plantations in the industrial center and in the area of conditional control] (M±SD)

Примечание [Note]: Ls - Larix sukaczewii

Таблица 2 [Table 2]

Вспомогательная таблица для определения категорий деревьев (Алексеев, 1990) [Auxiliary table for determining categories of trees (Alekseev, 1990)]