Элементный состав растений в лиственных лесах послерубочного происхождения средней тайги Республики Коми
Автор: Пристова Татьяна Александровна
Журнал: Принципы экологии @ecopri
Рубрика: Оригинальные исследования
Статья в выпуске: 4 (42), 2021 года.
Бесплатный доступ
Изучен элементный состав шести видов дикорастущих лесных растений, произрастающих в разновозрастных лиственных лесах послерубочного происхождения, относящихся к 6 семействам: Ericaceae (Vaccinium vitis-idaea), Juncaceae (Juncus filiformis), Polytrichacea (Polytrichum commune), Sphagnaceae (Sphagnum magellanicum), Salicaceae (Salix caprea), Betulaceae (Betula pendula). Определена концентрация 14 химических элементов: Mg, Ca, K, Na, Mn, Fe, Al, S, P, Cu, Zn, Ni, Сd, Pb. Установлено, что среди исследуемых растений наиболее высоким содержанием большинства определяемых элементов отличаются листья ивы и березы, низким - брусника и кукушкин лен. Суммарная концентрация определяемых элементов в растениях исследуемых лиственных фитоценозов изменяется от 1.4 до 3.6 % а.с.в. Доминирующими элементами в минеральном составе изучаемых видов растений являются Ca и K, на которые приходится более половины от суммарного количества определяемых элементов. Концентрация Cu, Zn, Na, Fe, Al, Ni, Cd, Pb в изучаемых видах растений, как правило, не превышает 8 % от суммарного количества определяемых элементов. Выявлено различие в химическом составе между растениями одного вида, произрастающими в березово-еловом молодняке и осиново-березовом насаждении. Установлено, что для большинства изучаемых видов суммарное содержание и концентрация ряда элементов в осиново-березовом насаждении выше, чем в молодняке, что обусловлено возрастом древостоев и экологической изменчивостью. Для исследуемых видов растений превышения ПДК по тяжелым металлам практически не наблюдается, поэтому полученные данные могут быть использованы при проведении экологического мониторинга в лиственных лесах.
Средняя тайга, лиственные леса, элементный состав растений
Короткий адрес: https://sciup.org/147240065
IDR: 147240065
Текст научной статьи Элементный состав растений в лиственных лесах послерубочного происхождения средней тайги Республики Коми
Химический состав растений определяется видоспецифичностью и может зависеть от фазы их развития, ряда факторов окружающей среды, природно-климатических и ландшафтно-геохимических условий произрастания (Перельман, 1961). Изменчивость в содержании химических элементов в лесных растениях может быть экологической, сезонной, индивидуальной (Митрофанов,
1977). Антропогенное влияние на элементный состав растений различно. Например, это могут быть выбросы промышленных предприятий, которые приводят к накоплению тяжелых металлов в растениях (Ильин, 1991). Однако возможно косвенное влияние, в частности рубка лесов и последующее формирование лиственных фитоценозов на месте хвойных, которое приводит к изменению видового состава и условий местообитания растений (Дегтева, 2002). Кроме того, в настоящее время существует проблема, связанная с отсутствием ПДК для некоторых элементов в растениях при проведении экологического мониторинга территорий, имеющих техногенную нагрузку, и оценке растительного сырья (Гигиенические…, 2002), и для этих целей могут использоваться данные об их содержании в растениях, призрастаю-щих на фоновых территориях (Шелепова, Пименова, 2007). Химический (минеральный) состав различных видов растений в бореальных лесах изучается как в России, так и за рубежом (Guha, Mitchell, 1965; Ильин, 1991; Reimann, 2001; Tamminen et al., 2004; Шелепова, Пименова, 2007; Melvin, 2015; Первышина и др., 2002). Исследования химического состава растений в хвойных лесах среднетаежной зоны проведены в Республике Карелия (Казимиров, Морозова, 1973), Республике Коми (Продуктивность…, 1975; Осипов и др., 2014; Робакидзе и др., 2020). В лиственных насаждениях послерубочного происхождения они проводятся реже (Казимиров и др., 1978; Пристова, 2008; Бобкова, Лиханова, 2019). Цель исследования состояла в оценке химического состава и накопления минеральных элементов в растениях, произрастающих в разновозрастных лиственных фитоценозах послерубочного происхождения.
Материалы
Сбор растений проводили в Княжпогост-ском районе Республики Коми на территории Кылтовского участкового лесничества ГУ РК «Железнодорожное лесничество» в березово-еловом молодняке разнотравном (12 лет), осиново-березовом насаждении разнотравно-черничного типа (40 лет), до рубки на их месте произрастали ельники (62°19’ с. ш. 50°55’ в. д.) (Лесохозяйственный регламент..., 2008). Подробная таксационная характеристика этих объектов приведена ранее (Пристова, 2019). Объектами изучения были надземные части наиболее распространенных и часто встречающихся в исследуемых лесах 6 видов дикорастущих растений, относящихся к 6 семействам: 1. Vaccinium vitis-idaea L. сем. Ericaceae – брусника обыкновенная; 2. Juncus filiformis L., сем. Juncaceae – ситник нитевидный; 3. Polytrichum commune Hedw., сем. Polytrichacea – кукушкин лен; 4. Sphagnum magellanicum Brid., сем. Sphagnaceae – сфагнум магелланский; 5. Salix caprea L., сем. Salicaceae – ива козья (листья); 6. Salix caprea L., сем. Salicaceae – ива козья (ветви);
7. Betula pendula Ehrh., сем. Betulaceae – береза бородавчатая (листья).
Методы
Отбор растительных образцов производился в III декаде июля в 20-кратной повторности. Для анализа отбирали средние пробы надземной части растений, которые высушивали при 105 ˚С до абсолютно-сухого состояния и измельчали. Минерализацию проб проводили по ПУ 01-05 «Методические указания по проведению разрушения органических веществ в природных, питьевых, сточных водах и пищевых продуктах на микроволновой системе «Минотавр-2»». В растительных пробах методом атомно-эмиссионной спектроскопии с индуктивно-связанной плазмой (АЭС ИСП) были определены 14 элементов: Cu, Zn, Mg, Ca, K, Na, Mn, Fe, Al, S, P, Ni, Сd, Pb. Количественный состав растений определялся в экоаналитической лаборатории Института биологии Коми НЦ УрО РАН, аккредитованной в Системе аккредитации аналитических лабораторий (аттестат № РОСС RU.0001.511257 от 2008 г.). Концентрация элементов представлена мг/кг и % абсолютно-сухого вещества (а. с. в.)
Результаты
Результаты исследования показали, что исследуемые виды растений, произрастающие в лиственных лесах послерубочного происхождения, отличаются по уровню аккумуляции элементов. Высоким содержанием большинства определяемых элементов отличаются листья ивы и березы, низким – брусника и кукушкин лен (табл. 1, 2). Помимо листьев ивы и березы, относительно много калия накапливается в ситнике и кукушкином льне (≥10000 мг/кг), кальция – в ветвях ивы (≥12000 мг/кг), магния – в сфагнуме (≥2000 мг/кг), марганца – в бруснике (≥1700 мг/кг), серы – в ситнике (≥1600 мг/кг), натрия – в сфагнуме (≥300 мг/кг) (см. табл. 1). Другими исследователями также показаны высокие концентрации калия, магния, кальция для листьев березы (Guha, Mitchell, 1965; Первышина и др., 2002), марганца для брусники (Ingestad, 1973; Робакидзе, 2020), натрия для сфагнума (Бобкова, Лиханова, 2019).
Наиболее высоким содержанием железа (≥180 мг/кг), алюминия (≥470 мг/кг) и никеля (≥7 мг/кг) отличаются кукушкин лен и сфагнум; цинка (≥ 92 мг/кг) – листья и ветви ивы, листья березы; меди (≥8 мг/кг) – ситник, листья и ветви ивы (см. табл. 2). Повы-
Таблица 1. Содержание элементов в надземной части исследованных растений, мг/кг а. с. в.
Вид растения |
Cu |
Zn |
Na |
Fe |
Al |
Ni |
Cd |
Pb |
Осиново-березовое насаждение |
||||||||
Брусника |
7 ± 2 |
40 ± 8 |
50 ± 20 |
230 ± 70 |
410 ± 110 |
3 ± 1 |
<0.2 |
<1 |
Ситник |
10 ± 2 |
67 ± 14 |
45 ± 17 |
440 ± 12 |
940 ± 235 |
4 ± 1 |
0.2 ± 0.1 |
1.3 ± 0.3 |
Кукушкин лен |
7 ± 1 |
43 ± 9 |
74 ± 30 |
180 ± 54 |
710 ± 180 |
10 ± 3 |
<0.2 |
<1 |
Сфагнум |
5 ± 1 |
64 ± 13 |
350 ± 140 |
290 ± 140 |
470 ± 120 |
8 ± 2 |
<0.2 |
<1 |
Ива (листья) |
4 ± 1 |
140 ± 28 |
100 ± 40 |
58 ± 16 |
34 ± 9 |
7 ± 2 |
<0.2 |
<1 |
Ива (ветви) |
5 ± 1 |
230 ± 50 |
58 ± 23 |
47 ± 13 |
35 ± 9 |
4 ± 1 |
<0.2 |
<1 |
Береза (листья) |
5 ± 1 |
150 ± 30 |
50 ± 20 |
78 ± 22 |
44 ± 16 |
12 ± 4 |
<0.2 |
<1 |
Березово-еловый молодняк |
||||||||
Брусника |
4 ± 1 |
27 ± 5 |
23 ± 9 |
170 ± 50 |
380 ± 95 |
3 ± 1 |
<0.2 |
<1 |
Ситник |
8 ± 2 |
70 ± 14 |
40 ± 16 |
700 ± 200 |
860 ± 215 |
5 ± 2 |
0.2 ± 0.1 |
1.5 ± 0.4 |
Кукушкин лен |
7 ± 1 |
46 ± 9 |
220 ± 90 |
170 ± 60 |
1000 ± 400 |
4 ± 1 |
0.2 ± 0.1 |
<1 |
Сфагнум |
4 ± 1 |
76 ± 15 |
300 ± 120 |
460 ± 138 |
720 ± 180 |
7 ± 2 |
0.2 ± 0.1 |
<1 |
Ива (листья) |
10 ± 2 |
92 ± 18 |
21 ± 9 |
120 ± 30 |
49 ± 12 |
2 ± 0.8 |
<0.2 |
<1 |
Ива (ветви) |
18 ± 4 |
260 ± 50 |
37 ± 15 |
87 ± 24 |
28 ± 7 |
2 ± 0.7 |
0.2 ± 0.1 |
<1 |
Береза (листья) |
5 ± 1 |
230 ± 50 |
16 ± 6 |
82 ± 23 |
50 ± 13 |
3 ± 0.9 |
0.4 ± 0.2 |
<1 |
Содержание в растениях (Ильин, 1991) |
6–15 |
25–250 |
– |
200 |
– |
0-8 |
0–0.5 |
2–14 |
ПДК (Гигиенические требования..., 2002) |
100 |
– |
– |
50 |
– |
– |
1 |
10 |
Примечание. – нет данных.
шенное содержание Al, Fe и Ni отмечается в растениях рода Sphagnum в хвойных лесах Финляндии (Tamminen et al., 2004). Самая низкая концентрация в изучаемых видах растений характерна для Сd (≤0.4 мг/кг) и Pb (≤1.5 мг/кг).
Сумма определяемых элементов в растениях исследуемых лиственных фитоценозов изменяется от 14188 до 35695 мг/кг, или в процентном выражении – от 1.4 до 3.6% а. с. в. (рисунок). Довольно близкие показатели по сумме элементов в процентах а. с. в. приводятся для изучаемых видов другими исследователями (Продуктивность…, 1975; Казимиров и др., 1978).
Доминирующими элементами в минеральном составе изученных видов растений являются Ca и K. На них приходится более половины суммарного количества определяемых элементов. На долю кальция в растениях приходится от 15 до 38 %, калия – от 21 до 52 % от суммы определяемых элементов. Содержание Са + К может достигать 83 % от суммы элементов. Концентрация Cu,
Zn, Na, Fe, Al, Ni, Cd, Pb в изучаемых видах растений, как правило, не превышает 8 % от суммы элементов. Наибольшим содержанием этих элементов отличаются сфагнум, кукушкин лен и ситник.
Обсуждение
Как известно, на химический состав растений оказывают влияние конкретные условия призрастания. Эти различия могут быть значительны даже в пределах двух рядом расположенных участков леса и определяются экологической изменчивостью (Митрофанов, 1977). Сопоставляя суммарную концентрацию элементов в растениях иследуемых лиственных фитоценозов, можно отметить, что для одного и того же вида этот показатель различается. В средневозрастном осиново-березовом насаждении суммарное содержание элементов в сфагнуме, кукушкином льне, листьях березы, брусники и ветвях ивы выше, а в ситнике и листьях ивы ниже, чем в березово-еловом молодняке (см. рисунок). Это обусловлено тем, что для боль-
Кроме того, процентное соотношение элементов в их суммарном количестве для каждого вида в исследуемых насаждениях различно. Например, доля кальция в сумме определяемых элементов в листьях ивы и березы, произрастающих в осиново-березовом насаждении, в среднем на 14 % выше, а калия в листьях ивы на 14 % ниже, чем в березово-еловом насаждении. Это обусловлено различием в возрасте деревьев. Как известно, с увеличением возраста древостоев содержание кальция в их надземной фитомассе увеличивается (Митрофанов, 1977). Доля марганца в суммарном количестве определяемых элементов для отдельных видов растений в обоих лиственных насаждениях приблизительно одинакова, за исключением мхов. Это связано с тем, что Mn отличается меньшей экологической изменчивостью по сравнению с другими элементами (Митрофанов, 1977). Являясь одним из важнейших микроэлементов, уровень его содержания зависит от наличия доступной формы в почве (Перельман, 1961). Доля магния в сумме определяемых элементов во всех изучаемых видах практически одинакова и составляет в среднем 7–8 %. Это подтверждается исследованиями Д. П. Митрофанова (1977), проведенными в лесах Сибири (Митрофанов, 1977). Исключение составляют листья березы в березово-еловом молодняке, в которых доля магния в общей сумме элементов в 2 раза выше. Это объясняется возрастом деревьев березы в молодняке и связанным с ним более низким содержанием кальция, о котором упоминалось выше. При этом непосредственно концентрация Mg в листьях березы в березово-еловом молодняке несколько ниже, чем в осиново-березовом насаждении (см. табл. 2). Следует отметить, что

■ Осиново-березовое насаждение ОБерезово-еловь^! молодняк
Суммарное содержание элементов в исследуемых растениях, произрастающих в осиново-березовом насаждении и березово-еловом молодняке, % а. с. в.
Total content of elements in the studied plants growing in the aspen-birch plantation and birch-spruce young stand, % of dry matter для некоторых элементов в изученных видах растений различия между березово-еловым молодняком и осиново-березовым насаждением статистически незначимы (р < 0.05). Таким образом, химический состав одних и тех же видов растений, произрастающих в березово-еловом молодняке и осиново-березовом насаждении, различен и обусловлен возрастом древостоев и экологической изменчивостью.
Особенности химического (элементного) состава систематических групп растений проявляются достаточно отчетливо в любых условиях их существования (Перельман, 1961). Поэтому аккумулятивный ряд элементов для каждого вида изученных растений, независимо от типа леса, идентичен и имеет следующий вид:
-
1. Vaccinium vitis-idaea Ca > K > Mn > Mg > P > S > Al > Fe > Na > Zn > Cu > Ni > Pb > Cd
-
2. Juncus filiformis K > Ca > P > Mn > Mg > S > Al > Fe > Zn > Na > Cu > Ni > Pb > Cd
-
3. Polytrichum commune K > Ca > P > S > Mg > Al > Mn > Fe > Na > Zn > Cu > Ni > Pb > Cd
-
4. Sphagnum magellanicum K > Ca > Mg > P > S > Mn > Fe > Al > Na > Zn > Cu > Ni > Pb > Cd
-
5. Salix caprea (листья) Ca > K > Mg > P > S > Mn > Zn > Fe > Na > Al > Cu > Ni > Pb > Cd
-
6. Salix caprea (ветви) Ca > K > Mg > P > S > Mn > Zn > Fe > Al > Na > Cu > Ni > Pb > Cd
-
7. Betula pendula (листья) Ca > K > Mg > P > S > Mn > Zn > Fe > Al > Na > Cu > Ni > Pb > Cd
Согласно представленным рядам исследуемые виды растений по сочетанию доминирующих элементов делятся на 2 группы: 1) K > Ca > P(Mg) характерен для Juncus filiformis , Polytrichum commune , Sphagnum magellanicum ; 2) Ca > K > Mg(Mn) – Salix caprea (листья и ветви), Betula pendula (листья), Vaccinium vitis-idaea.
Содержание тяжелых металлов в исследуемых растениях практически не превышает ПДК (Гигиенические требования…, 2002). Концентрация элементов для большинства исследуемых видов находится в пределах нормы (Ильин, 1991).
Заключение
Определена концентрация 14 элементов (Mg, Ca, K, Na, Mn, Fe, Al, S, P, Cu, Zn, Ni, Сd, Pb) в надземной фитомассе шести видов растений, относящихся к семействам Juncaceae, Ericaceae, Salicaceae, Polytrichacea, Sphagnaceae, Betulaceae, произрастающих в березово-еловом молодняке и осиновоберезовом насаждении послерубочного происхождения средней тайги Республики Коми.
Установлено высокое суммарное содержание определяемых элементов в листьях растений семейств Salicaceae ( Salix caprea ) и Betulaceae ( Betula pendula ), низкое – для представителей семейств Polytrichacea (Polytrichum commune) и Ericaceae ( Vaccinium myrtillus ) . Наиболее высокая концентрация в изучаемых видах растений отмечена для Ca, K, P, S и Mg (≥930 мг/кг), низкая – для Ni, Pb, Cd, Cu (<18 мг/кг). Более половины суммарного количества определяемых элементов приходится на Ca и K. Содержание Cu, Zn, Na, Fe, Al, Ni, Cd, Pb в изучаемых видах растений составляет около 8 % от суммарного содержания определяемых элементов.
Выявлено различие в химическом составе между растениями, произрастающими в бе резово-еловом молодняке и осиново-березовом насаждении. При этом аккумулятивный ряд содержания элементов для каждого исследуемого вида растения в них идентичен. Установлено, что для большинства изучаемых видов суммарное содержание и концентрация ряда элементов в осиново-березовом насаждении выше, чем в молодняке, что обусловлено возрастом древостоев и экологической изменчивостью.
Для исследуемых видов растений в условиях средней тайги Республики Коми практически не выявлено превышение ПДК по тяжелым металлам, поэтому полученные данные могут быть использованы при проведении экологического мониторинга в лиственных лесах.
Список литературы Элементный состав растений в лиственных лесах послерубочного происхождения средней тайги Республики Коми
- Бобкова К. С., Лиханова Н. В. Потоки азота и зольных элементов в системе почва фитоценоз на вырубках среднетаежных ельников Республики Коми // Лесоведение. 2019. № 6. С. 512-523.
- Гигиенические требования безопасности и пищевой ценности пищевых продуктов. Санитарно-эпидемиологические правила и нормативы (СанПин3.2 1078-01) . М.: Минздрав России, 2002. 74 с.
- Дегтева С. В. Лиственные леса подзон южной и средней тайги Республики Коми : Автореф. дис. ... д-ра биол. наук. Сыктывкар, 2002. 37 с.
- Ильин В. Б. Тяжелые металлы в системе почва растение . Новосибирск, 1991. 151 с.
- Казимиров Н. И., Морозова Р. М. Биологический круговорот веществ в ельниках Карелии . Л.: Наука, 1973. 175 с.
- Казимиров Н. И., Морозова Р. М., Куликова В. Н. Органическая масса и потоки веществ в березняках средней тайги . Л.: Наука, 1978. 216 с.
- Лесохозяйственный регламент ГУ «Железнодорожное лесничество» Комитета лесов Республики Коми. 2008 . URL: www.komles.rkomi.ru (дата обращения 15.02.2009).
- Митрофанов Д. П. Химический состав лесных растений Сибири . Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1977. 120 с.
- Осипов А. Ф., Манова С. О., Бобкова К. С. Запасы и элементный состав растений напочвенного покрова в среднетаежных сосняках послепожарного происхождения (Республика Коми) // Растительные ресурсы. 2014. Т. 50. Вып. 1. С. 3-11.
- Первышина Г. Г., Ефремов А. А., Гордиенко Г. П., Агафонова Е. А., Губанова И. С., Гоголева О. В. К вопросу комплексного изучения березы повислой (Betula pendula Roth.), произрастающей в Красноярском крае // Химия растительного сырья. 2002. № 3. С. 17-20.
- Перельман А. И. Геохимия ландшафта . М.: Географгиз, 1961. 496 с.
- Пристова Т. А. Динамика древесной растительности в лиственных насаждениях послерубочного происхождения (подзона средней тайги Республики Коми) // Принципы экологии. 2019. № 3. С. 63-73. DOI: 15393/j1.art.2019.9142.
- Пристова Т. А. Биологический круговорот веществ во вторичном лиственно-хвойном насаждении средней тайги // Экология. 2008. № 3. С. 189-195.
- Продуктивность и круговорот элементов в фитоценозах Севера . Л.: Наука, 1975. 130 с.
- Робакидзе Е. А., Бобкова К. С., Наймушина С. И. Элементный состав доминирующих видов растений в среднетаежных сосняках разного возраста (на примере Республики Коми) // Растительные ресурсы. Т. 50. Вып. 1. С. 53-65.
- Шелепова О. В., Пименова М. Е. Особенности микроэлементного состава дикорастущих лекарственных растений Архангельской области // Материалы III всеросийской школы-конференции «Актуальные проблемы геоботаники». Петрозаводск, 2007. С. 298-302.
- Guha M. M., Mitchell R. L. The trace and major element composition of the leaves of some deciduous trees // Plant and soil. 1965. № 3. P. 323-338.
- Ingestad T. Mineral nutrient requirements of Vaccinium vitis-idaea and Vaccinium myrtillus // Phisiol. Plant. № 29. 1973. P. 239-246.