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

После суммирования количества деревьев по категориям проведена оценка относительного жизненного состояния всего насаждения по следующей формуле:

где L_n - относительное жизненное состояние древостоя, рассчитанное по числу деревьев; п₁ - число здоровых деревьев на пробной площади; п₂, п3, п₄ - то же для ослабленных, сильно ослабленных и отмирающих деревьев соответственно; 100, 70, 40, 5 - коэффициенты, выражающие (в процентах) жизненное состояние здоровых, ослабленных, сильно ослабленных и отмирающих деревьев; N - общее число деревьев на пробной площади (включая сухостой).

При показателе от 100 до 80% древостой оценивался как «здоровый», 79-50% - «ослабленный», 49-20% - «сильно ослабленный», 19% и ниже - «полностью разрушенный».

Исследование насыщенности почвы поглощающими корнями проведено методом монолита [27]. Траншеи (почвенные разрезы) на пробных площадях заложены перпендикулярно направлению роста горизонтальных корней. В связи с тем, что расстояние между рядами деревьев составляло 1,7 м, а между деревьями в ряду 2,0 м, почвенные разрезы расположены на удалении 0,7 м от ствола. Все почвенные разрезы имели одинаковые размеры - 1x1 м. Глубина траншеи - 1 м. В каждой траншее заложено по 10 почвенных монолитов размером 10x10x10 см. Выборка корней при помощи пинцета с последующей отмывкой водой. Дробность фракций: менее 1 мм в диаметре (поглощающие корни), 1-3 мм (полускелетные корни), более 3 мм (скелетные корни). Масса поглощающих корней определена в воздушно-сухом состоянии на электронных лабораторных весах «ВЛТЭ-150» (Россия). Корненасыщенность почвы определена на единицу площади горизонтальной поверхности (г/м²).

Для изучения содержания металлов ежегодно в течение вегетационного сезона (июнь-август) проводили многократный повторный отбор проб хвои, ветвей и корней. Пробы отбирали после пятидневного сухого бездождевого периода. Образцы хвои и ветвей собирали из верхней, средней и нижней части кроны деревьев со стороны источника загрязнения. Далее из точечных проб одного дерева составлялась усредненная проба. Отмывку хвои и веток не проводили [28]. В лабораторных условиях растительные образцы высушивали до воздушно-сухого состояния. В дальнейшем пробы хвои, веток и корней тщательно измельчали в агатовых ступках и с помощью мельницы.

На тех же пробных площадях одновременно с растительными отбирали почвенные пробы с глубины 0-20 см. Вокруг одного дерева пробы отбирали в 5 повторностях - в точках, равноудаленных друг от друга, независимо от сторон света. Далее образцы объединяли путем квартования в одну усредненную пробу. В лабораторных условиях почвенные образцы высушивали до воздушно-сухого состояния, перетирали в фарфоровой ступке и просеивали через капроновое сито с размером ячеек 1 мм.

Пробоподготовка проведена с использованием мокрого озоления в концентрированной HNO3. Пробы анализировали на содержание Cd и Ni на атомно-абсорбционном спектрометре «ZEEnit-650» (Германия) [29]. В почвенных образцах определяли массовые концентрации валовых и подвижных форм металлов, извлекаемые ацетатно-аммонийным буфером с рН=4,8. Всего проанализировано 648 проб хвои, 648 проб ветвей, 600 проб корней и 360 проб почвы. Кроме того, в почвенных образцах определяли величину рН солевой вытяжки (KCl) потенциометрическим методом.

Статистическая обработка данных выполнена с помощью пакета программы Microsoft Office Excel. Данные представлены в виде средней арифметической ± стандартное отклонение (M ± SD). Оценка статистической значимости различий проведена согласно t-критерию Стьюдента. Различия считали статистически значимыми при p < 0,05.

Результаты исследования и обсуждение

Нарушение химического равновесия в окружающей среде, вызванное избыточным поступлением токсических веществ, со временем отражается на жизненном состоянии древостоев, приводя к их ослаблению и отмиранию. Однако на первых этапах могут проявляться признаки ускоренного старения лишь отдельных систем организма или отдельных экземпляров деревьев.

Таблица 3 [Table 3] Относительное жизненное состояние насаждений лиственницы Сукачева (Larix sukaczewii Dyl.) в условиях промышленного центра и в зоне условного контроля

[Relative vital state of Larix Sukaczewii Dyl. in the industrial center and in the area of conditional control]

Примечание. Ш1П - постоянная пробная площадь; ОЖС - относительное жизненное состояние; L_N - относительное жизненное состояние древостоя, рассчитанное по числу деревьев; № 1 - в условиях промышленного центра; № 2 - в зоне условного контроля.

Изучение относительного жизненного состояния насаждений лиственницы Сукачева показало, что на ППП № 1 растения более ослаблены по сравнению с контрольным участком. Внешние признаки угнетения деревьев выражались в уменьшении густоты кроны на 20-25%, увеличении количества мертвых ветвей до 25-30%, поражении ассимиляционного аппарата хлорозами и некрозами (в среднем на 15%). При этом распространение хлорозов и некрозов хвои у лиственницы Сукачева в условиях влияния промышленного центра происходило однотипно - от кончика к ее основанию. Вышеперечисленные факторы способствовали снижению устойчивости защитных лесных насаждений в промышленной зоне. Деревья, относящиеся к категории «ослабленные», составляли 55% древостоя, сухостой достигал 10%, к категории «здоровые» отнесены 30%. Соответственно, относительное жизненное состояние всего насаждения на ППП № 1 характеризовалось как «ослабленное» (L_N = 71,50%) (табл. 3). В то же время снижения класса бонитета не наблюдалось (см. табл. 1).

На удаленном от промышленных предприятий контрольном участке деревья имели лучше сформированную крону (средняя густота - 82%) и меньшее количество мертвых сучьев на стволе (в среднем 21%). Повреждение хвои хлорозами не превышало 11%. Общее число здоровых лиственниц на ППП № 2 составляло 75%, ослабленных - 20%, сухих - 5%. Показатель L_N, равный 86,20%, характеризовал древостой как «здоровый».

Результаты химического анализа почвенных образцов выявили различия между содержанием рассматриваемых металлов в зоне влияния Стерлитамакского промышленного центра и в зоне условного контроля (табл. 4). Так, на ППП № 1 концентрация валовой формы Cd статистически значимо (р < 0,01) выше, чем на ППП № 2, в 4 раза, а содержание валовой формы Ni статистически значимо выше в 5 раз (р < 0,05). Обобщение многолетних данных по содержанию подвижных (биологически доступных) форм анализируемых металлов показало, что на ППП № 1 средняя концентрация Cd составляет 0,58 мг/кг, что статистически значимо (р < 0,01) выше показателя контрольного участка в 6 раз. Среднее содержание Ni на ППП № 1, равное 9,40 мг/кг, статистически значимо (р < 0,05) выше показателя ППП № 2 в 3 раза.

Таблица 4 [Table 4]

Усредненные концентрации валовых и подвижных форм металлов в почвенном покрове под насаждениями лиственницы Сукачева (Larix sukaczewii Dyl.) [Averaged concentrations of gross and mobile forms of metals in the soil cover under the stands of Larix sukaczewii Dyl.] (M ± SD)

Примечание. НЛП - постоянная пробная площадь; № 1 - в условиях промышленного центра; № 2 - в зоне условного контроля; * р < 0,01; ** р < 0,05.

[Note. PTP - Permanent Trial Plot; № 1 - In the industrial center; № 2 - In the area of conditional control; *p < 0.01; ** p < 0.05].

Как известно, ТМ проникают в ткани древесных растений в основном через корневую систему при процессе поглощения, в меньшей степени выражено фолиарное поступление. Интенсивность процесса поглощения тяжелых металлов из почвенного покрова определяется целым рядом факторов - катионообменной способностью и гранулометрическим составом почвы, температурой, уровнем концентрации макро- и микроэлементов в среде, присутствием различных органических соединений и т.д. Однако главным фактором, контролирующим поглощение металлов, выступает pH почвы. Отмечается, что щелочная среда снижает подвижность ТМ, в то время как кислая, наоборот, повышает. Например, кадмий наиболее подвижен в кислых почвах в диапазоне 4,5-5,5 ед. рН [30]. Установлено, что значительное количество элементов, в том числе и Ni, иммобилизуется в почвенном покрове из-за ее защелачивания [16]. На территории г. Стерлитамак, где также наблюдается высокое содержание в выбросах оксида кальция, значение рН почвы под насаждениями лиственницы Сукачева варьировало в пределах 6,55-6,90 ед. В то же время показатели загрязненного и контрольного участков между собой статистически значимо не различались.

При изучении корненасыщенности почвенного покрова выявлено, что для зоны условного контроля характерно поверхностное распространение поглощающих корней (рис. 2). Согласно результатам количественного учета, основная их масса (55-60%) располагалась в верхнем 30-сантиметровом слое почвы. При этом максимальная масса поглощающих корней лиственницы Сукачева обнаруживалась на глубине от 10 до 20 см - 78,51±4,10 г/м². На глубине от 0 до 10 см показатель корненасыщенности составлял 61,33±3,09 г/м². В зоне влияния Стерлитамакского промышленного центра наблюдалась несколько иная картина - поглощающих корней в слоях почвы 0-10 и 10-20 см содержалось в 2-3 раза меньше. Так, у здоровых деревьев в верхнем слое почвенного покрова корненасыщенность составляла 26,42±1,52 г/м², на глубине 10-20 см - 49,34±2,50 г/м², а на глубине 20-30 см - 58,30±3,21 г/м². У ослабленных деревьев на ППП № 1 наблюдалась такая же закономерность, однако показатели корненасыщенности оказались ниже, чем у здоровых лиственниц. Минимальными значениями насыщенности почвы поглощающими корнями характеризовались более глубокие слои (от 50 до 100 см) как в зоне условного контроля, так на загрязненном участке.

Характер распространения корней в почве в определенной степени зависит от почвенного профиля, в том числе уровня залегания грунтовых вод. Так как условия произрастания на изученных ППП идентичные и различие заключалось лишь в уровне техногенного загрязнения, можно предположить, что снижение насыщенности почвы поглощающими корнями в зоне влияния Стерлитамакского промышленного центра связано с повышением концентрации ТМ в грунте. Длительное воздействие поллютантов в высоких концентрациях привело к существенной перестройке всасывающего аппарата корневой системы лиственницы Сукачева. Как отмечают I.V Seregin and A.D. Kozhevnikova [31], в связи с тем, что ТМ поступают в растения в основном через подземные органы, токсическое действие этих загрязнителей четко прослеживается по ингибированию роста и развития корневой системы. При проведении исследований с непродолжительным воздействием высоких концентраций кадмия на клональные проростки лиственницы подавления роста корня не наблюдалось [10].

Однако аналогичные опыты, но с более длительным временем воздействия кадмия привели к снижению массы как подземных, так и надземных органов лиственницы [11].

Распределение кадмия по фракциям корневой системы лиственницы Сукачева показано на рис. 3. Как видно, наиболее высокие концентрации металла обнаруживались в полускелетных и поглощающих корнях у здоровых деревьев ППП № 1 (4,73±0,24 и 4,52±0,18 мг/кг соответственно). В корневой системе ослабленных деревьев с ППП № 1 данный элемент содержался в меньших количествах - от 2,33±0,12 до 3,21±0,17 мг/кг. При этом имели место статистически значимые различия (p<0,05). На ППП № 2 кадмий также больше аккумулировался в полускелетных корнях (p<0,05), однако его содержание не превышало 1,80±0,08 мг/кг.

Рис. 2. Насыщенность почвы поглощающими корнями лиственницы Сукачева (Larix sukaczewii Dyl.) в условиях промышленного центра и в зоне условного контроля (M±SD)

[Fig. 2. Soil saturation with absorbing roots of Larix sukaczewii Dyl. in the industrial center and in the area of conditional control. On the X-axis -

The mass of absorbing roots, g / m²; on the Y-axis - Depth, cm (M±SD)]

тяжелый металл лиственница

Распределение никеля по фракциям корневой системы лиственницы несколько отличалось (рис. 4). Максимальная концентрация металла определялась в поглощающих корнях как у здоровых, так и у ослабленных деревьев - 98,45±14,60 и 65,30,52±7,81 мг/кг соответственно. При этом и в зоне условного контроля, и на загрязненной территории процесс перемещения никеля из поглощающих корней в проводящие корни выражен в меньшей степени, чем у кадмия.