Особенности аккумуляции тяжелых металлов в разных типах фитоценозов на территории Самарской области

История эколого-биогеохимических исследований на территории Самарской области началась с 70-х гг. XX века, что совпадает с началом становления экологического направления в геохимии и биогеохимии. На этом этапе не проводились планомерные и комплексные биогеохимические исследования, но определенный региональный материал накапливался. Так, с 70-х гг. XX века и по настоящее время лабораторией Приволжского УГКС ежегодно анализируется содержание тяжелых металлов в природных средах (почвы, снежный покров) промышленных зон и фоновых участков с публикацией результатов в отчетных сборниках [2, 3]. С конца 80-х гг. XX века в рамках изучения аккумуляции и миграции химических элементов в экосистемах Русской равнины и Приволжской возвышенности на территории Самарской области проводились экологобиогеохимические исследования сотрудниками МГУ и Пущинского научного центра РАН [4, 10, 11]. Масштабные почвенные обследования осуществлены специалистами НИИ Волгогипрозем; полученный ими материал о химическом составе региональных почв в обобщенном виде представлен в монографии «Почвы Куйбышевской области» [8]. Загрязнение природных вод и донных отложений тяжелыми металлами и его влияние на биоту активно изучается сотрудниками ИЭВБ РАН. Основной объем эколого-биогеохими-ческих исследований, посвященный изучению накопления тяжелых металлов в почвах и растениях Самарской области, выполнялся в период с 1990 по 2009 гг. специалистами кафедры экологии, ботаники и охраны природы Самарского государственного университета. Эти исследования продолжаются и ведутся по разным направлениям, в них использованы

Власова Наталья Валерьевна, кандидат биологических наук, ассистент кафедры экологии, ботаники и охраны природы

Макарова Юлия Владимировна, кандидат биологических наук, ассистент кафедры экологии, ботаники и охраны природы

современные аналитические методы, а получаемый материал существенным образом расширяет представления о биогеохимии тяжелых металлов в природных и антропогенных экосистемах Самарского региона [5, 6, 9]. С научной и практической точки зрения особый интерес представляют эколого-биогеохимические исследования основных природных экосистем (лесных, луговых, степных) и агрофитоценозов.

Агрофитоценозы. Почвенные образцы и растительный материал (подсолнечник, кукуруза) отбирали из агрофитоценозов Волжского административного района. В пределах агрофитоценозов закладывали по 6 пробных участков (10х10 м), нумерация которых начиналась от границы насыпи дорожного полотна и шла вглубь поля. С каждого участка 3 раза за вегетационный сезон (июнь, июль, август) изымали растения в сходных фенофазах развития. Для отбора образцов почвы и растений и подготовки их к агрохимическому (определение гранулометрического состава, гумусно-сти, кислотности, карбонатности) и элементному анализу (определение содержания кислоторастворимых форм Zn, Cu, Pb, Cd, Ni, Cr в почве и растениях методом атомно-абсорбционной спектроскопии, экстрагенты 1Н НNO 3 и смесь концентрированных НNO 3 и H 2 SO 4 соответственно) использовали общепринятые в почвоведении и биогеохимии методы.

Почвенный покров изучаемых агрофитоценозов представлен среднесуглинистыми обыкновенными черноземами с содержанием гумусовых веществ 5,2-6,6%, актуальной кислотностью 6,77,6 ед. и карбонатностью 0,3-2,5%, сформировавшимися на позднеплиоцен-нижнечетвертичных осадочных отложениях эрозионно-денудационных низких и возвышенных равнин Низкого Заволжья [1]. Указанные диапазоны ведущих почвенных характеристик, определяющих концентрацию, подвижность и, соответственно, доступность для растений группы анализируемых химических элементов могут быть расценены, как вполне благоприятные для роста и развития отбираемых сельскохозяйственных культур [7]. Элементный анализ выявил особенности процесса аккумуляции металлов у подсолнечника и кукурузы. Так, накопление металлов в фитомассе подсолнечника в течение лета последовательно нарастает (рис. 1). У кукурузы наибольшее содержание Zn, Cu, Ni и Cr фиксируется в начале онтогенеза, а Pb и Cd – в конце онтогенеза; максимальное содержание всех, за исключением Cd, элементов приходится на середину лета, а Cd – на его начало (рис. 2). В целом, накопление элементов кукурузой идет интенсивнее, чем подсолнечником.

Растения по-разному аккумулируют металлы в подземных и надземных органах. На протяжении всего онтогенеза подсолнечнику присущ акропетальный тип распределения анализируемых элементов (рис. 1). При этом в корнях максимум содержания Zn, Cu, Pb, Cd, Ni и Cr отмечен в середине лета, минимум Zn, Cu, Pb и Cd обнаружен в июне, а Ni и Cr – в августе. У кукурузы акропетальное распределение элементов фиксируется в начале и конце онтогенеза, базипетальное (кроме Ni и Cr) – в середине онтогенеза (рис. 2). Пик аккумуляции всех контролируемых металлов корневой системой приходится на начало лета, минимум содержания Zn, Cu, Cd и Cr зарегистрирован в середине лета, а Pb и Ni – в конце. Накопление металлов в стебле растений к августу снижается. Одновременно с этим степень закрепления металлов стареющей листовой тканью подсолнечника понижается на 2,6% и, напротив, повышается у кукурузы на 25,4%. Количественное содержание металлов в соцветиях подсолнечника, как правило, ниже, чем в стебле и листьях, но выше, чем в корневой системе. Содержание элементов в соцветиях кукурузы выше, чем в стебле, но ниже, чем в корнях и листьях (рис. 1 и 2).

Рис. 1. Динамика накопления химических элементов в воздушно-сухой фитомассе подсолнечника на протяжении вегетации (здесь и далее I – начало вегетации, II – середина вегетации, III – конец вегетации)

Рис. 2. Динамика накопления химических элементов в воздушно-сухой фитомассе кукурузы на протяжении вегетации

Таким образом, интенсивность поглощения и накопления Cd, Cu, Zn, Pb, Ni и Cr подсолнечником и кукурузой, характер распре-деления металлов между основными составными частями (подземная и надземная фитомасса) и органами растений видоспецифичны и изменчивы на протяжении онтогенеза. Слабая зависимость количественного содержания металлов в фитомассе от основных почвенных характеристик (гумусности, кислотности, карбонатности), накопление кукурузой Zn и Cu сверх концентрации кислоторастворимых форм этих металлов в почве свидетельствуют о приоритетности индивидуальной потребности вида в каждом конкретном химическом элементе при формировании уровня аккумуляции металлов в растениях агрофитоценозов.

Лесные фитоценозы. Эколого-биогеохимические исследования проводились на территории Кинельского административного района Самарской области в Красносамарском лесном массиве, расположенном в долинно-террасовом ландшафте, образованном р. Самарой, на стационарных пробных площадях, различающихся по характеру рельефа, почв, растительности, режиму увлажнения. Пробные площади № 13 и 16 были заложены в пойме, а пробные площади № 23а и 23б – на арене. Все они представляли собой искусственные сосновые насаждения. Отбор почвенных и растительных образцов для количественного анализа производился по общепринятым в почвоведении и биогеохимии методикам. Количественный анализ содержания Cu, Zn и Pb в компонентах лесных ландшафтов осуществляли методом атомно-адсорбцион-ной спектроскопии и характеристического рентгеновского излучения.

Являясь одним из важнейших компонентов ландшафта, почва определяет общую биогеохимическую обстановку местности. Валовое содержание тяжелых металлов в почве, прежде всего, зависит от их наличия в почвообразующей породе, а также от техногенного регионального воздушного и водного переноса веществ [5, 9]. Для почв исследуемых сосняков характерно постепенное утяжеление механического состава (от песков на арене до суглинков в пойме), увеличение содержания гумуса и значений рН почвенного раствора. Фоновые валовые концентрации Cu, Zn, Pb для зональных почв составляют соответственно 25,0, 45,0 и 8,0 мг/кг воздушно-сухой почвы [5]. Валовое содержание Pb и Cu в корнеобитаемом слое почв всех изучаемых сосновых насаждений несколько превышает фоновое, а Zn накапливается существенно меньше фонового уровня. Исключение составляет лишь песчаная почва возрастного сосняка на арене (пр. пл. 23а), где концентрация Cu не превышает фоновую и почва молодого сосняка (пр. пл. 23б), где содержание Pb меньше фонового. Если сравнивать сходные сосновые насаждения в пойме и на арене (пр. пл. 16 и 23б, 13 и 23а), то можно отметить, что в почве сосняка в стадии смыкания на арене больше валовое содержание Cu, а в пойме – Zn и Pb. С увеличением возраста сосняков возрастает валовое содержание всех изучаемых элементов. В сходных по состоянию древостоев сосняках отмечается увеличение концентрации подвижных форм всех тяжелых металлов в почве при переходе от арены к пойме.

Полученные нами результаты о степени подвижности тяжелых металлов в почве не выявляют строгой зависимости между подвижностью элементов, гранулометрическим составом и гумусированностью почвы. В одинаковых лесо- растительных условиях в сосняках различного возраста почва содержит разное количество валовых и потенциально подвижных форм тяжелых металлов.

Растительность является основным звеном в процессах круговорота веществ и энергии в биосфере, их мощным аккумулятором и трансформатором. Живое вещество, особенно растительный покров, представляет собой биогеохимический барьер, на котором концентрируются воздушные мигранты. В лесу из воздуха выводится много больше атмосферных примесей, чем на открытом месте. Листовые поверхности растений представляют собой естественные планшеты-накопители аэрозольного материала. В сосновых насаждениях не выявлена взаимозависимость между концентрацией Cu, Zn и Pb в почве (валовые и кислоторастворимые формы), с одной стороны, и концентрацией данных элементов в хвое, ветвях, стволах и корнях сосны – с другой стороны. Установлено, что концентрация Pb, Cu и, особенно, Zn в хвое сосны в насаждениях Красносамарского лесного массива не превышает, а чаще и не достигает регионального уровня [9]. В травостое сосновых насаждений повсеместно представлены чистотел большой и ландыш майский, которые использовали в качестве индикаторов фитометаллоаккумуля-ции. В надземной фитомассе ландыша (табл. 1) во всех искусственных сосновых насаждениях выявлена превышающая фон концентрация свинца. Концентрация Cu, за исключением сосняка в стадии изреживания на свежем суглинке в пойме (пр. пл. 13), меньше фоновой, а концентрация Zn в фитомассе ландыша, за исключением сосняка в стадии смыкания на свежеватом песке (пр. пл. 23б) – больше фоновой. Концентрация Cu и Zn в надземной фитомассе чистотела (табл. 1) во всех исследованных сосняках существенно меньше фоновой, а концентрация свинца – равна или несколько превышает фоновую. В надземной фитомассе травостоя в целом (табл. 2) наибольшая концентрация меди отмечена в сосняке в стадии смыкания на свежеватом песке на арене (пр. пл. 23б), чуть меньше в сосняке в стадии смыкания на свежем солонцеватом суглинке в притеррасной части поймы (пр. пл. 16), затем следуют сосняки в стадии изреживания на свежеватом песке на арене (пр. пл. 23а) и на свежем незасоленном суглинке в центральной части поймы (пр. пл. 13).

Таблица 1. Концентрация тяжелых металлов в фитомассе ландыша и чистотела из сосновых насаждений Красносамарского лесного массива, мг/кг сухого вещества

Таблица 2. Концентрация тяжелых металлов в общей надземной фитомассе травостоя в сосняках Красносамарского лесного массива, мг/кг сухого вещества

Содержание всех исследованных нами элементов в надземных и подземных органах сосны зависит от лесорастительных условий и возрастного состояния древостоя. Концентрация Cu, Zn и Pb в надземной фитомассе как чистотела, так и ландыша также не проявляет какой-либо связи или взаимозависимости с содержанием в почве соответствующих сосняков изучаемых тяжелых металлов. Аккумулированные надземными частями древостоя и травостоя элементы ежегодно частично возвращаются в почву в виде опада и отпада (упавшие ветви, отмершие деревья), образуя на ее поверхности лесную подстилку. В опаде и подстилке концентрация Cu, Zn и Pb максимальна в сосняке в стадии смыкания на свежем солонцеватом суглинке (пр. пл. 16), а минимальна – в сосняке в стадии изреживания на свежем незасоленном суглинке (пр. пл. 13) в пойме, что может объясняться вымыванием элементов во время весеннего таяния снега и разлива реки. Концентрация Zn в хвое, опаде и подстилке во всех исследованных сосняках существенно превышает концентрацию Cu. Прямой зависимости между концентрацией исследуемых элементов в хвое и в опаде, в опаде и подстилке не обнаруживается, что связано с различной активностью миграционных процессов в напочвенном и почвенном покрове изучаемых фитоценозов.

Выводы: разные типы фитоценозов на территории Самарской области характеризуются индивидуальными особенностями аккумуляции и миграции тяжелых металлов. Уровни содержания конкретных элементов в основных фитоценоти-ческих компонентах (почва, опад, подстилка, надземная и подземная фитомасса) существенно различаются, зависят от стадии развития растений и обычно не проявляют прямых корреляций друг с другом.