Features of Cd and Ni accumulation by Larix sukaczewii Dyl. under technogenesis.pdf 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]. Особенности накопления Cd и Ni лиственницей Сукачева 143 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 N° 1 размером 20*50 м -в 1-2 км от источников нефтехимического и химического загрязнения Стер-литамакского промышленного центра (рис. 1). Общая длина санитарно-за-144 щитного 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; Ш - 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; HH - 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 насекомы- РХ. Гиниятуллин, З.Б. Бактыбаева 145 ми (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) Состав [Stand composition] Класс возраста [Age class] Диаметр, см [Diameter, cm] Высота, м [Height, m] Класс бонитета [Quality class] В условиях промышленного центра [In the industrial center] 10Ls iii 17,60±0,4 20,90±0,6 i В зоне условного контроля [In the area of conditional control] 10Ls iii 20,80±0,8 23,10±1,0 i 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)] Категория дерева [Category] Диагностические признаки [Diagnostic features] Густота кроны [Crown density], % Наличие мертвых сучьев [Dry branches], % Степень повреждения листьев [Leaf damage degree], % Здоровое [Healthy] 86-100 0-15 0-10 Ослабленное [Weakened] 56-85 16-45 11-45 Сильно ослабленное [Strongly weakened] 21-55 46-70 46-65 Отмирающее [Dying] 1-20 71-99 71-100 Сухое [Dead] 0 100 Нет листьев [No leaves] После суммирования количества деревьев по категориям проведена оценка относительного жизненного состояния всего насаждения по следующей формуле: Т 100 • n + 70 • n2 + 40 • n3 + 5 • n4 N= N ’ где Ln - относительное жизненное состояние древостоя, рассчитанное по числу деревьев; п1 - число здоровых деревьев на пробной площади; n2, 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». РХ. Гиниятуллин, З.Б. Бактыбаева 146 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 1-критерию Стьюдента. Различия считали статистически значимыми при p < 0,05. Особенности накопления Cd и Ni лиственницей Сукачева 147 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] ППП [PTP] Количество деревьев по категориям на ППП, шт. [Number of trees by category at the PTP, pcs.] ОЖС насаждения [RVS of plantations] Всего [Total] Здоро вые [Healthy] Осла бленные [Weakened] Сильно осла бленные [Strongly weakened] Отмира ющие [Dying] Сухие [Dead] Ln % Категория [Category] № 1 20 6 11 1 0 2 71,50 Осла бленное [Weakened] № 2 20 15 4 0 0 1 86,20 Здоровое [Healthy] - постоянная пробная площадь; ОЖС - относительное жизненное состояние; LN - относительное жизненное состояние древостоя, рассчитанное по числу деревьев; № 1 - в условиях промышленного центра; № 2 - в зоне условного контроля. [Note. PTP - Permanent Trial Plot; RVS - Relative Vital State; LN - Relative vital state of the stand, calculated by the number of trees; 1 - In the industrial center; 2 - In the area of conditional control]. 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» (LN = 71,50%) (табл. 3). В то же время снижения класса бонитета не наблюдалось (см. табл. 1). РХ. Гиниятуллин, З.Б. Бактыбаева 148 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 LN, равный 86,20%, характеризовал древостой как «здоровый». Результаты химического анализа почвенных образцов выявили различия между содержанием рассматриваемых металлов в зоне влияния Стерли-тамакского 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) ППП [PTP] Валовая форма, мг/кг [Gross form, mg / kg] Подвижная форма, мг/кг [Mobile form, mg / kg] Cd Ni Cd Ni № 1 5,04±0,32 108,07±7,40 0,58±0,04 9,40±0,59 № 2 1,22±0,07* 23,50±2,14** 0,10±0,01* 3,61±0,31** Примечание. ППП - 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 значитель- Особенности накопления Cd и Ni лиственницей Сукачева 149 ное 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 ме- РХ. Гиниятуллин, З.Б. Бактыбаева 150 талла 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

Скачать электронную версию публикации