Роль лиственницы Сукачева в условиях промышленного загрязнения

ЛЕСНОЕ ХОЗЯЙСТВО

РОЛЬ ЛИСТВЕННИЦЫ СУКАЧЕВА В УСЛОВИЯХ ПРОМЫШЛЕННОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ

Р.Х. ГИНИЯТУЛЛИН, ст. науч. сотр. Института биологии УНЦ РАН, канд. биол. наук

Лесные насаждения поглощают металлы из воздуха, вовлекая тем самым техногенные загрязнения на другой качественный уровень, но, разумеется, не устраняя при этом их опасности.

Надземные органы растений весьма активно реагируют на повышение концентрации химических элементов в почве, увеличивая их содержание в тканях и накапливая выше уровня, необходимого для обеспечения нормального роста и развития растений.

Лиственница Сукачева (Larix Sukaczewii Dyl.) - быстрорастущая порода из хвойных лесообразователей Урала обладает таким ценным свойством, как способность к восстановлению фотосинтетического аппарата при различного рода повреждениях [1].

По данным лесоустройства 2006 г., в составе лесных насаждений в пределах Стер-литамакского лесхоза насаждения лиственницы Сукачева составляли 317 га. Исследования проводились в лиственничных древостоях, расположенных на различном удалении от предприятий города Стерлитамака, а также в зоне условного контроля, который находится 30-35 км от источника загрязнения.

В данной работе приводятся сведения об относительном жизненном состоянии лиственничников, а также материалы по консервации металлов лиственницы Сукачева в условиях промышленного загрязнения и в зоне условного контроля.

При исследовании насаждения для каждого экземпляра лиственницы Сукачева ПП оценивались густота кроны, наличие на стволе мертвых сучьев, степень поражения хвои (хлорозы, некрозы и другие повреждения древостоев атмосферными загрязнениями).

Для определения стадии дигрессии насаждения и степени влияния на него антропогенных и техногенных факторов важно знать его жизненное состояние. В связи с этим нами проведены исследования относительного жизненного состояния (ОЖС) культуры лиственницы Сукачева в условиях СПЦ. За основу исследования была принята методика В.А. Алексеева (1990). Относительное жизненное состояние всего насаждения определялось по формуле

Ln = (100Nj + 70N2 + 40N3 + 5N4) / N, где Ln - показатель ОЖ насаждения, вычисленный по количеству деревьев, %;

N - количество здоровых деревьев, шт.;

N2 - количество ослабленных деревьев, шт.;

N3 - количество сильно ослабленных деревьев, шт.;

N4 - количество сухих деревьев, шт.;

N - общее количество деревьев, шт.;

100, 70, 40, 5 - коэффициенты, выражающие в процентах состояние соответственно здоровых, ослабленных, сильно ослабленных и отмирающих деревьев.

Т а б л и ц а 1

Характеристика ОЖС насаждения лиственницы Сукачева в санитарно-защитной зоне Стерлитамакского промышленного центра и в зоне условного контроля.

Год закладки Средние показатели Деревья в насаждениях, шт. Ln % Категория жизненного состояния

всего п/п Д ср., см Н ср., М здоровые ослабленные сильно- ослабленные сухие

СПЦ 1963 70 20 16 15 40 7 8 66 ослабленное

В зоне условного контроля 1963 70 22 20 53 14 3 0 91,5 здоровое

4

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 4/2008

ЛЕСНОЕ ХОЗЯЙСТВО

При показателе относительного жизненного состояния 100-80 % насаждение характеризуется как здоровое, при 79-50 % - ослабленное, при 49-70 % - сильно ослабленное, при 19 % и ниже - полностью разрушенное [5]. В целом жизненное состояние исследованного насаждения лиственницы Сукачева в Стерлитамакском промышленном центре оценено как ослабленное, а в зоне условного контроля - здоровое (табл. 1).

При обследовании насаждения были обнаружены признаки повреждения хвои лиственницы Сукачева в виде хлорозов и некрозов. В условиях загрязнения у некоторых деревьев идет отмирание ветвей в верхней части кроны, где наиболее активно движение воздушных масс. В зоне условного контроля отмирание ветвей в верхней части кроны не обнаружено. Изучение содержания металлов в хвое и побегах лиственницы в условиях промышленного загрязнения и в зоне условного контроля показало ряд особенностей. Данные по содержанию металлов в различных частях кроны (в хвое и побегах лиственницы Сукачева) представлены в табл. 3. Содержание металлов в образцах, взятых из различных частей кроны, неодинаково. Среднее содержание Mn в хвое верхней, средней, нижней части кроны лиственницы в условиях загрязнения до середины вегетации возрастает, а затем происходит снижение. Такая же картина наблюдается в побегах I—II—III года в верхней, средней, нижней части кроны лиственницы Сукачева. Наиболее высокие концентрации марганца установлены в условиях загрязнения и в зоне условного контроля в июле. Несмотря на снижение содержания Mn перед листопадом, в условиях промышленного загрязнения и в зоне условного контроля содержание Mn в осенней хвое намного выше, чем в молодых. В условиях промышленного загрязнения в июле среднее содержание Mn в хвое верхней, средней, нижней части кроны составляет соответственно 49 мг/кг и 59 мг/кг. Содержание марганца в хвое в августе колеблется в пределах от 20 до 50 мг/кг. В зоне условного контроля и условиях промышленного загрязнения для лиственницы Сукачева характерно постепенное

снижение содержания марганца от середины к концу вегетации.

Такой ход сезонной динамики Mn в хвое объясняется в основном следующими процессами. Весной происходит приток элементов к растущим органам, в это время их содержание в хвое, побегах увеличивается, а, видимо, в других органах растений уменьшается. Уменьшение содержания Mn в хвое в конце вегетации связано с известным явлением перехода питательных веществ и минеральных соединений из стареющей хвои в ветви.

Содержание Mn в почвах в условиях Стерлитамакского промышленного центра и в зоне условного контроля сильно отличается. Среднее содержание марганца в 8,3 раза выше, чем в зоне условного контроля (табл. 4). Среднее содержание марганца в почвах в условиях загрязнения составляет 1400 мг/кг, а в зоне условного контроля - 167 мг/кг. В условиях промышленного загрязнения содержание Mn значительно превосходит содержание в почве в зоне условного контроля.

Исследованное количество Mn и распределение по глубине почвенного профиля в условиях промышленного загрязнения показывает, что наибольшее его количество в зоне условного контроля. В горизонтах AjAj содержание Mn обычно в несколько раз выше, чем в горизонтах А-В.

Закономерности изменения содержания в хвое Fe в зоне условного контроля практически полностью повторяют закономерности поведения Mn. Наиболее высокие концентрации железа установлены в июле в период стабилизации площади листовой фотосинтезирующей поверхности. Несмотря на снижение количество содержания Fe в конце августа, концентрация Fe в августе намного выше, чем в июле. В условиях загрязнения в течение вегетационного периода количество содержания Fe в хвое лиственницы Сукачева повышается.

Максимальное накопление Fe происходит в августе. Содержание больше в 33 раза, чем в зоне условного контроля. Характер накопления Fe в течение вегетации в побегах I-II-III года в условиях загрязнения практически полностью повторяет особен-

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 4/2008

5

ЛЕСНОЕ ХОЗЯЙСТВО

ности поведения накопления Fe в хвое. Тенденция к увеличению Fe сохраняется в течение вегетации.

Несколько иные закономерности в накоплении Fe получены при анализе железа в побегах I—II—III года верхней, средней, нижней части кроны лиственницы Сукачева в зоне условного контроля. Содержание Fe в побегах I—II—III года в период наблюдений отвечало почти постоянному значению, проявляя лишь слабую тенденцию к увеличению (табл. 3). Сравнение данных по сезонной динамике Fe в хвое лиственницы Сукачева в условиях промышленного загрязнения осложнялось тем, что содержание железа в течение вегетации намного выше, чем в зоне условного контроля. Различия между контролем и техногенными условиями проявляются в течение всего вегетационного периода .

Данные табл. 4, 5 показывают, что Fe в почвах на глубине 6-25 см в условиях промышленного загрязнения и в зоне условного контроля активнее вовлекается в биологический круговорот. Наибольшее содержание отмечается в подстилках. В горизонтах А1 (в условиях промышленного загрязнения) и А1 (в зоне условного контроля) есть накопление Fe. Среднее содержание Fe в подстилке в условиях промышленного загрязнения составляет 28300 мг/кг, а в горизонте А1 составляет 22200 мг/кг. В зоне условного контроля среднее содержание железа в подстилке составляет 560 мг/кг, а в почве на глубине 6-20 см составляет 240 мг/кг. Следует отметить характерную особенность накопления железа в условиях промышленного загрязнения: содержание Fe в подстилке в 50 раза выше, чем в зоне условного контроля.

Cu является одним из важнейших микроэлементов для развития растений. Медь, которая для растений является существенно важным элементом, в высоких концентрациях может оказывать токсическое действие, которое вдвое выше, чем у цинка. Содержание в почве Cu на уровне 6-15 мг/кг считается недостаточным, 15-60 мг/кг - нормальным и более 60 мг/кг - избыточным. Избыток Cu в почве ведет к развитию хлороза у растений [5]. При недостатке меди на кончиках листьев исчезает хлорофилл, они белеют, засыхают и свертываются, а злаковые культуры

не выколашиваются. Медь повышает устойчивость растений неблагоприятным условиям среды и болезней [4].

В течение вегетации содержание Cu в хвое и побегах I—II—III года лиственницы Сукачева в условиях промышленного загрязнения заметно отличается от контрольных показателей. Сезонная динамика содержания Си в хвое лиственницы в условиях промышленного загрязнения отличается увеличением концентрации от весны к осени, а в контрольных участках такой закономерности не проявляется. В зоне условного контроля в хвое концентрация Cu в середине и в конце вегетации практически одинакова. В условиях загрязнения содержание в хвое Cu увеличивается в течение всего вегетационного периода. Концентрация Cu перед листопадом в 1,6-2 раза выше, чем в начале вегетации, в 4-5 раз выше, чем в зоне условного контроля.

Также следует отметить, что в условиях промышленного загрязнения и в зоне условного контроля концентрация Cu в хвое больше в нижней части кроны. Различия в содержании Cu в побегах I-II-III года между контролем и техногенными условиями проявляются в течение всего вегетационного периода. Максимальное накопление Cu происходит побегах I-II-III года лиственницы в условиях загрязнения в конце вегетации. Содержание Cu в них превышает контрольный уровень в 7-10 раз (табл. 2). В зоне условного контроля содержание Cu в побегах I-II-III года в верхней, средней, нижней части кроны в период вегетации имело постоянное значение, проявляя лишь слабую тенденцию к увеличению (табл. 2).

Данные табл. 4, 5 показывают, что в почвах в условиях промышленного загрязнения и в зоне условного контроля большое содержание меди наблюдается в подстилке. Накопление Cu отмечается многими исследователями [2, 3]. В наших почвах накопление Си наблюдается в горизонтах А1А1. Содержание Cu в почвах разных пробных площадей заметно колеблется. В условиях Стерлитамак-ского промышленного центра почвы пробных площадей выделяются наибольшим содержанием Cu (24 мг/кг) и, наоборот, его меньше в почве пробной площади в зоне условного контроля (15 мг/кг).

6

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 4/2008

ЛЕСНОЕ ХОЗЯЙСТВО

Таблица 2

Среднее содержание металлов (мг/кг воздушно-сухой массы) в органах лиственницы Сукачева в условиях Стерлитамакского промышленного центра

Обра- зец Часть кроны Июнь Июль Август

Mn Fe Cu Cd Pb Mn Fe Cu Cd Pb Mn Fe Cu Cd Pb

Хвоя верхняя 17 120 20 2,1 8 49 170 29 3,0 10 20 990 32 3,45 11,2

средняя 19 210 27 2,8 10 51 250 60 3,5 11,2 26 710 64 4,2 14,3

нижняя 42 220 45 3,0 12 59 290 61 5,0 13,4 50 1330 65 6,8 16,9

верхняя 38 18 25 4,2 45 68 20 28 5,8 52 60 250 35 6,3 60

Побеги I года средняя 36,6 75 40 4,0 50 66,2 80 48 5,7 68 60 170 65 6,4 73

нижняя 27,2 62 55 5,8 60,2 38,3 70 65 6,0 70 30 300 70 7,8 76

верхняя 26,2 45,2 26 0,9 28,2 37 50 28 1,1 30 30 160 37 1,33 32

Побеги II года средняя 46,3 72 50 0,33 29,8 88 100 59 1,2 31,2 80 100 66 1,55 36,7

нижняя 29 85,2 60 0,50 30,4 52 100 62 1,9 33,4 47 210 72 2,1 38

верхняя 30 32,7 26 1,0 25,5 42 40 27 1,0 32 33 80 28 1,3 39

Побеги III года средняя 42 89,7 48 1,2 38 69 110 50 1,3 38 60 100 50 1,6 42

нижняя 34 35,2 46,7 1,6 39 58 40 50 1,6 40 50 110 52 1,9 49

Таблица 3

Среднее содержание металлов (мг/кг воздушно-сухой массы) в органах лиственницы Сукачева в зоне условного контроля

Обра- зец Часть кроны Июнь Июль Август

Mn Fe Cu Cd Pb Mn Fe Cu Cd Pb Mn Fe Cu Cd Pb

Хвоя верхняя 38 40,2 6 0,1 2,0 60 71,2 8 0,2 2,2 45 50 8 0,2 2,8

средняя 40 47,1 10 0,2 3,2 66 73 12 0,3 3,6 50 48,1 12,1 0,5 3,9

нижняя 42 48,2 11 0,4 4,8 67 75 14,2 0,5 3,8 50 46,2 14,3 0,7 4

верхняя 160 60 4,1 0,75 3,0 170 68 3,2 0,78 3,2 172 70 5,2 0,80 3,4

Побеги I года средняя 187 67 4,2 0,86 39 190 69 3,0 0,90 3,9 194 75 6,7 1 4

нижняя 188 66 4,3 0,92 4,2 197 67 3,3 0,97 4,8 200 79 6,8 1,2 5,8

верхняя 140 120 4,3 0,88 4,2 145 122 2,8 0,90 4,9 147 124 5,9 1,3 4,2

Побеги II года средняя 138 122 4,4 0,93 4,5 140 125 2,7 0,97 4,8 146 126 6,1 1,2 4,6

нижняя 139 130 4,5 0,97 4,9 142 135 2,6 1 5,2 150 138 7,3 1,3 5

верхняя 167 110 8,5 1,2 6,2 175 12 2,9 1,8 6,8 179 114 8,9 2 2

Побеги III года средняя 190 108 9,2 1,4 8,8 185 115 2,8 1,9 9 190 120 10,5 2,1 3,2

нижняя 200 102 10,3 2 9,2 210 108 2,9 2,2 10 212 116 12,2 2,4 4,5

Таблица 4

Валовое содержание металлов (мг/кг воздушно-сухой массы) в подстилке и почвах в условиях Стерлитамакского промышленного центра

Образец Горизонт Глубина, см Mn Fe Cu Cd Pb

Подстилка А0 0-3 410 28300 48 9,8 50

Почва чернозем выщелоченный А1 6-25 1400 22200 24 10 30

А1 25-35 1200 18200 16 8 24

АВ 35-70 1700 23000 12 6 18

Таблица 5

Валовое содержание металлов (мг/кг воздушно-сухой массы) в подстилке и почвах в зоне условного контроля

Образец Горизонт Глубина, см Mn Fe Cu Cd Pb

Подстилка А0 0-3 250 560 19,9 0,22 9

Почва чернозем выщелоченный А1 6-25 167 240 15,2 0,11 8,2

А1 25-35 175 220 12,3 0,10 7,8

АВ 35-70 180 120 8,2 0,2 54

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 4/2008

7

ЛЕСНОЕ ХОЗЯЙСТВО

Интерпретация данных по сезонной динамике элементного состава хвои и побегов лиственницы Сукачева в зоне СПЦ осложняется тем, что избыточными техногенными элементами являются не только токсичные Pb и Cd, но и некоторые биометаллы Fe, Mn, Cu.

Различия между контрольными и техногенными условиями проявляются в течение всего вегетационного периода. В условиях СПЦ содержание в хвое и побегах I—II—III года токсичных металлов увеличивается в течение всего вегетационного периода: так, концентрация Pb в хвое перед листопадом в 1,5 раза выше в конце вегетации, в побегах I-II-III года Pb 1,2—1,4 раза выше, чем в начале вегетации, Cd - в 15 раз, в побегах - 2-2,5 раза (табл. 2). В зоне условного контроля содержание Pb иCd в побегах I-II года и в хвое лиственницы Сукачева в период вегетации отвечало почти постоянному значению, проявляя лишь слабую тенденцию к увеличению. Вместе с тем наблюдается изменение содержания Pb в побегах III года. Концентрация Pb в побегах III года в начале вегетации существенно выше, чем в конце. В зоне условного контроля концентрация Pb от начала до конца вегетации постепенно уменьшается, в условиях загрязнения такая закономерность не проявляется. Сравнительный анализ распределения металлов надземных частей, исследованных в условиях СПЦ и в зоне условного контроля лиственницы Сукачева, показал, что количество Pb и Cd больше концентрируется в хвое и побегах нижней части кроны. В условиях СПЦ максимальное накопление Pb и Cd происходит в хвое и побегах I года в нижней части кроны. Содержание Сd в них превышает контрольный уровень в 9,7 раза и Pb - в 13,1 раза. В условиях СПЦ и в зоне условного контроля металлы по содержанию в почве располагаются Pb > Cd. Наибольшим Pb и Cd содержанием отличаются подстилки. Содержание Pb в почвах разных пробных площадей сильно колеблется. В условиях СПЦ пробной площади содержится больше Pb (30 мг/кг), Cd (10 мг/кг) и, наоборот, их очень мало в почве пробной площади в зоне условного контроля, Pb 8,2 мг/кг, Cd 0,22 мг/кг. Тяжелые ме-

таллы, поступая в почву, концентрируются в приповерхностном слое 0-10 (20) см, где они присутствуют в форме обменных ионов, входят в состав гумусовых веществ, карбонатов, оксидов алюминия, железа и марганца [6, 7, 8]. В наших почвах Cd и Pb концентрируются в приповерхностном слое 0-10 (20) см. В горизонтах AjAj содержание Сd и Pb в несколько раз выше, чем в других. В почвах в зоне условного контроля (табл. 5) общая картина распределения Cd и Pb по горизонтам в общем сходна с распределением в условиях СПЦ.

Загрязнение почв характеризует-

ся различными показателями. В их числе коэффициент аномальности - отношение содержания металла в верхнем слое загрязненной почвы к фоновому его содержанию в том же слое.

Загрязненной почвой принято считать такую, в которой содержание токсичного элемента выше в 2-3 раза. В наших почвах Cd и Pb в условиях СПЦ: Cd - в 45 раз, Pb - в 3,6 раз выше, чем в зоне условного контроля.

Таким образом, промышленное загрязнение атмосферы металлами и значительное содержание их в почве приводят к накоплению дополнительного количества Mn, Fe, Cu, Zn, Cd, Pb в хвое и побегах I-II-III года лиственницы Сукачева.

Интерпретация данных по сезонной динамике элементного состава хвои и побегов лиственницы Сукачева в условиях СПЦ осложняется тем, что избыточными техногенными элементами являются не только токсичные Cd и Pb, но и биометаллы Mn, Fe, Cu. Различия между контролем и техногенными условиями проявляются в течение всего вегетационного периода. В условиях СПЦ значительное содержание металлов в хвое и побегах лиственницы Сукачева отражается на общем состоянии растений.

Библиографический список.

1. Баталов, А.А. Сосна и лиственница в системе промышленного фитофильтра / А.А. Баталов, Н.А. Мартьянов, О.Б. Горюхин // Вопросы ограничения циркуляции загрязняющих веществ в объектах окружающей среды: Тез. докладов. - Уфа, 1984. - С. 25-26.

8

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 4/2008