Аккумуляция техногенных элементов лесной растительностью в условиях атмосферного загрязнения

АККУМУЛЯЦИЯ ТЕХНОГЕННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ЛЕСНОЙ РАСТИТЕЛЬНОСТЬЮ В УСЛОВИЯХ АТМОСФЕРНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ

Груммо Д.Г., Зеленкевич Н.А.

Features to accumulation of heavy metals in forest plants on conditions of aerotechnogenic environmental contamination are discussed at the article.

Первыми симптомами возможных патологических изменений в лесных сообществах являются избыточные концентрации загрязняющих веществ в почве и растительности. Одним из основных агентов техногенного загрязнения природных сред промышленных районов являются тяжелые металлы (ТМ) и их соединения, большинство из которых обладает сильными токсичными свойствами по отношению к растениям и здоровью человека. С учетом объемов их поступления в природную среду, токсичности и способности к накоплению в живых организмах наиболее серьезного внимания заслуживают 9 элементов: Cd, Pb, Zn, Cr, Co, Ni, Cu, V, Mn.

Аккумуляция указанных металлов в доминирующих лесных растениях исследовалась на 45 постоянных пробных площадях (ППП), размещенных в 25-км зоне вокруг Могилевского промрайона (рис. 1). Модельными фитоценозами были выбраны сосняки мшистые (10С, III класс возраста, лесные культуры, полнота 0,70,8, бонитет II, эдафотоп A2, южное направление) и ельники кисличные (8-10Е2СБ(б), III класс возраста, естественное происхождение, полнота 0,7-0,8; бонитет I-Г, эдафотоп С2, северо-восточное, восточное, юго-восточное, юго-западное и западное направления). Сбор материала производился в конце вегетационного периода (вторая половина августа) 2003 г. Валовое содержание элементов определялось методом эмиссионного спектрального анализа. При характеристике уровня загрязнения использовали коэффициент концентрации (KC), в основе которого лежит величина отношения содержания химических элементов в исследуемом объекте к условно-фоновому (базовому) значению. В качестве источника информации о базовом содержании использовались данные по концентрации ТМ в образцах, собранных на пробных площадях дальней зоны (10-25 км) тестового полигона в направлениях, противоположных господствующим ветрам (южный, юго-западный, западный румбы). Нижним порогом аномальности принята концентрация элементов, превышающая выбранный фоновый эталон в 1,5 раза; эта величина выбрана исходя из точности эмиссионного спектрального анализа [1]. Для интегральной оценки загрязнения тяжелыми металлами рассчитаны суммарные показатели загрязнения (ZC) по следующей формуле [2]:

Zc = D

i= 1

где n - число учитываемых аномальных элементов, KC - коэффициент их концентрации, рассчитанный по отношению к фону. Определение уровней загрязнения по значениям суммарного показателя ZC проводилось в соответствии с существующими нормативами [2].

Поскольку в результате исследований установлено доминирующее влияние техногенного фактора на характер поступления и уровень аккумуляции ТМ в лесной растительности региона, особенности накопления элементов в условиях варьирующих природных факторов, вследствие ограниченности объемов статьи не обсуждаются.

Результаты исследований показали, что наиболее интенсивно аккумуляция ТМ наблюдается в лесах, расположенных вблизи промышленных предприятий (в радиусе до 1-2 км). По направлениям преобладающих ветров протяженность области интенсивного загрязнения может достигать 3-7 км от эпицентра выбросов. Наиболее загрязненные лесные массивы расположены в южном и северо-восточном секторах тестового полигона (см. рис. 1). Происхождение первой аномалии связано с размещением у южной окраины промрайона крупных источников промышленных эмиссий, формирование северо -восточного очага связано с ветровым переносом загрязняющих веществ.

Содержание ТМ в почве и растениях в условиях техногенного загрязнения возрастает в 2-170 раз по сравнению с их контрольными значениями. В зоне влияния выбросов комбината «Химволокно» средняя концентрация металлов в хвое Pinus sylvestris L. составила (мг/кг воздушно -сухой массы): Cd - 0,22; Pb - 6,07; Zn - 25,26; Co - 0,87; Cr - 1,41; Ni - 1,94; V - 0,43. Эти значения достоверно выше 0фжт=2,31-4,26; t05=2,23) концентраций указанных элементов в образцах хвои, собранных на ППП дальней зоны, соответственно в 4,4; 3,2; 2,3; 4,4; 4,0; 4,6; 1,8 раза. Интенсивность накопления Mn, напротив, существенно уменьшается ^факт=3,14; t05=2,23). Установлено, что содержание Mn в хвое синхронно снижается с ухудшением жизненного состояния растения: под воздействием атмосферного загрязнения содержание элемента в хвое синхронно снижается с сокращением продолжительности жизни хвои при одновременно увеличении степени ее некро-тизации. В ближней зоне возрастает аккумуляция поллютантов в коре и ветвях Pinus sylvestris L. Составленные по средним значениям KC ассоциации ТМ с аномальным уровнем содержания (0,5< KC<1,5) имеют следующий вид: Co170-Pb103-Ni6.9-V65-Cu 5.4-Cr29-Mn 01 (ветви); Co219-Ni6.5-V5.5-Cd4.6-Cr3.0-Cu2.0-Pb16 (кора). Среди всех фракций надземной фитомассы Pinus sylvestris L. минимальные концентрации элементов-загрязнителей обнаружены в древесине ствола. По мере удаления от комбината достоверного изменения (P=0,95) ТМ в древесине не выявлено.

В техногенной среде усиливается аккумуляция поллютантов в структурных компонентах древостоев Picea abies

При усреднении всех данных, полученных на загрязненной территории, выявлена тенденция обогащения ТМ растений подлеска и травяно -кустарнич-кого яруса исследованных лесных сообществ: Co6.0-Zn2.9-Cd2.8-V2.3-Ni2.0-Cu18-(Pb,Cr)17 (Sorbus aucuparia L., листья); Co118-Cd43-V23-(Zn, Cr)21-Pb2 0-Ni18 (Rubus idaeus L., надземная часть); Ni52-Zn43-Cu40-Cr30-V29 (Rubus saxatilis L., надземная часть); Co18 4-V3 5-Pb2 4-Zn2 0 (Oxalis acetosella L., надземная часть);

1 - городская застройка; 2 - промышленная зона; 3 - источник выбросов; 4 - постоянная пробная площадь

Ассоциации элементов с ^С>1,5 в контуре аномалии

Рисунок 1- Ореолы рассеяния ТМ в зеленых мхах (А) и подстилке (Б) лесных фитоценозов тестового полигона

Сo766-V61-Ni388-Cr30 (Majanthemum bifolium L., надземная часть); Ni71-V38-Cu30-Zn21-Pb16 (Vaccinium vitis-idaea L., надземная часть); Сo63-Ni37^-(Cd, V)2.3-Cr2.i-Co2.0 (Vaccinium myrtillus L., надземная часть).

В зоне рассеяния техногенных эмиссий хорошо просматривается заметная аккумуляция поллютантов в грибах. По сравнению с фоновыми условиями в плодовых телах Russula sp. достоверно увеличивается ^^=3,45; t05=2,10) содержание Co в 8 раз, Pb, Cr, Ni ^фжт=2,23-4,50; t05=2,10) - в 2-3 раза. Одновременно снижается ^фжт=3,01; t05=2,10) концентрация Mn (КС=0,3). В отдельных случаях отмечается значительное увеличение содержания V- до 170 раз, Zn и Cu - до 5-7 раз. Накопление некоторых токсичных ингредиентов наблюдается в плодовых телах Suillus variegates (Fr.) Kuntze (V3 7-Co21-Ni20) и Lactarius turpis Fr. (V2 0-Zn 17).

Большие возможности в аккумуляции ТМ демонстрируют растения с атмосферной стратегией питания (лишайники, зеленые мхи). Например, сопоставление химического состава эпифитного лишайника Hypogymnia physodes (L.) Nyl. условно-фоновых районов и подверженных воздействию промышленного загрязнения

показывает, что эти организмы заметно (/фЖТ=2,37-4,54; t05=2,07) обогащаются поллютантами (Co19.8-Niii.5-V9.i-Cd3.3-Cr2.4-Pb2.4-Cu2.3-Zn2.1) и одновременно обедняются Mn (КС=0,7). Максимальные уровни аккумуляции ТМ в слоевище лишайника обнаружены на пробных площадях в зоне влияния выбросов ТЭЦ-2 (Ni810-Co742-V49.5-Cd99-Cr93-Cu62-Pb41-Zn38) и «Химволокно» (Co173-Cd5.6-V5.2-(Ni, Cr) 4.2-(Pb, Cu )3.5-Zn 20). Сравнение концентраций ТМ в образцах лишайника, собранных на территории района исследования в 1959 (гербарные образцы) и 2002 гг., показало значительное увеличение содержания большинства определявшихся элементов: Pb, Zn - в 1,7-1,9 раз, Cu, Cr - в 2,3-2,5 раз, Cd, V- в 4,6-5 раз, Ni - в 6,3 раза, Co - в 9,4 раза.

Установлено заметное усиление аккумуляции элементов -загрязнителей в зеленых мхах (Pleurozium Schreberi (Willd.) Mitt. и Dicranum polysetum Sw.) при приближении к источникам выбросов (см. рис. 1). В техногенной среде концентрация Ni ^фжт=2,20; t05=2,07) превышает фоновые значения в 10 раз, Cd ^фжт=2,64; t05=2,07) - в 4 раза, Pb, Zn, Cr, Co ^фжт=2,19-2,70; t05=2,07) - в 2-3,5 раза. Наиболее высокие уровни обогащения ТМ зеленых мхов выявлены в сосновых сообществах, подверженных воздействию выбросов ТЭЦ-2 (Ni49.8-V18.5-Co13.3-Cd72-Pb50-Cu2.7-Cr21-Zn19) и «Химволокно» (Ni114-Pb 10.8-Cd82-Co79-Zn 7.6-V65-Cu56-Cr36).

Под воздействием промышленного загрязнения происходит существенная аккумуляция ТМ в лесной подстилке (До). В ближней зоне концентрация Ni в слое свежего опада (AL) достоверно ^фжт=2,52; t05=2,07) в 12-15 раз, Cd и V (W=2,36-2,84; t05=2,07) - в 6,5-7 раз, Cu, Pb, Cr ^факт=2,26-3,50; t05=2,07) - в 33,5 раза превышает их контрольные значения. Наиболее высокие концентрации поллютантов выявлены в образцах A0L, собранных на пробных площадях, размещенных вдоль южного и юго -восточного градиентов (см. рис. 1б). Уровень обогащения ТМ нижних подгоризонтов подстилки Д0 (F+H) можно выразить следующим образом: Co9.6-Cd8.6-Ni4.1-V31-Pb 16.

Литература

1. Методические рекомендации по проведению полевых и лабораторных исследований почв и растений при контроле загрязнения окружающей среды металлами.- М.: Гидрометеоиз-дат, 1981.- 108 с.

2. Савченко В.В., Натаров В.М. Рекомендации по организации и ведению геохимических наблюдений на стационарах комплексного экологического мониторинга фонового ранга / Под ред. А.И. Лучкова.- Минск: СП «ТопПРИНТ, Лтд», 1999.- 131 с.