Изменения параметров сосновых экосистем подмосковной Мещеры под воздействием цинка (модельный эксперимент)

ИЗМЕНЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ СОСНОВЫХ ЭКОСИСТЕМ ПОДМОСКОВНОЙ МЕЩЕРЫ ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ ЦИНКА

Т.В. РЫКОВА, младший науч. сотр. отдела экологии леса ВНИИЛМ

Техногенное химическое загрязнение является одним из наиболее масштабных и серьезных по глубине возможных последствий антропогенных факторов, которые оказывают ощутимое воздействие на состояние, видовое разнообразие и продуктивность природных экосистем. Среди химического воздействия особо выделяется загрязнение природной среды выбросами промышленных предприятий и транспорта, регистрируемое во многих странах мира. По разным оценкам, техногенные выбросы веществ в атмосферу достигают 1-4 млрд т в год [1].

Промышленные выбросы способны существенно изменять естественный облик лесных экосистем, часто формируя выраженные очаги поражения лесов вокруг источников загрязнения. Такие очаги включают лесную территорию, в пределах которой визуальное состояние насаждений отличается от здоровых, имеющих аналогичный возраст и произрастающих в идентичных условиях за пределами техногенного воздействия. В зависимости от результирующего эффекта взаимодействия разных факторов территория очага может дифференцироваться на зоны, объединяю-

щие лесные массивы с близкой степенью поражения. Размеры таких очагов, динамика их развития и характер поражения насаждений обусловливаются, с одной стороны, объемом и режимом выбросов, с другой - спецификой. Поэтому эффективная система мероприятий, направленных на сохранение и восстановление лесов, должна базироваться на оптимальном сочетании уровня воздействия загрязнителей и всего цикла выращивания насаждений. Но поскольку толерантностью сообществ как биологических систем можно управлять только в определенных интервалах техногенной нагрузки и сдвига их фактического состояния от нормы, то главным в системе лесоох-ранных мер является нормирование степени внешнего воздействия (в данном случае загрязнения среды). Это особенно важно для очагов с высокой долей погибших и деградирующих фитоценозов, в которых токсикологическая роль загрязнителей особенно ощутима.

Для упорядочения и развития системы экологического нормирования Госкомэкологией России в 1999 г. была принята «Концепция экологического нормирования в Российской Федерации».

12

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 6/2006

Применительно к лесным экосистемам целью экологического нормирования, в нашем понимании, является количественное определение допустимых объемов, поступающих в лесные экосистемы загрязняющих веществ, которые не приводят к нарушению естественного их состояния и потере устойчивости к воздействию других факторов.

Для решения вопросов по нормированию тяжелых металлов для лесных почв с учетом состояния лесов в середине 90-х гг. во ВНИИЛМ начались экспериментальные работы по изучению фитотоксичности меди, цинка, никеля, свинца, кобальта и кадмия для хвойных пород. Исследования проводились в лабораторно-тепличных условиях на примере дерново-подзолистой сред-несуглинистой почвы, в которую высаживались 4-5-летние саженцы сосны и ели [2, 3]. Отрицательное воздействие металлов на древесные растения оценивалось по изменению показателей роста (прирост побегов, размер хвои, изменение биомассы растений) и нарушению некоторых биохимических процессов (содержание хлорофилла, накопление металлов в органах растения, активность ферментов).

Установлено, что избыток загрязнителей в почве модельных опытов (250 мг/кг почвы и более) существенно подавляет рост и развитие саженцев, вызывает расстройства физиологически важных функций в растительном организме. Фитоток-сичность металлов для саженцев хвойных пород возрастала в следующем порядке: свинец < цинк < медь. На основании исследований по изучению влияния различных доз соединений металлов на биометрические характеристики и химический состав древесных растений установлены предельно допустимые концентрации этих токсикантов в дерново-подзолистых почвах, при которых продуктивность саженцев не снижается более, чем на 10 % (табл. 1). Из данных табл. 1 видно, что полученные ПДК для древесных растений в несколько раз выше, чем существующие санитарно-гигиенические нормативы (например, по меди -в 26 раз, по цинку - в 4 раза, по свинцу - в 3 раза).

В дальнейшем программа исследований фитотоксичности тяжелых металлов была продолжена испытаниями влияния загрязнителей при почвенном внесении в сосновые экосистемы различного возраста. Судя по литературным данным, токсическое действие загрязнителей в лесных экосистемах в полевых условиях не изучалось.

Т а б л и ц а 1

Предварительные нормативы ПДК тяжелых металлов для дерново-подзолистых окультуренных почв

№ п/п Химический элемент ПДК, мг/кг

1 Кадмий 30

2 Кобальт 80

3 Никель 90

4 Медь 50-80

5 Свинец 80-100

6 Цинк 80-100

Целью наших исследований явилось изучение параметров сосновых экосистем для диагностики их состояния под влиянием загрязнителей.

Объекты и методика исследований

Работы по оценке влияния цинка на насаждения сосны разного возраста проводились на постоянных пробных площадях Воскресенского стационара (Московская обл.). Из группы тяжелых металлов был выбран цинк как высокоподвижный биофильный и технофильный элемент широкого диапазона действия на живые организмы [4, 5], что и делает актуальным изучение его поведения в лесных экосистемах. Обзор литературы показал, что единое мнение относительно нормального содержания цинка в растениях отсутствует [6, 7].

Экспериментальные работы по изучению фитотоксичности соли азотнокислого цинка 2п (N0^ были начаты в 1999 г.

Соль цинка вносилась (1999) в 15-летние культуры сосны в дозах: 23 мг/кг (ПДК); 100; 300; 500; 750; 1000 мг/кг почвы.

В 55-летние культуры сосны цинк вносился (август 2000 г.) в дозах: 23 мг/кг (ПДК); 100; 500; 1000; 2000 мг/кг. На участках площадью 35-50 м2 - в однократной повторности.

В спелых древостоях сосны (120 лет) цинк вносился на участках площадью от 40 до 110 м2 в дозах: 23 мг/кг; 500; 750; 1000; 2000; 3000 мг/кг.

Все насаждения сосны на опытных участках характеризуются типом леса сосняк-зелено-мошник - почвы подзолистые, мелкодерновые поверхностно-подзолистые псевдофибровые на слоистом рыхлом тонкозернистом водно-ледниковом песке.

При расположении вариантов внесения цинка в различных дозах применялся метод рен-домизации.

Для обнаружения реакций сосновых экосистем на техногенное загрязнение использовали следующие параметры:

- древостой (индекс состояния, величину отпада, прирост по высоте в молодняках сосны, радиальный прирост, степень пожелтения хвои, биометрические показатели хвои);

- напочвенный покров (видовой состав, степень проективного покрытия);

- возобновление сосной и другими породами количества и качества самосева и подроста.

Состояние древостоев оценивалось на постоянных пробных площадях по учетным деревьям 1-Ш классов Крафта, по интегральному показателю - индексом состояния.

При изучении видового состава и проективного покрытия напочвенного покрова ценозов на участках с внесением различных доз цинка закладывали по диагонали каждого участка 5 учетных площадок размером 1 х 1 м, проводили учет видов травяного и мохового покровов, отмечали их состояние, фазы развития. По результатам исследований формировали гербарий. Состояние возобновления сосны определялось на опытных площадках по вариантам и повторностям при внесении в почву соли азотнокислого цинка.

Соль азотнокислого цинка вносили вручную, разбрасывая по поверхности почвы. Дозу рассчитывали на пахотный слой почвы глубиной 20 см в зависимости от возраста насаждения. На объектах 1-2 раза за вегетационный сезон отбирали пробы почвы в 5-кратной повторности по слоям (0-5; 5-10; 10-20; 20-40 и 40-60 см) для изучения перераспределения цинка по профилю почвы.

В средневозрастных насаждениях на участках с разными дозами внесенного цинка в почву на глубину 40 см устанавливали лизиметры конструкции Шиловой, что позволило оценить миграцию цинка с почвенными водами.

Отбор воды из лизиметров проводился 1 раз в год после схода снегового покрова.

Ежегодно проводилась оценка древостоев сосны по методике ВНИИЛМ [8] с учетом возрастных особенностей насаждений в конце вегетационного периода (сентябрь-октябрь). Состояние молодняков характеризовалось:

- формой кроны;

- продолжительностью жизни хвои (лет);

- степенью охвоения побегов (2-4 года).

Состояние приспевающих и спелых насаждений характеризовалось:

- формой кроны;

- размерами и охвоением побегов;

- размерами и пожелтением хвои.

С верхней части кроны деревьев молодня-ков (3-4 мутовки, побеги второго порядка) отобра-лись образцы хвои для оценки ее биометрических показателей и проведения химических анализов.

Содержание подвижной формы цинка в почвенных и растительных образцах определялось на атомно-абсорбционном спектрометре «КВАНТ-2.ЭТА».

Пробоподготовка и анализ образцов велись по Методическим указаниям ЦИНАО [9]. Для экстракции подвижной формы цинка в почве использовалась 1М НК03.

Изучение радиального прироста проводилось для определения закономерностей нарушения роста деревьев в зависимости от степени их ослабления [8]. С помощью приростного бурава отбирались керны древесины стволов на высоте груди в направлении четырех основных румбов для устранения возможной систематической ошибки. Величину радиального прироста на кернах изучали с помощью микроскопа МБС-9. Экспериментальные данные обрабатывали с помощью общепринятых статистических программ для персональных компьютеров.

Реакция сосновых фитоценозов на внесение в почву различных доз цинка

Динамика состояния сосновых насаждений разного возраста приведена в табл. 2.

Следует отметить, что до определенного уровня накопление тяжелых металлов в вегетативных органах может не вызывать существенных негативных последствий.

По данным исследователей, изучающих влияние высоких доз цинка на элементарный состав растений, выявлен антагонистический характер взаимодействия между № и 2п, 2п и Fe, 2п и Мп. Как правило, высокие дозы цинка вызывают снижение содержания Fe в органах растений, что способствует развитию в них хлороза [10].

В наших опытах поражение хвои хлорозом наблюдалось в молодняках при дозах 500 мг/кг и 1000 мг/кг и составляло 10 % и 20 % деревьев соответственно. На участках проведены таксационные и биометрические измерения деревьев. Анализируя биометрические исследования хвои, можно отметить значительное снижение длины и массы хвоинок: при дозе 1000 мг/кг

длина хвоинок составляет 63 %, масса - 42 % от контроля.

Анализ оценки визуального состояния дре-востоев (табл. 2.) свидетельствует, что в молодняках в среднем (за 5 лет наблюдения) снижение индекса состояния (ИС) имеет место при дозе 500 мг/кг на 1,4 балла, а при дозах 750 мг/кг, 1000 мг/кг - на 2,2; 3,2 балла соответственно (рис. 1). В средневозрастных насаждениях (за 4 года наблюдения) понижение индекса состояния существенно при дозе 750 мг/кг на 0,6 балла, а при дозах 1000 мг/кг, 2000 мг/кг - на 1,41 и 1,42 балла соответственно

(рис. 2). В спелых насаждениях (за 3 года наблюдений) среднее понижение индекса состояния значительно лишь при дозах 2000; 3000 мг/кг и снижено на 0,8 и 2,0 балла соответственно (рис. 3).

Отпад в молодняках начался на второй год внесения цинка при дозах 750-1000мг/кг и составил 50-68 % количества учетных деревьев; на 4-й год наблюдений отпад деревьев был равен при дозе 500 мг/кг 3,3 %, при дозе 750 мг/кг - 50,1 %, при дозе 1000 мг/кг - 68 %. В средневозрастных сосняках при дозе 2000 мг/кг не отмечался отпад деревьев.

Т а б л и ц а 2

Динамика состояния сосновых насаждений разного возраста

Молодняки Средневозрастные Спелые

Годы Среднее Годы Среднее Годы Среднее

Доза мг/кг 1999 2000 2001 2002 2003 2004 Доза мг/кг 2000 2001 2002 2003 2004 Доза мг/кг 2001 2002 2003 2004

Контроль 1,4 1,4 1,7 1,6 1,6 1,5 1,53 Контроль 1,2 1,2 1,2 1,3 1,3 1,22 Контроль 1,16 1,16 1,16 1,16 1,16

23 1,1 1,3 1,5 1,5 1,5 1,4 1,38 23 1,6 1,9 2,0 2,0 1,8 1,87 23 1,2 1,2 1,2 1,2 1,2

100 1,2 1,4 1,9 1,9 1,9 1,9 1,66 100 2,1 2,1 2,3 2,3 2,3 2,2 500 1,2 1,2 1,2 1,3 1,2

300 1,1 1,7 1,9 1,9 1,8 1,8 1,68 500 1,5 1,8 1,8 1,9 1,8 1,75 750 1,1 1,1 1,2 1,18 1,18

500 1,2 1,7 2,0 2,1 2,67 2,4 2,01 750 - 1,9 2,0 2,5 2,6 2,13 1000 1,2 1,3 1,3 1,3 1,29

750 - - 1,3 3,45 3,5 3,5 2,75 1000 1,25 2,4 3,4 3,6 3,8 2,66 2000 1,25 1,4 2,0 2,1 1,55

1000 1,2 4,0 4,0 4,1 4,2 4,2 3,61 2000 2,2 3,5 4,3 4,5 4,5 3,62 3000 1,15 1,4 3,2 4,2 1,92

5 4 - 3 ¡ 3 - ю о 2 - К ГШ 1-1 о II noilildí [1

1 1 1 1 1 1 0 23 100 300 500 750 1000 Доза, мг/кг

2000  2001  2002 И2003 И2004

Рис. 1. Динамика изменения индекса состояния в молодняках сосны при разных дозах внесения цинка в почву

5 i

X -

-

й ю

о" К

2 -

Ш

ШИП

2000

2001

2002

2003

2004

23 100 500 750

Доза, мг/кг

1000

2000

4

3

1

0

0

Рис. 2. Динамика изменения индекса состояния в средневозрастных древостоях сосны при разных дозах внесения цинка в почву

л ю

CJ S

immmritfn

23 500 750 1000 2000 3000 Доза, мг/кг

2002  2003  2004

Рис 3. Динамика изменения индекса состояния сосны в спелых насаждениях при разных дозах внесения цинка в почву

300 250 200 150 100 50 0

—П

23 100 300 500

Доза, мг/кг

750

1 000

2001

2002

2003

2004

Рис. 4. Динамика изменения количества самосева в зависимости от дозы цинка

Влияние различных доз цинка азотнокислого на состояние и развитие самосева и подроста сосны обыкновенной

В августе 2000 г. под пологом 60-летних насаждений сосны (Ильинское лесничество) были заложены пробные площадки размером 2 х 2 м в двукратной повторности, цинк вносился в виде соли азотнокислого цинка 2п(К03)2 в следующих количествах (в расчете на 20 см слоя почвы ): 23 мг/кг (ПДК); 100; 300; 500; 750 и 1000 мг/кг почвы. Участки с возобновлением сосны на время закладки эксперимента характеризовались удовлетворительным состоянием.

По результатам перечета самосева можно сделать следующие выводы: за период наблюдения сохранилась тенденция постепенного снижения количества самосева при дозах свыше 300 мг/кг 2п (Ш3)2 от 183 шт. (2001) до 146 шт. (2003), вместе с тем на участках с дозой воздействия 100 и 300 мг/кг отмечено появление самосева текущего года (от 8 до 15 шт. на каждой учетной площадке). На третьем году наблюдения отмечено появление самосева текущего года на участках с максимальной дозой воздействия

(1000 мг/кг), в то время как в 2002 г. здесь отмечалась его полная гибель.

Влияние различных доз цинка на видовой состав и проективное покрытие напочвенного покрова сосняков-зеленомошников Эксперимент проводился в культурах сосны обыкновенной среднего (60 лет) и спелого возраста (120 лет). Растительный покров представлен зелеными мхами (Polytrichum commune, Pleyrozium Schreberi, Hypnum cupressarium, Dicranum scoparium); травянистой растительностью, расположенной отдельными куртинами: вейник наземный (Calamagrostis epigeios), белоус торчащий (Nardus strikta), черника (Vaccinium myrtillus), костяника (Rubus saxatilis), брусника (Vaccinium vitis-idaea). Встречается самосев сосны 1-2 года жизни.

Цинк азотнокислый Zn(NO3)2 вносился под кроны деревьев в дозах, обеспечивающих уровень загрязнения 23 мг/кг, 500 мг/кг, 750 мг/кг, 1000 мг/ кг, 2000 мг/кг и 3000 мг/кг. Площадь участков различна, что обусловлено неравномерным размещением деревьев, и колебалась в пределах от 40 м2 до 112 м2, составляя в среднем 70 м2.

0

0

Таблица 3

Результаты перечета самосева и подроста сосны на учетных площадках при разной дозе внесения цинка в почву

Распределение по высоте, шт. Всего на Среднее по варианту, шт.

№ вар. Повторность Год перечета До 5 см 6-10 см 10-20 см 20-30 см Свыше 30 см учетной площадке шт.

2001 год 95 34 60 39 - 228

1 Контроль 2002 год 97 28 64 44 20 253 282

2003 год 199 9 12 47 15 282

2001 год 31 8 15 24 19 186

2-1 2002 год 50 8 15 25 20 97

2 2003 год 117 7 5 18 20 150 181

2001 год 45 12 22 18 3 148

2-2 2002 год 29 26 35 10 1 183

2003 год 86 14 24 8 2 134

2001 год 67 42 55 14 - 178

3-1 2002 год 26 28 30 17 1 102

3 2003 год 68 10 8 10 6 102 152

2001 год 67 41 69 9 - 186

3-2 2002 год 34 26 47 19 - 126

2003 год 125 10 19 30 5 189

2001 год 32 39 18 23 11 123

4-1 2002 год 7 2 3 1 3 16

4 2003 год 17 3 9 3 3 35 38

2001 год 60 53 52 6 2 171

4-2 2002 год 15 15 9 3 - 42

2003 год 30 4 5 2 - 41

2001 год 34 32 36 13 - 115

5-1 2002 год 6 3 - - - 9

5 2003 год 10 - - - - 10 18

2001 год 42 20 18 30 5 115

5-2 2002 год 5 1 1 - - 7

2003 год 23 1 2 1 - 27

2001 год 63 29 26 15 3 139

6-1 2002 год 2 - 2 - - 4

6 2003 год 5 - 3 - - 8 10

2001 год 3 3 - - - 103

6-2 2002 год 3 3 - - - 6

2003 год 10 2 - - - 12

2001 год 23 19 47 24 2 115

7-1 2002год - - - - - -

7 2003 год 2 - - - - - 13

2001 год 37 31 41 14 - 123

7-2 2002год - - - - - -

2003 год 5 - - - - -

Из полученных данных видно, что самосев сосны обыкновенной, березы бородавчатой и рябины обыкновенной оказался устойчивым к более низким дозам внесенного цинка азотнокислого, при дозе 2000 мг/кг он выпадает из ценоза.

Из полукустарничков наиболее чувствительной оказалась черника, которая полностью исчезает из ценоза при 1000 мг/кг и 2000 мг/кг цинка. Для брусники и костяники такая реакция не свойственна, хотя данный вывод недостаточ-

но надежный из-за эпизодической встречаемости этих видов на учетных площадках.

При более низких дозах цинка различий между числом видов до и после внесения не наблюдалось. Следует отметить, что злаки отличаются по сравнению с другими группами травянистых растений повышенной устойчивостью к загрязнению почвы солями цинка (более ощутимое изменение числа видов злаков установлено при дозе 1000 мг/кг).

Моховой ярус, представленный Polytrichum commune, Pleyrozium Schreberi, Hypnum cupressarium, Dicranum scoparium, наиболее чувствительный к данному виду загрязнения. На второй год после внесения соли цинка отмечалось пожелтение (изменение окраски) 80 % проективного покрытия мхов при минимальной дозе 23 мг/кг. Степень повреждения мхов возрастает с увеличением дозы цинка и достигает 100 % пожелтения при 2000 мг/кг.

Заключение

В результате проведенных исследований установлена зависимость состояния сосновых фитоценозов при токсическом действии цинка от возраста деревьев, а точнее, от их биомассы.

Анализ оценки визуального состояния насаждений на участках с внесением солей цинка показывает, что в молодняках в среднем (за 5 лет наблюдения) снижение индекса состояния имеет место при дозе 500 мг/кг на 1,4 балла, а при дозах 750 мг/кг и 1000 мг/кг - на 2,2 и 3,2 балла соответственно. Устойчивое снижение среднего прироста по высоте в молодняках сосны отмечается при дозе 500 мг/кг на 22 % по сравнению с контролем. В средневозрастных насаждениях (за 4 года наблюдения) существенное понижение индекса состояния (на 0,6 балла) наблюдается при дозе 750 мг/кг, при дозе 2000 мг/кг ухудшение состояния возрастает на 1,4 балла. В спелых насаждениях (за 3 года наблюдений) среднее снижение индекса состояния незначительно и наблюдается лишь при дозах 2000 и 3000 мг/кг на 0,5 и 1,0 балла соответственно.

За период наблюдений сохранилась тенденция постепенного снижения количества самосева при дозах свыше 300 мг/кг Zn (NO3)2 от 183 шт.(2001) до 146 шт. (2004). На третьем году наблюдения отмечено появление самосева текущего года на участках с максимальной дозой воздействия (1000 мг/кг), в то время, как в 2002 г. здесь отмечалась его полная гибель. Вместе с тем, на участках с дозой воздействия более 750 мг/кг жизнеспособным оказывается лишь самосев текущего года.

Загрязнение почв тяжелыми металлами приводит к изменению видового травяного и мохового покрова, эпигейной лихенофлоры. По-

ражение полукустарничкового яруса (особенно черники) начинает отмечаться при дозе 500 мг/кг, самосева сосны -750 мг/кг, некоторых эпигейных лишайников - 1000 мг/кг, всходов рябины обыкновенной - свыше 1000 мг/кг. Загрязнение почвы цинком наряду с изменением состояния растений вызывает сокращение видового состава сообществ. В частности, при дозе 500 мг/кг внесенного цинка уменьшение числа видов в травяном покрове достигает 38 %, при 1000 мг/кг - 71 %, при 2000 мг/кг - 73 %. Дозы в 1000 - 2000 мг/кг приводят к полному исчезновению из состава ценозов черники.

Расчеты величины допустимой дозы цинка при почвенном загрязнении показывают, что устойчивое снижение индекса состояния и прироста происходит: в молодняках при дозе 500 мг/кг, средневозрастных - при дозе 750 мг/кг, спелых - при дозе свыше 1000 мг/кг.

Библиографический список

1. Николаевский, В.С. Влияние промышленных газов на растительность /В.С. Николаевский // Региональный экологический мониторинг. - М.: Наука, 1983. -С. 202-222.

2. Ромашкевич, Е.В. Фитотоксичность соединений тяжелых металлов в почве для древесных растений / Е.В. Ромашкевич, Ю.Б. Боронин // Экология леса и охраны природы: сб. науч. тр. - М.: ВНИИЛМ, 1993. - С. 78-83.

3. Нормирование техногенного воздействия на лесные экосистемы / А.А. Мартынюк, Ю.Б. Боронин, А.В. Костенко и др. //Лесное хозяйство. - 1998. - № 1. -С. 25-27.

4. Кабата-Пендиас, А. Микроэлементы в почвах и растениях / А. Кабата-Пендиас, Х. Пендиас. - М.: Мир, 1989.

- 439 с.

5. Эмсли, Дж. Элементы / Дж. Эмсли. - М.: Мир,1993.

- 255 с.

6. Алексеев, Ю.В. Тяжелые металлы в почвах и растениях / Ю.В. Алексеев. - Л.: Агропромиздат. Ленинградское отд-ние, 1987 - 142 с.

7. Тяжелые металлы в окружающей среде: материалы Международного симпозиума, Пущино, 15-18 октября 1996. - Пущино: ОНТИ, НЦБИ, 1997. - 321 с.

8. Временная методика по учету сосновых насаждений, подверженных влиянию промышленных выбросов (для опытно-производственной проверки) / Н.А. Воронков, В.М. Жирин, В.Д. Касимов и др. - М.: ВНИИЛМ, 1986. - 36 с.

9. Методические указания по определению тяжелых металлов в почвах сельхозугодий и продукции растениеводства - ЦИНАО. - М., 1992. - С. 22-37.

10. Степанюк, В.В. Влияние высоких доз цинка на элементарный состав растений / В.В. Степанюк, С.П. Голенец-кий // Агрохимия. - 1991. - № 7. - 7 с.