Связь химического состава листьев березы повислой с жизненным состоянием древостоя в градиенте загрязнения комбината «Карабашмедь»

Полный текст

Промышленное воздействие является одной из основных причин изменения природных сообществ, создаваемых человеком. Примером экологической катастрофы, связанной с промышленным производством, является г. Карабаш в Челябинской обл. Зона воздействия АО «Карабашмедь» охватывает площадь свыше 35 км² (Коротеева, Вейсберг, 2019). Значительное загрязнение природных сообществ этой территории происходит в основном из-за выбросов газов и пыли. Сернистый газ составляет около 98 % всех выбросов и является источником кислотного загрязнения, а пыль содержит различные тяжелые металлы. Основными загрязнителями комбината, наряду с диоксидом серы, являются тяжелые металлы. Особенность токсического эффекта данных загрязнителей заключается в совместном действии, оказываемом ими на лесные экосистемы (Менщиков, Ившин, 2006).

На территории воздействия Карабашского медеплавильного комбината изучалась как древесная (Суховольский, Иванова, 2018; Тагирова, Ольберг, 2021; Махнева, Менщиков, 2021; Усольцев и др., 2021), так и травянистая растительность (Малева и др., 2018; Коротеева, Вейсберг, 2019; Ночевный, Тептина, 2020), было проанализировано содержание тяжелых металлов в разных органах березы повислой в южном направлении (Коротеева и др., 2015). Наиболее общими проявлениями действия тяжелых металлов на растения являются: ингибирование фотосинтеза, нарушение транспорта ассимилятов и минерального питания, изменение водного и гормонального обмена, торможение роста (Кузнецов, 2006; Титов, 2007). Концентрация питательных элементов в ассимиляционных органах является одним из критериев оценки состояния лесных экосистем, определения влияния аэротехногенного загрязнения и оценки обеспечения элементами питания древесных растений. При нехватке или избытке определенных питательных элементов в почве анализ химического состава ассимилирующих органов позволяет выявить дисбаланс питания в растениях. Состояние питания деревьев часто свидетельствует о процессах, происходящих на уровне экосистемы (в границах биогеоценоза). Недостаточное поступление питательных веществ может быть прямой причиной низкой жизнеспособности деревьев или фактором, усиливающим неблагоприятное воздействие загрязнения воздуха. Высокие концентрации определенных элементов в тканях листьев могут быть причиной последствия интоксикации или высокого уровня загрязнения воздуха. Химическое загрязнение почвы также может привести к дисбалансу в поступлении питательных веществ и, как следствие, к несбалансированному питанию деревьев.

На березу приходится 124.8 тыс. га площади в Челябинской обл., занятой лесом, что составляет 52.8 % среди всех древесных видов (Доклад … 2015). Береза является подходящим видом для долгосрочного мониторинга изменений в развитии ситуации с загрязнением воздуха из-за ее устойчивости и толерантности к атмосферному загрязнению (Hrdlička, Kula, 2004). Березовые насаждения широко распространены в различных климатических условиях и средах. Береза повислая приспособлена к неблагоприятным условиям среды, особенно к загрязнению (Петункина, Сарсацкая, 2015), ей свойственны особенности в потреблении химических элементов. Береза имеет на листьях толстую кутикулу, в связи с чем этот вид характеризуется повышенной стойкостью к загрязняющим веществам, выбрасываемым в атмосферу промышленными предприятиями, включая сернистый газ (Бухарина, Двоеглазова, 2010). В дополнение к углероду, водороду и кислороду основные макроэлементы (N, P и K), вторичные макроэлементы (Ca, Mg и S) и микроэлементы (B, Cl, Cu, Fe, Mn, Mo и Zn) необходимы для здорового роста высших растений. Листья березы аккумулируют медь, никель и марганец более интенсивно, чем хвоя ели или сосны (Протасова, Беляев, 2001; Диярова и др., 2009). Сравнение содержания макро- и микроэлементов в листьях разных форм березы повислой, по мнению некоторых авторов, показало, что соотношение потребления и закрепления в листе макроэлементов устойчиво и не зависит от загрязненности почв (Волова, Наквасина, 2019).

Если учитывать текущее и накопленное аэротехногенное воздействие (загрязнение почвы) в зоне действия АО «Карабашмедь», то существует потребность в дальнейшем изучении состояния лесных насаждений в данном районе. Кроме того, проведение мониторинга лесов и сбор данных играют важную роль в поддержании устойчивого лесопользования и защите лесов, так как загрязнение атмосферы значительно влияет на жизненное состояние и продуктивность древостоев.

Несмотря на многолетние исследования в данном очаге поражения лесов, анализ полученных результатов показал, что связь содержания макро- и микроэлементов с жизненным состоянием древостоя березы повислой не была изучена. В связи с этим целью данной работы стало выявление связи химического состава листьев березы повислой с жизненным состоянием древостоя в градиенте загрязнения АО «Карабашмедь».

Объекты и методика

Для исследования были выбраны естественные древостои березы повислой, находящиеся под влиянием выбросов от АО «Карабашмедь», расположенного в естественной депрессии Саймоновской долины. В данном районе преобладают юго-западные и западные ветры. Число осадков здесь составляет 400 мм в год, из них 90 мм выпадает в морозный период (XI—XII), а 300 мм — в безморозный (IV—X) (Дзугаев, 2003). Почвенный профиль характеризуется каменистостью и незначительной мощностью (Залесов и др., 2017). Загрязнение водоемов на территории произошло в результате сброса отходов в реку Сак-Элга (Калабин и др., 2011).

В зависимости от ведущих ветров и рельефа выбрали пять пробных площадей (ВПП) с березовым насаждением различной степени загрязнения: С-1.5, СВ-5, СВ-15, СВ-20 и СВ-24, где буквенные обозначения указывают на направление севера и северо-востока, а цифры представляют расстояние от источника загрязнений в километрах. В качестве фоновых были выбраны березовые насаждения на расстоянии 20 км, так как данные древостои характеризуются наилучшим жизненным состоянием. Пробная площадь включала 100 учетных деревьев на участке в среднем 1 га. Оценка состояния березовых насаждений проводилась методом биоиндикации с использованием показателей дефолиации (потеря хвои и листвы) и дехромации (изменение окраски) крон деревьев в качестве индикаторов (Методика организации и проведения работ… 1995). Категория жизненного состояния насаждений определялась на основе значения средней категории состояния в соответствии с рекомендациями В. А. Алексеева (Алексеев, 1989). Древостой характеризуется как здоровый при Кс = 1.0—1.5, как ослабленный — при Кс = 1.6—2.5, сильно ослабленный — при Кс = 2.6—3.5, отмирающий — при Кс = 3.6—4.6 и отмерший — при Кс = 4.6 и более.

Для изучения вариабельности химического состава листьев и индивидуальной изменчивости отобрали по 10 модельных деревьев разных категорий состояния с каждого пробного участка, с одного дерева был взят один образец листьев весом около 20 г (всего 50 образцов листьев). В эту работу включены листья только с укороченных побегов, которые образуют основную часть полога у взрослых деревьев и имеют одинаковый возраст из-за синхронного распускания листьев весной (Macdonald, Mothersill, 1983).

В листьях березы повислой было определено содержание макроэлементов: азота, фосфора, калия, кальция, натрия, серы — и микроэлементов: кадмия, кобальта, хрома, меди, железа, никеля, свинца и цинка. Общее содержание азота определяли по методу Кьельдаля с помощью автоматического анализатора азота UDK 152 (VELP Scientifica, Italy). Содержание калия, кальция, магния, натрия и фосфора — из одной навески мокрым озолением в концентрированной серной кислоте с добавлением окислителей. После озоления содержание калия, кальция, магния было определено с помощью атомно-абсорбционного спектрофотометра (спектофотометр novAA-300), содержание фосфора — спектрофотометрическим методом с молибденовой синью (Проведение биохимического анализа растительных образцов, 1979). Содержание серы определяли по методу ЦИНАО (Методические указания по определению серы… 1999). Содержание микроэлементов — кадмия, кобальта, хрома, меди, железа, никеля, свинца и цинка — было определено методом атомно-абсорбционной спектрофотометрии с помощью атомно-абсорбционного спектрофотометра novAA-300 (Analytic Jena, Германия).

Для интерпретации полученных результатов нами использовалась шкала, приводимая А. Кабата-Пендиас (1989), в которой указаны нормальные (или достаточные) концентрации микроэлементов (мг/кг сухой массы): Cd — 0.05—0.2; Со — 0.02—1; Cr — 0.1—0.5; Cu — 5—30; Ni — 0.1—5; Pb — 5—10; Zn — 27—150, избыточные (или токсичные): Cd — 5—30; Со — 15—50; Cr — 5—30; Cu — 20—100; Ni — 10—100; Pb — 30—300; Zn — 100—400.

Полученный материал проанализировали с использованием пакета программ Microsoft Excel 2007 и метода статистического анализа в программе ПО STATISTICA V. 10 (StatSoft, Inc.). Для определения различий между пятью группами использовали однофакторный дисперсионный анализ (ANOVA) и критерий Фишера. Зависимость содержания элементов в растениях от жизненного состояния деревьев проверялась с помощью параметрического корреляционного теста Пирсона. Результаты статистического анализа были оценены по уровню значимости 5 %.

Результаты и обсуждение

Содержание макро- и микроэлементов в градиенте загрязнения АО «Карабашмедь».

В районе исследования была проведена оценка жизненного состояния березовых древостоев. В табл. 1 представлена информация о состоянии древостоев на разном расстоянии от источника загрязнения АО «Карабашмедь». Березовые леса, находящиеся ближе к источнику загрязнения (С-1.5), имеют наибольшую степень повреждения. Уровень дефолиации составляет 59.5 %, дехромации — 52 %, индекс повреждения — 3.3, что в 1.5 и 2 раза больше, чем на более удаленных пробных площадях.

Таблица 1. Характеристика березового древостоя

Пробные площади, находящиеся на расстоянии от 15 до 24 км, характеризуются наилучшим состоянием по сравнению с другими. На СВ-20, СВ-24, СВ-15 древостои являются ослабленными (Кс = 1.6, Кс = 2.4 и Кс = 2.1 соответственно), на СВ-5 и С-1.5 — сильно ослабленными (Кс = 2.6 и Кс = 3.2 соответственно). На основе данных результатов можно сделать вывод о негативном воздействии КМК на жизненное состояние березовых древостоев, что проявляется в увеличении дефолиации, дехромации и ухудшении категории состояния.

Содержание общего азота в листьях варьирует между пробными площадями (табл. 2). Наименьшие значения в контроле — 21.3±0.9 мг/г (СВ-24) и в зонах, приближенных к источнику выбросов — 21.4±0.4 мг/г и 21.5±0.6 мг/г (С-1.5 и СВ-5). В работе И. Л. Бухариной и А. А. Двоеглазовой (2010) также не были обнаружены достоверные отличия по этому показателю в листьях растений, произрастающих в разных функциональных типах насаждений.

Таблица 2. Содержание макроэлементов в листьях березы повислой на разном удалении от АО «Карабашмедь», мг/г

Примечание. SA — среднее арифметическое, Sx — ошибка среднего, разные надстрочные буквы обозначают достоверные различия по вертикали при p < 0.05, ПП — пробные площади; Ст. п. — статистические параметры.

Выявлено снижение содержания калия и фосфора в листьях в зоне сильного загрязнения. Содержание калия в листьях в зоне сильного загрязнения на С-1.5 снижалось на 35 % по сравнению с контролем, составляло 8.7±0.5 мг/г и достоверно отличалось от СВ-24, СВ-15 и СВ-5. Содержание фосфора в листьях снизилось на 15 % на пробных площадях, ближайших к источнику загрязнения (СВ-5 и С-1.5), по сравнению с более отдаленными ПП, и составило 6.41±0.6 мг/г и 6.31±0.6 мг/г соответственно, что противоречит исследованиям на листьях дуба черешчатого (Quercus robur L.), где концентрация калия и фосфора увеличилась в ответ на увеличение концентрации в них поллютантов, что рассматривается как один из механизмов защиты ассимиляционного аппарата от воздействия автотранспорта (Кулакова и др., 2021). При этом в зоне воздействия комбината «Печенганикель» также было выявлено существенное снижение элементов питания: Ca, K, Mn, Zn — в листьях березы, а в неповрежденных экосистемах в значительных концентрациях в листьях аккумулировались магний, сера и цинк (Исаева, Сухарева, 2021). Исследования хвойного опада в лесах, подверженных влиянию воздушного загрязнения выбросами медно-никелевого комбината «Североникель», выявили снижение кальция, магния, марганца и цинка и увеличение содержания тяжелых металлов (Ni, Cu) (Иванова и др., 2022).

Содержание магния снизилось на 44 % на ПП, ближайших к АО «Карабашмедь», по сравнению с более удаленными ПП, и достигло 3.69±0.18 мг/г на СВ-5 и 3.61±0.28 мг/г на С-1.5. Содержание натрия варьировало от 1.74±0.16 мг/г до 2.54±0.54 мг/г и достоверно не отличалось среди всех ПП (р > 0.05). Содержание серы увеличилось на 35 % (р < 0.05) на ПП, ближайшей к источнику загрязнения, по сравнению с другими ПП, и достигло 2.65±0.18 мг/г (табл. 2). Пробные площади на расстоянии от 5 до 24 км от АО «Карабашмедь» достоверно не отличаются по содержанию серы в листьях, значения варьируют от 1.73±0.15 мг/г до 1.88±0.16 мг/г. Также по градиенту атмосферного загрязнения от комбината «Североникель» в ненарушенных лесных биогеоценозах в фотосинтезирующих органах березы было выявлено достаточно высокое содержание серы, которое варьирует от 900 до 1700 мг/кг (Сухарева, 2017). Поступление серы в ассимиляционный аппарат возможно как через атмосферу, так и из почвы, так как вблизи металлургического производства валовое содержание серы в почвах превышает ПДК в среднем в 2—8 раз (Шабанов, 2021.). Сернистый ангидрид, подкисляя среду, повышает подвижность и биологическую активность ионов металлов, что резко увеличивает их токсическое воздействие на биоту (Воробейчик, Хантемирова, 1994).

Преобладающий элемент питания в листве — азот, на его долю приходится 22—24 мг/г, на долю калия — 9—15 мг/г, фосфора — 6.5—7 мг/г, кальция — 5.5—8 мг/г, магния — 3.6—6.4 мг/г, серы — 1.7—2.7 мг/г, натрия — 1.8—2.5 мг/г.

В табл. 3 показаны результаты анализа содержания микроэлементов в листьях берез на разном удалении от АО «Карабашмедь». По мере приближения к источнику загрязнения в листьях березы повислой увеличивается концентрация микроэлементов, входящих в состав выбросов комбината. Выявлено повышение концентрации кадмия, свинца, цинка, меди и железа на ПП, ближайших к источнику загрязнения.

Таблица 3. Содержание микроэлементов в листьях березы повислой на разном удалении от АО «Карабашмедь», мг/кг

Примечание. SA — среднее арифметическое, Sx — ошибка среднего, разные надстрочные буквы обозначают достоверные различия по вертикали при p < 0.05, ПП –пробные площади; Ст.п. — статистические параметры.

Содержание цинка на пробных площадях, приближенных к источнику загрязнения, выше в 2.7—2.8 раза контрольных значений. На расстоянии от 15 до 24 км содержание цинка достоверно не изменяется между участками и варьирует от 240 до 322 мг/кг. Виды Betula выделяют как концентраторы цинка (Уразгильдин и др., 2022), а также используют как биоиндикаторы содержания цинка (Zakrzewska, Klimek, 2017), высокое накопление которого зафиксировано при аэротехногенном загрязнении (Kosiorek et al., 2016).

Содержание кадмия на ПП С-1.5, ближайшей к АО «Карабашмедь», составляет 2.3±0.5 мг/кг и превышает в 11.6 раз контрольные ПП. Содержание свинца на более удаленных ПП достоверно не отличается и варьирует от 1.48±0.33 мг/кг до 2.99±0.32 мг/кг, на ПП СВ-5 достигает значений 5.9±0.4 мг/кг, а на С-1.5 превышает в 8 раз контрольные значения и составляет 11.96±1.33 мг/кг. Содержание меди в листьях увеличивается по мере приближения к АО «Карабашмедь» и на ПП С-1.5 достигает максимальных значений 15.87±0.59 мг/мг, что превышает в 2.5 раза контрольные концентрации. На более удаленных ПП содержание меди колеблется от 6.31±0.19 мг/кг до 6.97±0.22 мг/кг и не превышает нормальных концентраций (5—30 мг/кг). По данным Н. А. Кузьминой с соавторами (2020), в лесной подстилке и верхних слоях почвы в зоне сильного загрязнения АО «Карабашмедь» обнаружены высокие концентрации меди, цинка, свинца, железа и кадмия. Таким образом, повышение концентрации данных металлов в листьях берез идет за счет поглощения металлов из почвы.

Содержание кобальта, хрома, марганца и никеля варьирует между ПП, при этом содержание этих микроэлементов в листьях не отличается достоверно между поврежденными и слабоповрежденными березовыми древостоями. По мере убывания микроэлементы можно расположить в следующем порядке: Mn > Zn > Fe > Ni > Cu > Pb > Co > Cr > Cd. Кадмий, никель, хром и кобальт, как правило, являются для березы повислой элементами слабого поглощения и среднего захвата (Бухарина, Двоеглазова, 2010).

Связь содержания макро- и микроэлементов с жизненным состоянием деревьев березы повислой

В табл. 4 отображены результаты корреляционного анализа между содержанием макро- и микроэлементов и состоянием древостоя. С увеличением степени дехромации листьев содержание калия снижается (r = –0.32, p < 0.05), а серы увеличивается (r = 0.30, p < 0.05). Также обнаружена положительная корреляция содержания серы с дехромацией листвы (r = 0.30, p < 0.05) (табл. 4), т. е. содержание серы в листве увеличивалось в поврежденных выбросами сернистого газа древостоях березы, что также визуально проявлялось в пожелтении листьев и, следовательно, увеличении дехромации. При увеличении степени дефолиации наблюдается снижение содержания азота (r = –0.50 и r = –0.48 соответственно, p < 0.05) и фосфора (r = –0.30, p < 0.05). Содержание кальция и магния не зависит от степени дефолиации, дехромации и категории состояния дерева (p > 0.05). Таким образом, с увеличением дехромации листвы содержание калия уменьшается, а серы увеличивается, с увеличением дефолиации снижается содержание азота, фосфора и натрия.

Таблица 4. Теснота связи (коэффициенты корреляции Пирсона) между содержанием макро- и микроэлементов в листьях березы повислой и жизненным состоянием дерева

Примечание. Жирным шрифтом обозначены статистически значимые корреляции (p < 0.05).

Параметр, отражающий жизненное состояние древостоя, — суммарное содержание биофильных элементов NPK. На ПП, наиболее поврежденной диоксидом серы (С-1.5), концентрация биофильных элементов на 16 % ниже и достоверно отличается от других пробных площадей. Кроме того, данный параметр зависит от жизненного состояния древостоя — обнаружена отрицательная взаимосвязь со степенью дефолиации (–46 %), дехромации (–40 %) и категорией состояния (–46 %), то есть содержание биофильных элементов уменьшается с увеличением дефолиации, дехромации и ухудшением санитарного состояния (табл. 4). Дефолиацию так же, как неспецифический показатель жизнеспособности деревьев, связывают с состоянием питания деревьев (Ferretti et al., 2015).

Анализ связи содержания микроэлементов с жизненным состоянием деревьев выявил положительную корреляционную связь параметров жизненного состояния с содержанием микроэлементов (коэффициенты корреляции на уровне 0.4—0.6). С ухудшением состояния березового древостоя содержание микроэлементов в листьях увеличивается. Результаты корреляционного анализа показали наличие достоверных положительных связей между параметрами жизненного состояния и накоплением в листве кадмия (r = 0.58, r = 0.46, r = 0.57), меди (r = 0.61, r = 0.59, r = 0.59), свинца (r = 0.48, r = 0.53, r = 0.56), цинка (r = 0.54, r = 0.41, r = 0.49). Отмечается положительная корреляция дефолиации и санитарного состояния с содержанием железа (r = 0.44 и r = 0.34) и никеля (r = 0.40 и r = 0.37). Содержание кобальта и хрома в листве не коррелирует с дефолиацией, дехромацией и с санитарным состоянием древостоя.

Выводы

Наблюдается негативное влияние на березовый древостой к северо-востоку от комбината на расстоянии до 5 км. В этой области концентрация микроэлементов увеличивается в несколько раз по сравнению с более удаленными пробными точками. В целом наиболее благоприятными по экологическим условиям являются пробные площади СВ-20 и СВ-24, так как содержание почти всех изученных микроэлементов наименьшее, по сравнению с другими участками, и не превышает нормальных концентраций. Общее содержание макроэлементов (азот, фосфор и калий) в листьях снизилось на пробных площадях, ближайших к источнику загрязнения. Содержание биофильных элементов уменьшается с увеличением дефолиации, дехромации и ухудшением санитарного состояния. С ухудшением состояния березового древостоя (дефолиация, дехромация и категория состояния) содержание микроэлементов увеличилось (коэффициенты корреляции более 0.4—0.6). Увеличенная концентрация серы в листьях березы в зоне поражения АО «Карабашмедь» (в 1.5 раза больше, чем на других ПП) и ухудшение жизненного состояния древостоя (степень дефолиации и дехромации выше в 1.5—2 раза, а санитарное состояние — в 1.5 раза) указывают на сильное повреждение листьев березы диоксидом серы. Из изученных микроэлементов наибольшее влияние на растительность в зоне действия АО «Карабашмедь» оказывают кадмий, свинец, медь и цинк.

Таким образом, березовые древостои подвергаются комплексному воздействию на фотосинтетический аппарат, что проявляется в снижении содержания макроэлементов и повышении содержания серы и микроэлементов, таких как кадмий, медь, железо, свинец и цинк. В связи с обнаруженной связью содержания макро- и микроэлементов с жизненным состоянием березового древостоя данный параметр можно использовать для диагностики состояния и степени повреждения древостоя.

Об авторах

В. Д. Горбунова

Автор, ответственный за переписку.
Email: botgarden.gor@yandex.ru
Россия, 620144, Екатеринбург, ул. 8 Марта, д. 202а

С. Л. Менщиков

Email: botgarden.gor@yandex.ru
Россия, 620144, Екатеринбург, ул. 8 Марта, д. 202а

Список литературы

Дополнительные файлы