Elemental composition of Vaccinium vitis-idaea и V. myrtillus (Ercaceae) leaves in green moss pine forests under aerotechnogenic pollution in the Komi Republic

Full Text

В Республике Коми наиболее типичными ассоциациями являются сосняки зеленомошной группы типов, в которых наряду с сосной черника и брусника являются распространенными ресурсными видами [1].

Необходимым составляющим компонентом лесного мониторинга является химический мониторинг [2]. При оценке динамики развития фитоценозов и происходящих в них продукционных процессов представляет интерес изучение химического состава их компонентов [3–5]. Изучение химического состава растений сосняков европейского Севера России проводились в Республике Карелия [6; 7], Кольском полуострове [8–10]. Исследования минерального состава основных видов растений сосновых фитоценозов проводилось и в Республике Коми [11–13].

Исследования содержания химических элементов в различных органах растений показали его высокую изменчивость в зависимости от вида и возраста растения, региональных климатических особенностей, сезонного развития и лесорастительных условий местопроизрастания [14; 15; 7; 16–22].

Исследование элементного состава лесных кустарничков проводилось как в естественных условиях, так и в условиях загрязнения тяжелыми металлами и серы преимущественно горнообогатительных и металлургических производств. В листьях черники и брусники происходит накопление металлов и снижение содержания питательных веществ [23–26]. В среднетаежной зоне Республики Коми крупнейшим источником промышленных выбросов в воздушный бассейн является целлюлозно-бумажный комбинат ОАО «Монди Сыктывкарский ЛПК» (СЛПК). Его основными поллютантами являются оксиды углерода, азота, серы, сероводород, меркаптаны, сероорганические соединения, минеральная пыль, содержащая карбонаты и сульфиды кальция и натрия. По данным публичных экологических отчетов предприятия, суммарное количество выбросов в 1998 г. было 31 тыс. т, в 2006 г. – 20, в 2010 г. – 17, в 2015 г. – 10, в 2020 г. – 7,8 тыс. т [27] Отмечается существенное снижение аэротехногенных выбросов, что связано с глубокой модернизацией очистных сооружений предприятия.

Цель представленного исследования – оценить изменения элементного состава листьев V. myrtillus и V. vitis-idaea в условиях длительного аэротехногенного загрязнения.

Материал и методы

Изучение изменения элементного состава листьев V. myrtillus и V. vitis-idaea проводили в 2009 и 2018 гг. в сосняках [28], произрастающих на загрязненной аэропромышленными выбросами целлюлозно-бумажного производства «Монди СЛПК» территории. В сосновых насаждениях черничного ряда заложены постоянные пробные площади (ППП), расположенные на разном расстоянии к северо-востоку от источника загрязнения до 50 км в направлении доминирующей составляющей региональной розы ветров. Сосняки на фоновой территории, представленные ППП 23, 24 находятся на расстоянии 48,5–49,0 км, а сосняки на ППП 19, 15 – на загрязненной территории расположены соответственно на расстоянии 6,5, 11,2 км от источника эмиссии [29].

Сосняки черничные (Pinetum myrtillosum) и разнотравные (Pinetum herbosum) (генетически черничные) произрастают на иллювиально-гумусовых железистых подзолах [29]. Древесный ярус состоит из сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.), осины обыкновенной (Populus tremula L.), березы пушистой (Betula pubescens Ehrh.) и березы повислой (B. pendula Roth), елью сибирской (Picea obovata Ledeb.). В подлеске в незначительном количестве присутствуют кусты можжевельника обыкновенного (Juniperus communis L.), рябины обыкновенной (Sorbus aucuparia L.), ивы (Salix sp). Подрост представлен в основном елью, редко встречаются сосна, береза и пихта.

Для изучения химического состава растений были отобраны листья кустарничков. Сбор материала производился в конце июля – начале августа в 2009 и 2018 гг. Образцы растений отбирали методом укосов [30]. Образцы готовили к анализу по [31].

На химический анализ отбирали один средний образец из 10 повторностей с каждой ППП. Химический анализ проводили только одной средней пробы с каждой ППП. Из средней пробы брали три аналитические повторности. Химический анализ проводили в аккредитованной экоаналитической лаборатории Института биологии Коми НЦ УрО РАН (аттестат аккредитации № РОСС RU.0001.511257 от 26 февраля 2014 г.) по аттестованным методикам количественного химического анализа [21].

Результаты и их обсуждение

Обобщенная динамика индекса поврежденности показывает, что в сосновых фитоценозах, растущих на загрязненной аэротехногенными выбросами, жизненное состояние деревьев с 1998 по 2018 гг. улучшилось, а в древостоях фоновой территории состояние деревьев осталось почти на одном уровне [28].

Одновременно с оценкой состояния древостоев исследовали влияние техногенного загрязнения «Монди СЛПК» на элементный состав листьев черники и брусники. Влияние поллютантов промышленных производств, наряду с природными факторами, приводит к изменению химического состава растительных тканей [32; 33]. Поступление поллютантов в листья черники и брусники происходит при техногенном воздействии за счет поверхностного загрязнения, а также фолиарного и почвенного поглощения.

Установлено (рис. 1), что в 2009 г. в листьях черники, произрастающей в сосновых древостоях как на фоновых, так и на загрязненных пробных площадях, средние значения cуммы химических элементов в воздушно-сухих пробах одинаковы – 2,2 ± 0,1%. В 2018 г. содержание зольных элементов в листьях черники, собранных в фоновых сосняках, достоверно выше 2,9 ± 0,1%, чем в листьях черники, собранных на загрязненных пробных площадях 1,9 ± 0,2% (рис. 1).

 

Рисунок 1 – Суммарное содержание зольных элементов в листьях черники и брусники (А – 2009 г., Б – 2018 г.)

 

В 2009 г. в пробах листьев брусники, произрастающей в сосновых древостоях как на фоновых, так и загрязненных пробных площадях, достоверной разницы в содержании элементов не выявлено. Средние значения суммы зольных элементов были равны: 1,5 ± 0,1%. В 2018 г. сумма элементов в листьях брусники, собранных в фоновых сосняках незначительно выше 1,8 ± 0,2%, чем в листьях брусники, собранных на загрязненных пробных площадях 1,5 ± 0,1%.

Более ранние исследования [34] показали, что содержание зольных элементов в листьях брусники ельников, расположенных в фоновом районе составляет 1,19% от массы сухого вещества. В еловых насаждениях загрязненных участков выбросами целлюлозно-бумажного производства зольность листьев брусники выше контроля в 1,3 раза и изменяется от 1,44 до 1,79%.

Среди зольных элементов в листьях черники и брусники исследуемых сосновых фитоценозов доминируют кальций и калий.

Характерными особенностями видов рода Vaccinium является высокое содержание кальция. Эти растения относятся к типичным кальцифагам [3]. На долю кальция в листьях брусники в сумме зольных элементов приходится 44–46% (2009 г.) и 41–55% (2018 г.); в листьях черники 24–41% (2009 г.) и 21–45% (2018 г.). Участие калия в листьях брусники составляет 22–25% (2009 г.), 25–28% (2018 г.) и в листьях черники 38–39% (2009 г.), 33–41% (2018 г.). Большая доля в листьях кустарничков приходится на магний, фосфор и марганец.

Можно отметить, что средние значения массовой доли зольных элементов в пробах листьев черники в 1,5 раза выше, чем в листьях брусники как для фоновых, так и загрязненных пробных площадей. Подобная тенденция была отмечена нами ранее в среднетаежных ельниках [21].

На рисунках 2 и 3 указаны коэффициенты аппроксимации логарифмических трендов (R²) зависимости содержания элемента в листьях кустарничков при удалении от источника загрязнения. На основе полученных данных не выявлено закономерного изменения содержания элементов в листьях кустарничков по мере удаления от источника загрязнения (рис. 2, 3).

 

Рисунок 2 – Изменение массовой доли зольных элементов (А – Ca, Б – K, В – P, Г – Mg, Д – Mn, Е – Al, Ж – Na, З – Fe) в листьях черники в зависимости от расстояния от СЛПК: R² – в нижнем правом углу – аппроксимация тренда 2009 г., в верхнем правом углу – 2018 г.

 

Рисунок 3 – Изменение массовой доли зольных элементов (А – Ca, Б – K, В – P, Г – Mg, Д – Mn, Е – Al, Ж – Na, З – Fe) в листьях брусники в зависимости от расстояния от СЛПК: R² – в нижнем правом углу – аппроксимация тренда 2009 г., в верхнем правом углу – 2018 г.

 

В 2009 г. средние значения массовой доли серы в воздушно-сухих пробах листьев черники с фоновых и загрязненных пробных площадей были одинаковы и составили 0,18 ± 0,01%, в листьях брусники варьировали от 0,15 ± 0,01% до 0,17 ± 0,01% (рис. 4). В 2018 г. средние значения массовой доли серы в пробах листьев черники на фоновых пробных площадях составили 0,17 ± 0,01%, брусники – 0,13 ± 0,01%, на загрязненных пробных площадях – 0,14 ± 0,01% и 0,12 ± 0,01% соответственно для черники и брусники. В целом, различия по содержанию серы в листьях кустарничков в 2009 и 2018 годах находятся в пределах погрешности, а некоторое уменьшение значений массовой доли серы в пробах листьев 2018 года можно квалифицировать как тренд.

 

Рисунок 4 – Массовая доля серы в пробах листьев брусники и черники (А – 2009 г., Б – 2018 г.)

 

В 2009 и 2018 гг. были получены одинаковые средние значения массовой доли азота в воздушно-сухих пробах листьев черники для фоновых и загрязненных пробных площадей – 2,0 ± 0,1% и 2,1 ± 0,1% соответственно. Аналогичные значения массовой доли азота в пробах листьев брусники для фоновых и загрязненных пробных площадей варьируют в пределах погрешности измерений – от 1,1 ± 0,1% до 1,2 ± 0,1%. Эти данные свидетельствует о том, что не обнаружено достоверных различий в значениях массовой доли азота в листьях черники и брусники для сосновых древостоев, расположенных на различном удалении от источника эмиссии – АО «Монди СЛПК» (рис. 5).

 

Рисунок 5 – Массовая доля азота в пробах листьев брусники и черники (А – 2009 г., Б – 2018 г.)

 

Выявлено, что массовая доля азота в листьях брусники значительно меньше, чем в листьях черники за оба периода наблюдений. Не наблюдается достоверной разницы в содержании общего азота в листьях черники и брусники между 2009 и 2018 гг. (рис. 5).

Значения массовой доли углерода в пробах листьев черники и брусники, произрастающих в сосновых древостоях, варьируют в диапазоне от 48% до 51% и не дифференцированы относительно вида кустарничков, времени отбора проб, уровня загрязнения пробных площадей или их удаления от источника эмиссии (рис. 6).

 

Рисунок 6 – Массовая доля углерода в пробах листьев брусники и черники (А – 2009 г., Б – 2018 г.)

 

Таким образом, в листьях черники преобладает азот и сера, содержание углерода в листьях кустарничков находится на одном уровне.

В условиях техногенных выбросов в атмосферу оксидов азота, серы, соединений углерода, как в 1998 г., так и в 2009 г. не отмечается накопления их в листьях черники и брусники [12].

Заключение

Установлено, что в 2009 г. в листьях черники и брусники, произрастающей в сосновых древостоях как на фоновой, так и на загрязненной территории, средние значения массовой доли зольных элементов одинаковы. В 2018 г. содержание зольных элементов в листьях кустарничков фоновых сосняков выше, чем в листьях, собранных в импактной зоне.

Выявлено, что средние значения массовой доли зольных элементов в пробах листьев черники в 1,5 раза выше, чем в листьях брусники как фоновой, так и загрязненной территории. Среди зольных элементов доминирующими в листьях черники и брусники на всех участках являются Ca и K, на долю которых приходится от 21% до 55% от общей массовой доли зольных элементов.

На основе полученных данных не выявлено закономерного изменения содержания элементов в листьях кустарничков в зависимости от расстояния от источника загрязнения. Выявлено, что различия по содержанию серы в листьях кустарничков в 2009 и 2018 годах находятся в пределах погрешности. Не обнаружено достоверных различий в значениях массовой доли азота в листьях черники и брусники для сосновых древостоев, расположенных на различном удалении от СЛПК. Выявлено, что массовая доля азота в листьях брусники значительно меньше, чем в листьях черники за оба периода наблюдений. Значения массовой доли углерода в пробах листьев черники и брусники, произрастающих в сосновых древостоях, не дифференцированы относительно вида кустарничков, времени отбора проб, уровня загрязнения пробных площадей или их удаления от источника эмиссии.

Таким образом, в условиях техногенных выбросов в атмосферу оксидов азота, серы, соединений углерода как в 2009 г., так и в 2018 г. не отмечается накопления их в листьях черники и брусники.

Благодарности

Автор выражает благодарность Н.В. Торлоповой, принимавшей активное участие в сборе и анализе экспериментального материала в разные периоды исследования.

 

***

Работа выполнена в рамках темы НИР «Зональные закономерности динамики структуры и продуктивности первичных и антропогенно измененных фитоценозов лесных и болотных экосистем европейского Северо-Востока России» (122040100031-8).

About the authors

Elena A. Robakidze

Institute of Biology of Komi Scientific Centre of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: robakidze@ib.komisc.ru

candidate of biological sciences, researcher of Forest Biological Problems of the North Department

Russian Federation, Syktyvkar

References

Supplementary files