Экологическая роль березы повислой в ограничении циркуляции металлов в условиях техногенного загрязнения

Береза повислая, благодаря своим биолого-экологическим особенностям, широко используется в создании защитных насаждений на территории крупных промышленных центров Предуралья [4]. В связи с этим существует необходимость изучить динамику накопления металлов в надземных органах березы повислой в условиях Стерлитамакского промышленного центра (СПЦ) и дать оценку влияния техногенеза на состояние лесных насаждений.

Исследования проводились в пределах санитарно-защитной зоны СПЦ, которой характеризуется высоким уровнем загрязнения. Валовые выбросы загрязняющих веществ в атмосферу составляют 85,4 тыс. т/год [1]. Работа проводилась на двух объектах СПЦ. Пробная площадь № 1 размером 18450 м, заложенная в культурах березы повислой, расположена в 1,5 км от источника загрязнения. Пробная площадь № 2 (16450 м) в культуре березы повислой расположена в 35 км от источника загрязнения [Условный контроль]. Объектом исследования служили культуры березы повислой в возрасте 45 лет. Заложение и описание пробных площадей [ПП] производилось в соответствии с общепринятыми методами [7].

Особое внимание при оценке относительно жизненного состояния березовых насаждений уделялось выявлению хлорозов и некрозов листьев и других повреждений древостоев атмосферными загрязнителями.

Рафик Хизбуллинович Гиниятуллин, старший научный сотрудник лаборатории лесоведения; Алексей Юрьевич Кулагин, заведующий той же лабораторией.

За основу исследования была принята методика В.А. Алексеева с соавторами [5].

ОЖС насаждения березы повислой определялось по 4-хбалльной шкале (табл. 1): здоровое насаждение (показатель ОЖС — 100-80%), ослабленное (79-50%), сильно ослабленное (49-20%), полностью разрушенное (19% и ниже). При характеристике каждого дерева насаждения на пробной площади оценивались: густота кроны, наличие мертвых сучьев, степень поражения листьев (некрозы, хлорозы, скручивание, повреждения насекомыми и болезнями и т.д.).

При обследовании насаждения в условиях СПЦ и в зоне условного контроля были обнаружены признаки повреждения отдельных листьев березы в виде хлорозов и некрозов. В целом исследуемое насаждение в условиях СПЦ и в зоне условного контроля было оценено как здоровое. Нами была отмечена консервация металлов листьями, ветвями березы повислой в условиях СПЦ ПП 1 и в зоне условного контроля ПП 2 и рассчитано количество металлов, накапливаемых в древесных насаждениях за вегетационный период. В среднем дерево березы повислой (возраст 44 года) в условиях СПЦ формирует в пересчете на сухое вещество 23,5 кг ветвей и 17,420 кг листьев, а в зоне условного контроля — 24,286 кг ветвей и 17,920 кг листьев. Содержание металлов в образцах, взятых на различном расстоянии от источника загрязнения, отличается. Также различается в значительной степени содержание металлов в образцах, отобранных в различных частях кроны и ствола.

Таблица 1

Характеристика ОЖС насаждения березы повислой в санитарно-защитной зоне СПЦ и в зоне условного контроля

Среднее содержание металлов в органах березы повислой в условиях СПЦ

Год закладки насаждений	Средние показатели			Соотношение деревьев в насаждении, шт.				Ln, %	Категория жизненного состояния
	всего п/п шт.	д ср., см	Н ср., М	здоровое	ослабленное	сильно ослаб ленное	сухие
СПЦ 1963	30	18	16	22	8	2	0	88,1	здоровое
В зоне условного контроля	30	22	20	53	14	3	0	91,5	здоровое

Таблица 2

Образец	Часть кроны	Возд.-сух. масса, кг	Среднее содержание металлов, мг/кг возд.-сух. массы
			Июнь				Июль				Август
			Mn	Fe	Cd	Pb	Mn	Fe	Cd	Pb	Mn	Fe	Cd	Pb
Листья	Верхняя	5,100	246	358	0,15	0,6	248	378	0,17	1,2	260	363	0,18	2,6
	Средняя	9,120	350	680	0,23	0,7	355	780	0,25	1,4	360	693	0,26	2,9
	Нижняя	3,200	270	600	0,24	1,5	276	640	0,26	1,8	280	622	0,27	2,5
Ветви	Верхняя	7,140	254	510	0,10	1,7	260	560	0,11	2,0	266	540	0,12	2,7
	Средняя	10,810	228	460	0,15	9,8	230	480	0,16	11	237	471	0,18	12,8
	Нижняя	5,550	275	401	0,16	1	280	424	0,17	2	283	418	0,19	4
Листья среднего дерева		17,420	866	1638	0,62	2,8	879	1798	0,68	4,4	900	1678	0,71	8
Ветви среднего дерева		23,500	757	1371	0,41	12,5	770	1464	1,01	15	786	1429	0,49	19,5

Среднее содержание металлов в органах березы повислой в зоне условного контроля

Листья	Верхняя	5,200	82	560	0,1	1,2	98	600	0,1	1,3	94	580	0,3	1,6
	Средняя	9,320	90	950	0,2	1,1	105	1028	0,2	1,2	98	1017	0,4	1,4
	Нижняя	3,400	110	400	0,1	0,5	129	420	0,2	0,7	123	410	0,3	0,9
Ветви	Верхняя	7,440	90	260	0,7	1,0	92	291	0,9	1,2	91	271	0,13	1,6
	Средняя	11,110	120	627	0,9	1,2	138	645	0,12	1,4	136	636	0,18	1,7
	Нижняя	5,736	290	1300	0,8	1,6	324	1370	0,11	1,9	317	1345	0,19	2,3
Листья среднего дерева		17,920	282	1910	0,4	2,8	332	2048	0,5	3,2	315	2007	1	3,9
Ветви среднего дерева		24,286	500	2187	2,4	3,8	554	2306	1,13	4,5	544	2252	0,5	4,8

Изучение содержания металлов в листьях, ветвях березы повислой в условиях СПЦ и в зоне условного контроля показало ряд особенностей.

В ПП № 1 сезонная динамика содержания марганца и железа в листьях верхней, средней и нижней частях кроны березы повислой в условиях СПЦ характеризуется увеличени ем концентрации от начала к середине вегетации, а затем небольшое снижение. Наиболее высокие концентрации железа и марганца в листьях установлены в июле, железа — в листьях средней части кроны, а концентрации марганца — в нижней части кроны.

Несмотря на снижение содержания Mn, Fe перед листопадом в листьях верхней, средней и нижней частях кроны, связанное видимо, с известным явлением перехода питательных веществ и минеральных соединений из стареющих листьев в ветви [3], в конечном итоге концентрации Fe и Mn в осенних листьях выше, чем в молодых. Сравнение полученных нами концентраций Mn и Fe в листьях березы показало, что аккумуляция железа происходит более интенсивно, чем аккумуляция марганца. В ПП № 2 в листьях березы повислой содержание Mn характеризуется увеличением концентрации от весны к осени, а содержание Fe, как и в ПП № 1, увеличивается до середины вегетации, а затем происходит небольшое снижение. Несмотря на снижение содержания железа в осенних листьях в верхней, средней и нижней частях кроны, концентрация Fe в конце вегетации выше, чем в молодых листьях.

Несколько иная картина наблюдается в консервации Mn, Fe в ветвях березы повислой в верхней, средней, нижней части кроны в ПП № 1 в условиях СПЦ и ПП № 2 в зоне условного контроля. Выявлены следующие особенности консервации Mn и Fe в ветвях. В ПП № 1 в ветвях содержание Mn в верхней, средней и нижней частях кроны нарастает от весны к осени незначительно. Содержание Mn в образцах на различной высоте кроны и ствола отличается. Значительное накопление Mn происходит в ветвях березы повислой в нижней части кроны. Наибольшие различия в концентрациях Mn наблюдается в ПП № 2 в верхней части кроны березы. Содержание Mn в верхней части кроны в 2,3-3,5 раза ниже, чем в средней и нижней частях кроны. В ПП № 2 в ветвях в нижней части кроны содержание Mn составляет в июне 324 мг/кг.

Наиболее высокие концентрации железа установлены в ПП № 1 и ПП № 2 в период стабилизации площади листовой фотосинтезирующей поверхности. Такой ход сезонной динамики биогенных элементов в листьях в основном объясняется следующими процессами. Весной происходит приток элементов к растущим органам, в это время их содержание в листьях увеличивается, а в ветвях уменьшается. Сезонная динамика содержания железа в листьях березы в условиях загрязнения в ПП № 1 и в зоне условного контроля в ПП № 2 характеризуется увеличением концентрации от начала до середины вегетации, затем наблюдается тенденция к снижению. Так, с середины до конца вегетации содержа ние Fe в ПП № 1 и ПП № 2 уменьшается на 4-5% по сравнению с началом. Несмотря на снижение содержания Fe в ПП № 1 и ПП № 2 перед листопадом, в осенних листьях выше, чем в молодых (табл. 2).

Имеющиеся данные свидетельствуют о том, что концентрация железа в листьях и ветвях в ПП № 1 и ПП № 2 увеличивается за счет поглощения их из почвы. Содержание Fe в ветвях разных пробных площадей сильно колеблется. В ПП № 2 в ветвях в нижней части кроны березы содержание Fe составляет в июне — 1300 мг/кг, в июле — 1370 мг/кг, а в августе — 1345 мг/кг. А в ПП № 1 в ветвях в нижней части кроны оно почти 3-4 раза ниже, чем ПП № 2. В ПП № 1 в ветвях верхней части кроны наблюдается повышенное содержание железа (табл. 2).

Одной из причин наиболее высокой концентрации Fe в листьях, ветвях березы повислой является более интенсивное поглощение Fe корневыми системами растений. Сопоставимые данные были получены Ильку-ном при изучении содержания в воздухе промышленных центров солей Fe, Cu, Co, Ni, Cd [2]. Перечисленные элементы проникают в растения через листья и из почвы — через корни. Это доказано многими экспериментами в искусственных и естественных условиях. Следует отметить, что пространственная изменчивость концентрации Fe в листьях, ветвях березы в течение вегетации определяется комплексом антропогенных факторов, которые характеризуются нескольким количественными и качественным переменными: удаленностью от источника загрязнения, расстоянием от дороги, наличием механических барьеров-экранов в виде зданий, загрязнением почвы тяжелыми металлам.

Основываясь на некоторых литературных данных [6], а также на результатах собственных исследований, можно сделать предположение, что в условиях промышленного загрязнения установлен ряд изменений в состоянии березы повислой, прежде всего диспропорция в соотношении биологически необходимых элементов в листьях, ветвях и в коре. Нарушение соотношений между Mn и Fe в условиях загрязнения наблюдается в ПП № 1 и ПП № 2. Наиболее резко меняются отношения Fe/Mn в листьях, ветвях березы в ПП № 2. В ПП № 2 в условиях загрязнения среднее содержание Fe и Mn в листьях березы составляет Fe — 560 мг/кг, Mn — 82 мг/кг, в ветвях составляет Fe — 260 мг/кг,

Mn — 90 мг/кг. Содержание Fe в листьях в 6,8 раза, в ветвях 3-4 раза выше, чем содержание марганца. В ПП № 1 и ПП № 2 сходные тенденции в изменении активности накопления Fe и Mn отмечены в листьях и ветвях в течение вегетации. В условиях промышленного загрязнения в течении вегетации в органах березы повислой нормальное соотношение между Fe и Mn нарушено в пользу Fe.

Сезонная динамика содержания Cd и Pb в листьях, ветвях, коре березы в условиях в ПП № 1 и в зоне условного контроля ПП № 2 характеризуется увеличением концентрации от весны до осени.

ПП № 1 расположена вблизи дорог и в 11,5 км от источника загрязнения, концентрации Cd и Pb в листьях березы значительно отличается, чем в ПП № 2. В ПП № 1 и ПП № 2 концентрация Cd и Pb, как правило, как отмечено выше, нарастает от весны к осени, что связано с накоплением Cd и Pb в старых листьях. Содержание Cd в ПП № 2 в листьях и ветвях увеличивается незначительно (в 1,11,3 раза) (табл. 2).

Наибольшее количество Cd накапливается в листьях, ветвях в нижней части кроны березы. Содержание Cd в ПП № 1 и ПП № 2 по высоте ствола изменяется. Как в листьях, так и в ветвях с увеличением высоты ствола уменьшается содержание Cd. Наибольшее количество Cd накапливается в листьях, ветвях в нижней части кроны березы.

Видимо соединения кадмия на поверхности растений распределяются следующим образом: часть выпадений удаляется ветром и дождем, некоторое количество сорбируется на поверхности, частично поглощаясь растениями, а частично, при определенных условиях, смываются Cd из верхней части кроны березы в нижнюю часть.

Сезонная динамика содержания Pb в листьях, ветвях в ПП № 1, № 2 характеризуется увеличением концентрации от весны к осени. Причем в листьях березы содержание свинца в конце вегетации в ПП № 1 увеличивается в 3-4 раза, а в ПП № 2 в 1,5-2 раза, по сравнению с началом вегетации. Такая закономерность проявляется в течение сезона в листьях березы верхней, средней, нижней части кроны.

В начале вегетации содержание свинца в листьях, ветвях в ПП № 1 заметно отличается от ПП № 2.

Наибольшие различия в концентрации Pb обнаружены в ветвях березы в средней части кроны в ПП № 1. Указанные различия наблюдаются в течении вегетации. В начале и в конце вегетации различия в содержании Pb в листьях, ветвях на различном расстоянии от источника загрязнения становятся хорошо выраженными. В листьях и ветвях в ПП № 1 и ПП № 2 в августе содержится больше Pb, чем содержалось в начале лета.

Отдельные органы березы весьма существенно различаются по содержанию Pb. Как правило, содержание Pb в ветвях во много раз выше, чем в листьях. По содержанию Pb надземные органы березы повислой можно расположить в следующий ряд: ветви — листья.

Нами был отмечен феномен биологической консервации металлов листьями и ветвями березы повислой в условиях Стерлитамакского промышленного загрязнения и рассчитано количество металлов, накапливаемых в древесных насаждениях за вегетационный период. В среднем дерево березы повислой (возраст 44 года) в условиях СПЦ формирует в пересчете на сухую массу 24,286 кг ветвей и 17,420 кг листьев.

На основании полученных результатов мы попытались дать оценку очистной функции березы повислой в условиях СПЦ.

Расчеты свидетельствуют о том, что в условиях загрязнения одно дерево березы повислой аккумулирует за вегетационный сезон в листьях: Ca — 19 720 мг/кг; Mn -; Fe — 1638; Pb — 2,8; Cd — 0,62. В ветвях их содержание составляет: Ca — 29 520 мг/кг; Mn — 757; Fe — 1371; Pb — 12,5; Cd — 0,41.

В условиях Стерлитамакского промышленного центра на 1 га насаждений березы повислой в среднем формируется 12 890 кг сухой массы листьев и 17 971 кг сухой массы ветвей. Отсюда следует, что 1 га лесных насаждений березы повислой способен накапливать в листьях в течение вегетационного сезона в условиях промышленного загрязнения: Ca — 254 кг; Mn — 4,2; Fe — 1,573; Pb — 3,1 г; Cd — 1,11, а в ветвях способен накапливать: Ca — 537 кг, Mn — 25,69; Fe — 1,674; Pb — 4,5 г; Cd — 4,2 г.

В целом следует отметить успешное произрастание березы повислой в насаждениях санитарно-защитной зоны Стерлитамакского промышленного центра. В течение вегетационного сезона в листьях, побегах происходит накопление металлов, что свидетельствуют о выполнении насаждениями защитных функ- ций по ограничению распространения металлов в окружающей среде.

ÑÏÈÑÎÊ ËÈÒÅÐÀÒÓÐÛ

• 1.    Государственный доклад о состоянии окружающей среды Республики Башкортостан в 2005 г. Уфа, 2006.

• 2.    Илъкун Г.М. Загрязнители атмосферы и растения. Киев: Наук. Думка, 1978.

• 3.    Крамер П.Д., Козловский Т.Т. Физиология древесных растений. М: Лесн. пром-ть. 1983.

• 4.    Кулагин Ю.З. Индустриальная дендроэкология и прогнозирование. М.: Наука, 1985.

• 5.    Лесные экосистемы и атмосферное загрязнения / Под ред. В.А. Алексеева. Л.: Наука, 1990.

• 6.    Парибок Т.А., Сазыкина Н.А., Тэмп Г.А. Содержание металлов в листьях деревьев в городе // Бот. журн. 1982. Т. 67, № 11.

• 7.    Сукачев В.Н., Зоин Е.В., Мотовилов Г.Н. Методические указания к изучению типов леса. М.: Изд-во АН СССР, 1957.