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

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

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.