Comparison of cobalt compounds content in organs and tissues of woody plants

Full Text

Введение

Семипалатинские боры отнесены к категории ценных лесов, в которую входят леса, уникальные по своему породному составу, продуктивности и генетическим качествам, а также выполняющие особо важные защитные функции в наиболее сложных природных условиях [1]. Общая площадь сосновых лесов Республики Казахстан составляет 832 тыс. га, из которых 545 тыс. га (58%) приходится на ленточные боры Прииртышья. Основной лесообразующей древесной породой является сосна обыкновенная (Pinus sylvestris L.).

Лесной покров постоянно изменяется в результате биологических процессов, в частности роста и развития древесных растений, но в большей степени в результате воздействия антропогенных факторов. Не являются исключением и реликтовые боры Семипалатинского Прииртышья, расположенные на границе крупных промышленных комплексов Восточно-Казахстанской области, которые в той или иной мере причиняют борам определенный экологический ущерб.

Объект и методика исследования

Исследуемые леса относятся к району сухостепных Прииртышских ленточных боров на песках Иртыша и провинции Прииртышских ленточных боров в ложбинах древнего стока. В ходе исследования пробы отбирались в пяти типах боров: в сухих борах высоких, пологих и средних бугров, в западинном и равнинном борах, согласно классификации Л.Н. Грибанова и К.А. Пашковского [2; 3].

Отбор проб производился в 2000–2009 гг. по географической протяженности боров и согласно розе ветров, включая территорию от Бородулихинского района (от Шульбинского водохранилища до села Бородулиха) до села Бегень Бескарагайского района на границе с Павлодарской областью Республики Казахстан; в двух направлениях от города Семей (ранее Семипалатинск) (в районе п. Контрольный и п. Красный Кордон); в селах Долонь и Сосновка Бескарагайского района до границы с Алтайским краем Российской Федерации (зона прохождения следа радиоактивных выпадений ядерных испытаний 1949 года).

Исследуемая территория сосновых лесов характеризуется простым древостоем, образованным деревьями примерно одной высоты (20–25 м), колебание между высотой отдельных деревьев не превышает 10–15%. Возраст древостоя подсчитывали методом годичных колец на пнях спиленных деревьев, в некоторых случаях по мутовкам, считая, что первая мутовка у сосны образуется в возрасте трех лет [6]. В древостое видом-эдификатором является сосна обыкновенная (Pinus sylvestris L.), семейство сосновые (Pinaceae L.). В большинстве случаев в древостое наблюдались деревья с узкими годичными кольцами, что свидетельствует о неблагоприятных экологических условиях (периодических засухах, морозах, пожарах), исследованные деревья входят в категорию средневозрастные (50–100 лет).

На отдельных участках боров встречаются осина обыкновенная (Populus tremula L.) из семейства ивовые (Salicaceae Mirb.) и береза повислая (Betula pendula Roth.) из семейства берёзовые (Betulaceae Gray.), являющиеся деревьями второй величины, они появились в результате вторичной сукцессии, после пожаров и интенсивной вырубки. В местах отбора проб березняки обнаружены только в окрестностях г. Семей. Наибольшее количество осиновых колок обнаружено в Бескарагайском районе (Бегеньский лесхоз), наиболее близко расположенном к реке Иртыш (в 15–20 км).

Инвентаризация лесных насаждений осуществлялась путем наземной ходовой таксации глазомерным и глазомерно-измерительными методами с применением элементов измерительной таксации.

Аналитическим исследованиям подвергались различные органы и ткани сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.): хвоя и побеги разного возраста; внешняя кора (корка, или ретидом), отобранная с южной и северной стороны дерева; древесина (вторичная ксилема с несколькими годичными кольцами прироста, являющаяся вторым крупным блоком центрального цилиндра); шишки второго года жизни ((strobilus) семенной орган голосеменных растений).

Особенное внимание уделялось хвое, поскольку она выполняет ассимилирующую функцию и определяет рост и развитие других органов. При отборе побегов (веток) руководствовались тем, что между хвоей и побегами одного года жизни существует наиболее тесная биохимическая связь, побеги других возрастов брались в совокупности, в частности в одну среднюю пробу были объединены ветки 5–7 лет жизни.

Пробы хвои и побегов разбирали по возрастным фракциям (хвоя – от 1 до 4 лет, побеги от 1 до 7); древесину, корку и шишки высушивали при комнатной температуре и измельчали.

Определение соединений кобальта проводили в институте геологии и минералогии (ИГМ СО РАН) (г. Новосибирск) с применением методов атомно-абсорбционной спектроскопии (ААС).

Полученные результаты о содержании соединений кобальта органами и тканями Pinus sylvestris L. легли в основу расчета его биогеохимического круговорота древостоем сосны в условиях сосновых лесов Семипалатинского Прииртышья. При расчете использовали данные Л.Е. Родина и Н.И. Базилевич [4], согласно которым, наибольшие значения индекса разложения опада в тундре и болотах севера, в хвойных лесах – 10–17, а наименьшие (около 1) – в степях и полупустынях.

Коэффициент биологического поглощения (КБП) рассчитывался как отношение содержания элемента в золе растений к его валовому среднему содержанию в боровых песках. Показатель биотичности элементов рассчитывался как отношение содержания элемента в органах к кларку земной коры [5].

Производительность древостоев оценивали по бонитировочной шкале М.М. Орлова [7; 8]. На исследуемых участках боров дифференциацию деревьев в древостое учитывали согласно классификации Крафта [9].

Важнейшее значение для учета лесосырьевых ресурсов, организации и ведения лесного хозяйства имеет продуктивность древостоев в возрасте спелости, т.е. фитомасса. Расчет фитомассы деревьев сосны обыкновенной производили по формуле 1/3pr²hd, где p = 3,14; r – радиус ствола дерева; h – высота дерева; d – плотность древесины (d – плотность древесины сосны равна 0,5 т/м²). Для вычисления фитомассы надземной части дерева полученные значения фитомассы ствола из формулы, представленной выше, умножали на поправочный коэффициент 1,4. Показатель плотности древесины сосны обыкновенный, поправочные коэффициенты для вычисления фитомассы надземной части дерева и общей фитомассы дерева взяли из соответствующих таблиц [9; 10].

Полученные экспериментальные данные были обработаны вариационно-статистическими методами, с помощью программы Microsoft Excel.

Результаты исследования и их обсуждение

Из числа факторов, оказывающих влияние на лесорастительные условия, наиболее существенное значение имеет климат, характеризующийся резкой континентальностью. Летом сюда проникают сухие и горячие ветры, дующие со среднеазиатских пустынь, зимой – арктический холод. Совокупность всех перечисленных отрицательных факторов оказывает неблагоприятное влияние на возобновление и рост древесных растений. В отличие от других хвойных пород сосна обыкновенная имеет большую глубину покоя и меньше повреждается во время зимних оттепелей [11]. В то же время сосна обыкновенная отличается высокой чувствительностью к загрязнениям окружающей среды, что сказывается на продуктивности древостоя.

Из параметров фитоценоза наиболее значимыми считаются параметры древостоя, поскольку именно древостой принимает на себя основную нагрузку, определяя всю последующую циркуляцию элементов в лесной экосистеме, формируя малый круговорот веществ. В ходе исследования было рассчитано, что фитомасса древостоя сосны обыкновенной составляет 175,84 т/га; фитомасса надземной части дерева, включая фитомассу ствола, ветвей, коры, хвои – 246,18 т/га.

Количество химических элементов, находящихся в составе массы зрелого фитоценоза, характеризуется емкостью биологического поглощения. При этом роль регуляторного звена принадлежит ассимилирующим органам, в частности хвое, определяющей рост и развитие других органов растения. От величины годичного роста хвои зависит величина биогенного поглощения металлов. В годы, отличающиеся повышенным ростом хвои за один вегетационный период, величина биогенной аккумуляции металлов хоть и незначительно, но возрастает. Иными словами, под влиянием определенных факторов внешней среды в конкретный момент времени изменяется химический состав не только отдельных органов и тканей растений, но и фитоценоза в целом. Важным показателем интенсивности биогеохимического круговорота является скорость обращения химических элементов, в том числе и соединений кобальта. Данные о содержании соединений кобальта в органах и тканях сосны обыкновенной представлены на рис. 1.

Рисунок 1 – Распределение соединений кобальта по органам и тканям Pinus sylvestris L. 1–4 – хвоя 1–4 года жизни; 5–9 – побеги от 1–4 до 5–7 лет жизни; 10 – корка с южной стороны, 11 – корка с северной стороны дерева; 12 – шишки; 13 – древесина – совокупность годичных колец

Расчет биогеохимического круговорота древостоем показал, что масса соединений кобальта, вовлеченных в биогеохимический круговорот общей фитомассой древостоя, составила 0,0090 т/га, а фитомассой надземной части дерева – 0,0087 т/га.

По показателю продуктивности древостой сосновых лесов соответствует среднему классу бонитета (II–V), который составляет 95% от всех сосновых насаждений, т.е. почвенно-климатические условия вполне обеспечивают произрастание насаждений сосны обыкновенной средней производительности.

Состояние древостоя на исследуемых участках боров по классификации Крафта соответствует I–III классу жизненности в зависимости от местопроизрастания. Полученные результаты позволяют предположить, что древостой бора характеризуется достаточно высокой емкостью биологического поглощения соединений кобальта. На элементный состав органов и тканей Pinus sylvestris L. существенное влияние оказывает место отбора, т.е. удаленность от промышленных источников эмиссии (табл. 1), что отражается на интенсивности биогеохимического круговорота соединений кобальта фитомассой древостоя боров, классе бонитета и жизненности деревьев.

Таблица 1 - Среднее содержание соединений кобальта в Pinus sylvestris L. по пунктам отбора, мг/кг сухого вещества

Примечание: в числителе –  $\overline{x} \pm m\overline{x}$ (Сv,%), в знаменателе – min-max.

Установлено, что в сравнении с хвоей и ветками Pinus sylvestris L. листья и ветки лиственных пород деревьев характеризуются максимальным накоплением соединений кобальта, причем листья Populus tremula L. накапливают большее количество соединений кобальта по сравнению с листьями Betula pendula Roth. В побегах первого года жизни содержание соединений кобальта у Populus tremula L. выше, чем у Pinus sylvestris L., наименьшее – у Betula pendula Roth.

Определенным депо по отношению к соединениям кобальта служит корка деревьев, характер накопления металла в ней может зависеть от параметров микроклимата. Так, зольность корки с южной стороны у Pinus sylvestris L. и у Populus tremula L. примерно в 1,2 раза больше, чем с северной стороны, а содержание соединений кобальта с южной стороны, наоборот, меньше, чем с северной: для Pinus sylvestris L. в 1,7 раза, для Populus tremula L. в 1,3 раза. По сравнительной интенсивности поглощения соединений кобальта древесные породы располагаются в ряду: Populus tremula L. > Pinus sylvestris L. > Betula pendula Roth. [12].

Важным биогеохимическим показателем является зольность растения. Высокие показатели зольности (2,32 при значениях 1,59–2,95) органов и тканей Pinus sylvestris L. свидетельствуют о высокой газопоглотительной способности растения, наличии механизмов активной аккумуляции химических элементов не только из почвы, но и из атмосферного воздуха. Рассчитанные коэффициенты корреляции показали, что содержание соединений кобальта в воздушно-сухой массе древесных растений находится в прямой корреляционной зависимости от его содержания в золе, причем у Pinus sylvestris L. эта зависимость более выражена, чем у Populus tremula L. и Betula pendula Roth.

Оценивая среднее содержание соединений кобальта в органах и тканях деревьев, выявлено, что их содержание не превышает ПДК, приведенных в работах Н.В. Лукиной и В.В. Никонова [13], и значительно ниже критических и фитотоксичных значений.

Исходя из потенциальной биогеохимической подвижности металлов, согласно рядам биологического поглощения, для древесных растений кобальт является элементом сильного накопления, а исходя из показателя биотичности, существенной роли в общем круговороте веществ в лесной экосистеме не играет.

Выводы

Несмотря на то, что значительная территория сосновых лесов находится в зоне влияния населенных пунктов и промышленных комплексов Восточно-Казахстанской области Республики Казахстан, биогеохимическая оценка их состояния позволяет охарактеризовать почвенно-климатические условия на данной территории как удовлетворительные для произрастания насаждений сосны обыкновенной II-V классов бонитета. Древостой боров характеризуется достаточно высокой емкостью биологического поглощения соединений кобальта, для древесных растений кобальт является элементом сильного накопления, но исходя из показателя биотичности, существенной роли в общем круговороте веществ в лесной экосистеме не играет.

About the authors

Alfira Raviljevna Sibirkina

Author for correspondence.
Email: sibirkina_alfira@mail.ru

doctor of biological sciences, associate professor, head of Geoecology and Nature Management Department

Sergej Fedorovich Likhachev

Email: likhaschev@mail.ru

doctor of biological sciences, professor, head of Ecology Faculty

References

Supplementary files

Supplementary Files

Action

1. JATS XML

Download

2. Figure 1 - Distribution of cobalt compounds in organs and tissues of Pinus sylvestris L. 1-4 - needles of 1-4 years of life; 5-9 - shoots of 1-4 to 5-7 years of life; 10 - bark on the southern side, 11 - bark on the northern side of the tree; 12 - cones; 13 - wood - set of annual rings

Download (11KB)

Indexing metadata