Элементный состав растений в предгорных лесах Приполярного Урала Республики Коми

Элементный состав растений видоспецифичен и зависит от фазы развития растения, факторов окружающей среды, почвенных, природно-климатических и ландшафтно-геохимических условий произрастания [1, 2]. Химические элементы играют в растительном организме субстратную и регуляторную роль, входят в состав органических веществ и контролируют скорость физиологических процессов. Исследования элементного состава лесных растений, произрастающих в бореальных лесах, с определением их видоспецифичности в аккумуляции макро- и микроэлементов, про водятся как в России, так и за рубежом [2, 3, 4,

• 5,    6]. Загрязнение окружающей среды приводит к аккумуляции в растениях тяжелых металлов [7]. При экологическом мониторинге территорий, имеющих техногенную нагрузку, существует проблема с ПДК некоторых элементов для растений. В этом случае используют данные о содержании элементов в растениях, произрастающих на фоновых участках [8].

Фундаментальные исследования элементного состава в растениях таежной зоны были проведены в Республике Карелия [9] и Кольском п-ове [10]. Химический состав некоторых видов лесных растений средней и северной тайги на территории Республики Коми представлен в ряде публикаций [11, 12, 13, 14]. Экосистемы западного макросклона Приполярного Урала характеризуются уникальной флорой, высоким разнообразием редких и эндемичных видов растений [15], однако, элементный состав растений этого региона слабо изучен. Поскольку данная территория пока не испытывает гло- бального техногенного загрязнения, лесные экосистемы Приполярного Урала могут быть использованы в качестве фоновых объектов при проведении экологического мониторинга в регионе. Цель работы состояла в оценке аккумуляции элементов в растениях некоторых видох, встречающихся в лесных фитоценозах в предгорьях западного макросклона Приполярного Урала.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ

Сбор растений проводили в лесах, типичных для крайнесеверной тайги: ельнике черничнозеленомошном (65^o 48’ 19’’с.ш. 60^o 40’ 47’’ в.д.) и сфагновом (65^o 49’44’’с.ш. 60^o 43’31’’ в.д.), березняке разнотравном (65'41’30’’ с.ш. 60 o 41’52’’ в.д.). Объекты расположены в предгорьях Приполярного Урала (224-254 м над уровнем моря), на территории Интинского района Республики Коми.

Для изучения были выбраны виды дикорастущих растений, наиболее часто встречающихся в исследуемых лесных фитоценозах:

• 1.    Picea obovata Ledeb., сем. Pinaceae - ель сибирская (хвоя);

• 2.    Betula pubescens Ehrh., сем. Betulaceae – береза пушистая (листья);

• 3.    Vaccinium myrtillus L., сем. Ericaceae – черника обыкновенная;

• 4.    Rubus chamaemorus L., сем. Rosaceae – морошка обыкновенная;

• 5.    Chamaepericlymenum suecicum (L.) Asch. Graebn , сем. Cornaceae – дерен шведский;

• 6.    Veratrum lobelianum Bernh.,   сем.

• 7.    Sphagnum girgensohnii Russ., сем. Sphagnaceae – сфагнум Гиргензона;

Melanthiaceae – чемерица Лобеля;

Сбор надземных органов растений производился в третьей декаде июля, в период активной вегетации, в 15-20 – кратной повторности для каждого типа леса. Для анализа готовили среднюю пробу из образцов одного вида растения, собранного в трех типах леса, которые высушивали 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 индуктивносвязанной плазмой (АЭС ИСП) на спектрометре «Spectro Ciros» (Германия) определено количественное содержание 14 химических элементов: Mg, Ca, K, Na, Mn, Fe, Al, S, P, Cu, Zn, Ni, Сd, Pb. Химические анализы проведены в экоаналити-ческой лаборатории Института биологии Коми НЦ УрО РАН.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Особенности химического (элементного) состава растений определенной систематической группы проявляется в любых условиях их произрастания. Поэтому аккумулятивный ряд и соотношение элементов идентичен для каждого вида растения, независимо от условий его произрастания, различия выявляются в уровне накопления (концентрации) того или иного элемента [2]. На Приполярном Урале суммарное содержание определяемых элементов в исследуемых растениях меняется в широких пределах - от 1,4 до 7,3%. При этом из всех изученных нами видов растений самое высокое содержание элементов выявлено для надземных частей Veratrum lobelianum (7,3% а.с.в.), Chamaepericlymenum suecicum (4,7% а.с.в.) и листьев Betula pubescens (3,7 %), самое низкое - в хвое Picea obovata (1,5%). В порядке убывания суммарной концентрации определяемых элементов в надземных частях исследованные виды можно расположить в следующий ряд: Veratrum lobelianum > Chamaepericlymenum suecicum > Betula pubescens>Rubus chamaemorus>Sphagnum girgensohnii > Vaccinium myrtillus>Picea obovata . Полученное нами суммарное содержание элементов в чернике, хвое ели и листьях березы выше или приближается к результатам других авторов для еловых и лиственных насаждений средней тайги [11, 12, 14].

Для большинства изученных видов растений доминирующими элементами минерального состава являются Ca, K, P и Mg. Ряды распределения элементов по убыванию их концентрации имеют следующий вид:

• 1.    Picea obovata Ca>K>P>Mn>Mg>S>Al>Zn>Na >Fe>Cu>Ni>Pb>Cd

• 2.    Betula pubescens K>Ca>P>Mn>Mg>S>Zn>Fe> Al>Na>Cu>Ni>Pb>Cd

• 3.    Vaccinium myrtillus Ca>Mn>P>K=S>Mg>Al>N a>Fe>Zn>Cu>Ni>Pb>Cd

• 4.    Rubus chamaemorus K>Ca>Mg>P>S>Mn>Na> Al>Fe>Zn>Cu>Ni>Cd>Pb

• 5.    Chamaepericlymenum suecicum Ca>K>Mg>P> S>Al>Na>Mn>Fe>Zn>Cu>Ni>Pb>Cd

• 6.    Veratrum lobelianum K>Ca>P=Mg>S>Mn>Fe> Na>Al>Zn>Cu>Ni>Cd>Pb

• 7.    Sphagnum girgensohnii K>Ca>P>Mg>S>Mn>A l>Fe>Na>Zn>Cu>Ni>Pb>Cd

Соотношение доминирующих элементов в исследуемых видах растений позволяет распределить их следующим образом: 1) K>Ca>P, характерно для Betula pubescens, Veratrum lobelianum, Sphagnum girgensohnii; 2) Ca>K>P, характерно для Picea obovata; 3) Ca>Mn>P – Vaccinium myrtillus ; 4) K>Ca>Mg – Rubus chamaemorus ;5) Ca>K>Mg – Chamaepericlymenum suecicum.

Кальций. Концентрация кальция составила от 5600 до 18000 мг/кг (табл.1). Максимальное накопление наблюдается для Chamaepericlymenum suecicum и Veratrum lobelianum , минимальное в хвое Picea obovata и Rubus chamaemorus . Относительно высоким содержанием этого элемента отличаются листья Betula pubescens и Vaccinium myrtillus . На способность видов рода Vaccinium накопливать кальций при его доступности в почве указывают другие авторы [7, 10, 12].

Калий. По накоплению калия растения различались существенно, его концентрация менялась - от 1800 до 49000 мг/кг. Значительным накоплением калия отличается Veratrum lobelianum , низкая концентрация у Vaccinium myrtillus, при этом у большинства видов содержание элемента не превышает 16000 мг/кг.

Магний. Содержание магния в исследуемых растениях варьирует от 790 до 4500 мг/кг (Табл.1). Максимальное накопление магния наблюдается в Chamaepericlymenum suecicum , минимальное - в хвое ели. Высоким содержанием магния отличаются листья Betula pubescens и Rubus chamaemorus . Довольно близкие данные по содержанию кальция, магния и калия приводятся для хвои ели, произрастающей в лесах Аляски, более низкие для листьев березы [16].

Фосфор. Содержание фосфора в исследуемых растениях составляют от 1400 до 4400 мг/ кг. Максимальная концентрация этого элемента отмечена в листьях Betula pubescens и Veratrum lobelianum , минимальная - в хвое Picea obovata . Сходные данные по концентрации фосфора были получены для хвои ели и более низкие -для листьев березы в условиях Аляски [16].

Натрий. Натрий содержится в исследуемых растениях в пределах 38-330 мг/кг. Максимальным накоплением этого элемента отличается Chamaepericlymenum suecicum , минимальным – листья Betula pubescens и хвоя Picea obovata . Для большинства видов содержание натрия не превышает 190 мг/кг.

Железо. Концентрация железа в растениях варьировала от 36 до 270 мг/кг. При этом максимальная концентрация характерна для Sphagnum girgensohnii , минимальная – для хвои

Picea obovata . Интенсивное поглощение железа характерно для мхов, что связано с высокой миграционной способностью этого элемента при переувлажнении почвы [2].

Алюминий. Содержание алюминия в исследуемых растениях изменялось в довольно широких пределах - от 64 до 470 мг/кг. Максимальное содержание характерно для Chamaepericlymenum suecicum , минимальное для хвои Picea obovata .

Марганец. В исследуемых растениях накапливалось от 310 до 3800 мг/кг марганца. Максимальная концентрация марганца отмечено в листьях Betula pubescens и в Vaccinium myrtillus , относящейся к группе манганофилов – растений способных поглощать и концентрировать марганец в своих тканях в больших количествах. В растениях Архангельской области содержание марганца составляло 6,55-735,8 мг/кг [8].

Медь. Концентрация меди в растениях менялось в довольно широком диапазоне от 2,4 до 19 мг/кг. Максимальное накопление меди характерно для Veratrum lobelianum , однако оно не превышает установленное ПДК для растений [17]. Минимальное содержание этого элемента характерно для хвои Picea obovata.

Цинк. Содержание цинка в растениях варьировало в значительно меньшем диапазоне, по сравнению с другими элементами. Больше всего цинка накапливается в Veratrum lobelianum , что соответствовало диапазону нормальных концентраций этого элемента в растениях [18]. Известно, что накопление меди и цинка в растениях рода Veratrum является их видовой особенностью и может быть сопряжено с содержанием алкалоидов [19]. Низким содержанием цинка характеризовался Vaccinium myrtillus.

Свинец. Максимальное накопление свинца отмечено для мха Sphagnum girgensohnii , минимальное – для хвои Picea obovata и Veratrum lobelianum . Повышенное содержание алюминия, железа, свинца и никеля отмечают в растениях рода Sphagnum для хвойных лесов Финляндии [6].

Кадмий. Наиболее высокое содержание кадмия выявлено у Rubus chamaemorus – 1,3 мг/ кг. Минимальная его концентрация установлена в хвое Picea obovata .

Таблица 1. Содержание элементов в надземной части исследованных растений (n=5), мг/кг

Вид растения	Mg	Ca	K	P	S	Na
Picea obovata	790±240	5600±560	5000±2000	1400±400	780±230	39±15
Betula pubescens	3300±1000	9600±2900	13000±5000	4400±1300	2400±700	38±15
Vaccinium myrtillus	1400±400	7600±2300	1800±700	2300±700	1800±500	170±70
Rubus chamaemorus	3500±1000	6200±1900	14000±6000	2500±700	1400±400	100±40
Chamaepericlymenum suecicum	4500±1400	18000±5000	16000±6000	4300±1300	3000±900	330±130
Veratrum lobelianum	3400±1000	15000±4000	49000±9000	3400±1000	1700±500	100±40
Sphagnum girgensohnii	1600±500	6700±2000	8000±300	2000±600	1200±400	190±80

Таблица 2. Среднее содержание микроэлементов в надземной части исследуемых растений (n=5), мг/кг

Вид растения	Mn	Fe	Al	Ni	Cu	Zn	Pb	Cd
Picea obovata (хвоя)	840±250	36±10	64±17	1,2±0,4	2,4±0,5	53±11	<0,5	<0,1
Betula pubescens (листья)	3800±1000	120±30	94±24	5,0±1,8	7,4±1,5	35±7	0,9±0,2	0,6±0,3
Vaccinium myrtillus	2500±800	120±30	210±50	1,1±0,4	7,3±1,5	20±4	0,6±0,1	0,1±0,05
Rubus chamaemorus	1000±300	94±26	98±25	2,7±0,9	10,8±2,2	48±10	0,7±0,2	1,3±0,6
Chamaepericlymen um suecicum	310±90	170±50	470±120	2,3±0,8	5,0±1,0	30±6	1,7±0,4	0,2±0,1
Veratrum lobelianum	390±120	200±60	97±25	3,2±1,1	19,0±4	77±15	<0,5	0,2±0,1
Sphagnum girgensohnii	690±210	270±80	370±100	3,1±1,1	6,1±1,2	57±11	2,1±0,5	0,3±0,2
Содержание в растениях [18]	25-250	200	-	0-8	6-15	25-250	2-14	0-0,5
ПДК [17]	-	50,0	-	-	100,0	-	10,0	1,0

В результате проведенных нами исследований установлено, что концентрация химических элементов в растениях видоспецифична. Повышенной аккумуляцией элементов характеризуются Veratrum lobelianum (по Fe, Ni, Cu, Zn, K, Ca), Chamaepericlymenum suecicum (по AI, Pb, Mg, Ca, S), Sphagnum girgensohnii (по AI, Fe, Ni, Pb). Накопление марганца отмечено у растений манганофил-лов – Betula pubescens и Vaccinium myrtillus. Концентрация ряда тяжелых металлов в исследуемых растениях низкая и практически не превышает ПДК [17]. Большинство исследуемых видов содержат элементы в пределах нормы [18] (Табл.2).

Содержание элементов наиболее высокое у Veratrum lobelianum , что может быть обусловлено способностью растений рода Veratrum (большинство из которых ядовиты), накапливать алкалоиды и микроэлементы [19]. Хвоя Picea obovata отличается низким содержанием большинства определяемых элементов, что согласуется с результатами исследований этого вида другими авторами [11, 14]. Из всех расмо-тренных нами растений менее всего изучен элементный состав Chamaepericlymenum suecicum, поэтому полученные результаты позволят дополнить сведения о биологии этого вида и обосновать возможность его использования в фар-макопии [20, 21].

ВЫВОДЫ

Определена концентрация элементов (Mg, Ca, K, Na, Mn, Fe, Al, S, P, Cu, Zn, Ni, Сd, Pb) в надземной биомассе семи видов лесных растений, относящихся к семействам Ericaceae, Melanthiaceae, Cornaceae, Sphagnaceae, Rosaceae,

Betulaceae , Pinaceae , произрастающих в ельниках и березняках в предгорьях Приполярного Урала в Интинском районе Республики Коми.

Установлено высокое суммарное содержание определяемых элементов (≥5%) в растениях семейств Cornaceae ( Veratrum lobelianum ) и Melanthiaceae ( Chamaepericlymenum suecicum ), низкое (≤2%) – для представителей семейств Pinaceae ( Picea obovata ) и Ericaceae ( Vaccinium myrtillus ) . Наиболее высокая концентрация в растениях отмечена для Ca, K, P, S и Mg (≥800 мг/ кг), низкая – для Ni, Pb, Cd (≤5 мг/кг).

У исследованных растений на Приполярном Урале не выявлено превышение ПДК по тяжелым металлам, поэтому полученные данные могут быть использованы при проведении экологического мониторинга.