Пристова Т. А. Элементный состав растений в лиственных лесах послерубочного происхождения средней тайги Республики Коми // Принципы экологии. 2021. № 4. С. 80–88. DOI: 10.15393/j1.art.2021.11922


Выпуск № 4

Оригинальные исследования

pdf-версия статьи

630*1; 581.192

Элементный состав растений в лиственных лесах послерубочного происхождения средней тайги Республики Коми

Пристова
   Татьяна Александровна
кандидат биологических наук, Институт биологии Коми НЦ УрО РАН, Республика Коми, г. Сыктывкар, ул. Коммунистическая, д. 28, pristova@ib.komisc.ru
Ключевые слова:
средняя тайга
лиственные леса
элементный состав растений
Оцените статью:

0     0     0
Аннотация: 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.

© Петрозаводский государственный университет

Получена: 18 июня 2021 года
Подписана к печати: 11 февраля 2022 года

Введение

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, призрастающих 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 Княжпогостском 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).

 

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.

 

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). Повышенное 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).

 

Таблица 2. Содержание элементов в надземной части исследованных растений, мг/кг а. с. в.

Вид растения  Mg Ca K Mn P S
Осиново-березовое насаждение        
Брусника 1500 ± 400 5600 ± 1700 4800 ± 1900 1800 ± 500 1200 ± 400 1200 ± 400
Ситник 1600 ± 500 3000 ± 1000 10000 ± 4000 1100 ± 300 1800 ± 540 1600 ± 400
Кукушкин лен 1300 ± 390 3100 ± 930 9800 ± 3920 250 ± 75 2100 ± 630 1400 ± 420
Сфагнум 2090 ± 630 7700 ± 2300 10100 ± 4000 600 ± 180 1800 ± 540 1400 ± 420
Ива (листья) 2600 ± 800 12000 ± 4000 11000 ± 4000 1350 ± 400 3400 ± 1000 1800 ± 500
Ива (ветви) 1500 ± 450 14000 ± 4200 4800 ± 1920 140 ± 40 1000 ± 300 650 ± 190
Береза (листья) 4000 ± 1200 12000 ± 4000 10000 ± 4000 1400 ± 120 3300 ± 1000 1300 ± 400
Березово-еловый молодняк          
Брусника 1100 ± 300 6500 ± 2000 3900 ± 1600 1800 ± 500 1000 ± 300 1100 ± 300
Ситник 1600 ± 500 4100 ± 8100 13000 ± 5200 1700 ± 510 3000 ± 900 1700 ± 500
Кукушкин лен 1100 ± 330 2600 ± 780 5800 ± 2320 560 ± 168 1300 ± 390 950 ± 285
Сфагнум 1600 ± 480 5200 ± 1560 7200 ± 2880 1200 ± 360 1500 ± 500 1080 ± 324
Ива (листья) 2100 ± 600 6500 ± 1900 17000 ± 7000 1800 ± 540 5300 ± 1600 2700 ± 800
Ива (ветви) 930 ± 280 12000 ± 4000 5900 ± 2400 150 ± 50 1600 ± 500 830 ± 250
Береза (листья) 3500 ± 1000 5800 ± 1700 9000 ± 4000 1300 ± 400 2500 ± 700 1500 ± 400

 

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 большинства исследуемых видов концентрация элементов в березово-еловом молодняке ниже, чем в осиново-березовом насаждении (см. табл. 1, 2).

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

 

 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 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 осиново-березовом 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 березово-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.


Библиография

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.

Melvin A. M., Mack M. C., Johnstone J. F., McGuire A. D., Genet H., Schuur E. A. G. Differences in ecosystem carbon distribution and nutrient cycling linked to forest tree species composition in a mid-successional boreal forest // Ecosystems. 2015. № 18. P. 1472–1488.

Reimann C. Comparison of the element composition in several plant species and their substrate from a 1500000 km2 area in Northern Europe // The science of the total Environment. 2001. № 278. P. 87–112.

Tamminen P., Starr M., Kubin E. Element concentrations in boreal, coniferous forest humus layers in relation to moss chemistry and soil factors // Plant and soil. 2004. № 259. P. 51–58.


Благодарности

Работа выполнена при финансовой поддержке темы госзадания Института биологии Коми научного центра УрО РАН (№ АААА-А 17-117122090014-8) «Пространственно-временная динамика структуры и продуктивности фитоценозов лесных и болотных экосистем на европейском Северо-Востоке России». Выражаю искреннюю благодарность проф., д. б. н. К. С. Бобковой.


Просмотров: 489; Скачиваний: 69;