Научный журнал
Успехи современного естествознания
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,831

ЭКОЛОГО-БИОГЕОХИМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ПОЧВ ГОРНО-ЛЕСНОГО ПОЯСА БАССЕЙНА ТЕЛЕЦКОГО ОЗЕРА

Ельчининова О.А. 1, 2 Кузнецова О.В. 1, 2 Рождественская Т.А. 2 Кайзер М.И. 1 Вышникова Т.В. 1, 2
1 Горно-Алтайский государственный университет
2 Институт водных и экологических проблем СО РАН
Исследовано содержание биогенных (Cu, Zn, Mn) и токсичных (Pb, Сd) элементов в гумусово-аккумулятивных горизонтах горно-лесных почв (бурых и серых), надземной фитомассе и корнях растений, отобранных на участках, сопряженных с почвенными разрезами, и лесной подстилке бассейна Телецкого озера. Установлено, что наибольшей подвижностью в исследуемых типах почв обладает кадмий (26,9–30,9 %), наименьшей и примерно одинаковой – биогенные элементы: медь (3,4–5,2 %) и цинк (3,2–5,3 %), марганец (5,1–5,4 %). Содержание подвижных форм металлов в почве находится в сильной корреляционной зависимости с валовым (для обоих типов почв r = 0,99). Определены коэффициенты биологического поглощения (< 1) и биогеохимической подвижности (< 8). Максимальные содержания элементов обнаружены в корнях и лесной подстилке. Лесная подстилка концентрирует все исследованные элементы и в дальнейшем является потенциальным источником поступления их в почву. Корневая система в большей степени препятствует поступлению в растения избытка токсикантов (Сd), чем биогенных элементов (Cu, Zn, Mn). Неодинаковое распределение свинца по частям растительных ассоциаций, произрастающих на разных типах почв, связано не только с наличием корневого барьера, но и с тем, что этот элемент поглощается растением пассивно. Концентрации исследованных элементов в почвах не превышают величин ОДК и ПДК, принятых в России и за рубежом. Уровень валового содержания свинца в почвах горно-лесного пояса характеризуется как «низкий», меди и цинка – «средний», кадмия – «высокий». Установленные значения содержания подвижных форм цинка можно отнести к таким градациям, как «низкое», меди и свинца – «среднее», кадмия – «повышенное», что свидетельствует об отсутствии загрязнения исследованных почв тяжелыми металлами.
биогенные и токсичные элементы
почвы
лесная подстилка
надземная фитомасса
корни
коэффициенты биологического поглощения и биогеохимической подвижности
1. Добровольский В.В. Основы биогеохимии. М.: Издательский центр «Академия», 2003. 400 с.
Dobrovolsky V.V. Basics of biogeochemistry. M.: Izdatel`skij centr «Akademiya», 2003. 400 р. (in Russian).
2. Балыкин С.Н., Ключников М.В. Почвы лиственничных лесов Горного Алтая // Мир науки, культуры, образования. 2009. № 1 (13). С. 20–22.
Balykin S.N., Kluchnikov M.V. The Larch Forest Soils of Mountain Altai // The world of science, culture and education. 2009. № 1 (13). Р. 20–22 (in Russian).
3. Балыкин С.Н., Пузанов А.В. Экологическая оценка биохимической ситуации в лесном поясе Горного Алтая // Регионы нового освоения: экологические проблемы, пути их решения: материалы Межрегиональной научно-практической конференции. 2008. С. 11–14.
Balykin S.N., Puzanov A.V. Ecological assessment of the biochemical situation in the forest belt of the Altai Mountains// Regions of new development: environmental problems, ways to solve them. Materials of the Interregional scientific and practical conference. 2008. Р. 11–14 (in Russian).
4. Ильин В.Б. Тяжелые металлы и неметаллы в системе почва – растения. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2012. 219 с.
Ilin V. B. Heavy metals and nonmetals in the soil – plant system. Novosibirsk: Izd-vo SO RAN, 2012. 219 р. (in Russian).
5. Обухов А.И., Ефремова Л.А. Охрана и рекультивация почв, загрязненных тяжелыми металлами. // Тяжелые металлы в окружающей среде и охрана природы: тезисы докладов 2-й Всесоюзной конференции. Ч. 1. М., 1988. С. 23.
Obukhov A.I., Efremova L.A. Soil conservation, remediation of soils contaminated with heavy metals // Heavy metals in the environment and nature protection: theses of reports of the 2nd All-Union conference. P. 1. M., 1988. Р. 23 (in Russian).
6. Щербов Б.Л. Роль лесной подстилки в миграции химических элементов и искусственных радионуклидов при лесных пожарах в Сибири // Сибирский экологический журнал. 2012. Т. 19. № 2. С. 253–265.
Shcherbov B.L. The role of forest floor in migration of metals and artificial nuclides during forest fires in Siberia // Contemporary Problems of Ecology. 2012. V. 5. № 2. Р. 191–199. DOI: 10.1134/S1995425512020114.
7. Енчилик П.Р., Асеева Е.Н., Семенков И.Н. Биологическое поглощение и биогеохимическая подвижность микроэлементов в лесных ландшафтах Центрально-Лесного государственного природного биосферного заповедника // Проблемы региональной экологии. 2018. № 4. C. 93–98. DOI: 10.24411/1728-323X-2018-14093.
Enchilik P.R., Aseeva E.N., Semenkov I.N. Biological uptake and biogeochemical mobility of microelements in forest landscapes of the Central Forest State Biosphere Nature Reserve // Regional environmental issues. 2018. № 4. Р. 93–98 (in Russian).
8. Черняхов В.Б., Щеглова Е.Г. Основные параметры распределения микроэлементов (Zn, Pb, Ag, Mo и Co) в растительном покрове Яман-Касинского медноколчеданного месторождения // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2016. № 4 (60). С. 162–164.
Chernyahov V.B., Shcheglova E.G. Basic parameters of distribution of trace elements (Zn, Pb, Ag, Mo and Co) in the vegetation cover of the Yaman-Kasin copper-plated Deposit // Izvestiia Orenburgskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. 2016. № 4 (60). Р. 162–164 (in Russian).
9. Kabata-Pendias A. Trace Elements in Soils and Plants. 4rd ed. CRC Press, 2011. 534 р.

Сложная, динамическая система «почва – растение» играет важную роль в обменных процессах, предопределяя биогеохимический круговорот, включая в пищевые цепи не только биогенные, но и токсические вещества разной биологической активности. Поэтому в экологические исследования рационально включать не только изучение почвенного покрова, но и оценивать в целом систему «почва – растение», так как буферные свойства почв и защитные возможности растений могут менять поведение металлов в экологической цепи. По выражению В.В. Добровольского [1], идеи и подходы биогеохимии весьма перспективны для развития экологии.

Экологическая оценка биохимической ситуации в лесном поясе Горного Алтая в целом дана С.Н. Балыкиным с соавторами [2, 3]. Одним из основных рекреационных районов Республики Алтай является бассейн Телецкого озера – объекта Всемирного природного наследия ЮНЕСКО (1998 г.). Часть его территории входит в Алтайский государственный природный биосферный заповедник (АГПБЗ), созданный в 1932 г. в целях сохранения и изучения уникального природного комплекса Телецкого озера и Прителецкой тайги. Другая часть (поселения Артыбаш, Яйлю, водопад Корбу, бассейны рек Чулышман и Башкаус) в летний период подвергаются антропогенной нагрузке в результате деятельности туристической отрасли, которая с каждым годом возрастает. Поэтому оценка современного состояния данной территории весьма актуальна и крайне необходима.

Цель исследования: эколого-биогеохимическая оценка почв горно-лесного пояса бассейна Телецкого озера.

Материалы и методы исследования

Основу почвенного покрова горно-лесного пояса бассейна Телецкого озера составляют горно-лесные бурые и горно-лесные серые почвы. Горно-лесные бурые почвы формируются под кедрово-лиственничными широкотравными или зеленомошными типами леса. Почвообразующим материалом служат продукты выветривания – в основном элювий и элювио-делювий коренных пород. Толща содержит много скелета, мелкоземистая часть тяжело- и среднесуглинистая. Органического вещества в виде грубого гумуса в верхней части профиля много (до 15 %). Однако в горизонте А содержание гумуса значительно меньше и с глубиной оно убывает. Реакция среды кислая.

Горно-лесные серые почвы распространены под темнохвойными или березово-осиновыми лесами с хорошо развитым высокотравьем. Чаще всего формируются на бескарбонатных тяжелых суглинках и глинах. Содержание гумуса варьирует в широких пределах – от 4 до 10 %. Горно-лесные серые почвы характеризуются слабокислой или кислой реакцией среды.

Отбор проб проводили общепринятыми в почвоведении и агрохимии методами. В настоящей работе представлены данные содержания химических элементов в гумусовом горизонте (Адер + А). Надземную фитомассу и подстилку отбирали с площади 1 м2 на участках, сопряженных с почвенными разрезами. Отбор растительных проб проводили в фазу цветения, когда отмечается максимальное поступление химических элементов в надземную массу. Корни отмывали сначала в проточной воде, затем – дистиллированной. Определение содержания тяжелых металлов (марганца, меди, цинка, свинца, кадмия) проводили вольтамперометрическим методом. Подвижные формы элементов извлекали ацетатно-аммонийным буфером (рН 4,8). При обработке полученной информации использовали вариационно-статистический и корреляционный методы.

Результаты исследования и их обсуждение

Наиболее распространенным в экологической оценке почв является подход, состоящий в определении валового содержания и подвижных форм тяжелых металлов. Варьирование, как валового содержания, так и подвижных форм отдельных элементов, в почвах невелико. Максимальные содержания в почвах отмечены для биогенных элементов. В то время как токсичных элементов значительно меньше (таблица).

Содержание биогенных и токсичных элементов, мг/кг

Объект

Pb

Cd

Cu

Zn

Мn

Горно-лесная бурая почва

Почва (В)*

9,50 ± 0,60

0,68 ± 0,06

17,30 ± 1,20

58,7 ± 6,10

468,6 ± 36,4

Почва (П)**

0,52 ± 0,04

0,21 ± 0,01

0,60 ± 0,06

1,9 ± 0,14

25,5 ± 2,3

Корни

0,89 ± 0,06

0,18 ± 0,02

0,71 ± 0,06

10,2 ± 0,99

34,7 ± 2,6

Подстилка

0,45 ± 0,03

0,14 ± 0,01

4,42 ± 0,36

15,1 ± 1,13

140,9 ± 11,7

Надземная масса

0,20 ± 0,01

0,01 ± 0,00

2,44 ± 0,26

11,2 ± 1,08

61,5 ± 5,9

Горно-лесная серая почва

Почва (В)

7,70 ± 0,70

0,93 ± 0,09

13,60 ± 1,40

31,9 ± 2,90

535,0 ± 47,1

Почва (П)

0,97 ± 0,06

0,25 ± 0,01

0,70 ± 0,06

1,7 ± 0,15

27,6 ± 2,03

Корни

0,36 ± 0,03

0,01 ± 0,00

2,20 ± 0,19

8,0 ± 0,57

125,6 ± 10,9

Подстилка

0,71 ± 0,07

0,18 ± 0,00

8,70 ± 0,09

11,6 ± 1,01

103,3 ± 9,4

Надземная масса

0,68 ± 0,07

0,12 ± 0,01

3,30 ± 0,02

5,7 ± 0,47

21,0 ± 1,9

Примечание. * – валовое содержание; ** – содержание подвижных форм, извлеченных ацетатно-аммонийным буфером (рН 4,8).

Содержание подвижных форм металлов в почве находится в сильной корреляционной зависимости с валовым (для обоих типов почв r = 0,99). Степень подвижности – это условный показатель доступности растениям микроэлементов-металлов. Содержание подвижных форм тяжелых металлов подвержено сильным колебаниям, что определяется составом и свойствами почв, влиянием растений, а также свойствами конкретного элемента. В исследованных почвах степень подвижности сильно варьирует. Наибольшей подвижностью в исследуемых типах почв обладает кадмий (26,9–30,9 %), наименьшей и примерно одинаковой – медь (3,4–5,2 %) и цинк (3,2–5,3 %). Что согласуется с данными, приведенными В.Б. Ильиным [4] для незагрязненных лесных почв Западной Сибири. Подвижность марганца составляет 5,1–5,4 %.

По шкале экологического нормирования для почв со слабокислой реакцией среды по А.И. Обухову [5] уровень валового содержания свинца в почвах горно-лесного пояса характеризуется как «низкий», меди и цинка – «средний», кадмия – «высокий». Установленные значения содержания подвижных форм цинка можно отнести к градациям как «низкое», меди и свинца – «среднее», кадмия – «повышенное». Выше изложенное свидетельствует об отсутствии загрязнения исследованных типов почв тяжелыми металлами.

Содержание в почве химических элементов и сопряженная с этим транслокация их в растения – сложный процесс, на который влияют множество факторов. Снижение содержания элементов в растениях является свидетельством ограниченного поглощения их последними в связи с наличием физиолого-биохимических барьеров поглощения и достаточно низкой подвижностью микроэлементов.

Корневая система в большей степени препятствует поступлению в растения избытка токсикантов (Pb, Сd), чем биогенных элементов (Cu, Zn, Mn). Способность корневой системы растений задерживать избыточные ионы обусловлена совокупным действием морфологических структур и химических реакций неспеци- фической природы, к которым относится поясок Каспари, обменная емкость корней, многочисленные органические соединения, образующие с элементами малоподвижные соединения. Корень способствует механической задержке или адсорбции на стенках клеток, уменьшению их подвижности или изоляции [4]. Вид растительности и тип их корневой системы достаточно сильно влияют на накопление одного и того же элемента в корнях.

Уровень концентрации химических элементов в надземной части растений контролируется процессами их транспорта из корневой системы. Ограничение процессов транслокации в вегетативные органы можно оценить, сравнивая аккумулирующую способность корневой и надземной частей растений. Оно, как правило, имеет место в условиях природного или техногенного загрязнения. При отсутствии же загрязнения механизмы корневой защиты не вступают в действие и возможно специфическое распределение элемента по органам и тканям растений. Так, содержание биогенных элементов (марганца и меди) в корневой системе ниже, чем в надземной массе. Цинк распределяется практически равномерно между надземной и подземной массой. Токсичных же элементов (свинца и кадмия) в корнях растительности, развитой на горно-лесной бурой почве, накапливается больше, чем в надземной массе.

При изучении поведения химических элементов в лесных ландшафтах подстилки имеют наиболее важное значение из всех компонентов. Активные биогеохимические процессы, протекающие в подстилках, из-за постоянно поступающего органического материала, высокие депонентные свойства по отношению к выпадающим из атмосферы химическим компонентам – все эти качества ставят лесные подстилки в ряд природных объектов, играющих исключительную роль биогеохимического барьера на пути миграции элементов в лесных ландшафтах [6]. При рассмотрении концентраций элементов в подстилке горно-лесных серых и бурых почв, необходимо учитывать соотношение лиственных и хвойных пород, меньшую скорость деструкции хвои и способность накапливать тот или иной химический элемент. Например, в хвое содержание биогенных элементов выше, чем в листьях. Поэтому лесная подстилка, образующаяся на горно-лесной бурой почве, сформированной под кедрово-лиственничными лесами, содержит больше марганца и цинка, чем подстилка, образованная на горно-лесной серой почве под березово-осиновыми лесами.

Распределение металлов в системе «почва – растение» зависит от различных условий. Количественно степень взаимо- связи химических элементов в этой системе и характеристика региональных биогеохимических особенностей выражается коэффициентом биологического поглощения, который представляет собой отношение содержания элементов в золе растений к их валовому содержанию в почве, на которой произрастает данное растение. Коэффициент биологического поглощения отражает скорее потенциальную биогеохимическую подвижность элементов. Доступность и степень использования растениями того или иного элемента характеризуется коэффициентом биогеохимической подвижности. Это отношение содержания элементов в растении к содержанию подвижных форм элементов в почве. Величины рассчитанных коэффициентов представлены на рисунке.

el1a.tif

el1b.tif

а

б

el1c.tif

А

el2a.tif

el2b.tif

а

б

el2c.tif

Б

Коэффициенты биологического поглощения (а) и биогеохимической подвижности (б) элементов в горно-лесной серой (А) и горно-лесной бурой почвах (Б)

Максимальные коэффициенты биологического поглощения и биогеохимической подвижности выявлены для биогенных элементов, минимальные – для токсичных. По величине коэффициента биологического поглощения отдельные части растительных ассоциаций на обоих типах почв можно расположить в следующие убывающие ряды: для биогенных элементов – лесная подстилка > корни > надземная масса; для токсичных элементов – корни ≥ лесная подстилка > надземная масса. Соотношение содержаний подвижных форм элементов в гумусово-аккумулятивных горизонтах почв и сухом веществе разных частей растительных ассоциаций различается в десятки раз. Концентрация как биогенных, так и токсичных элементов, за исключением свинца в горно-лесной серой почве, в сухой массе корней превышает содержание их доступных форм в почве. В надземной массе растений концентрируются только биогенные элементы, а содержание токсичных по сравнению с почвой снижается. На более активное поглощение подвижных форм меди и марганца в лесных ландшафтах Центрально-лесного государственного природного биосферного заповедника указывают П.Р. Енчилик, Е.Н. Асеева, И.Н. Семенков [7].

По данным этих же авторов, с увеличением увлажненности ландшафтов усиливается и поглощение цинка. Исследованная территория характеризуется повышенным атмосферным увлажнением (в Прителецкой тайге может выпадать до 1000 мм осадков в год). Кроме того, горно-лесные бурые и горно-лесные серые почвы, формирующиеся под пологом лесной растительности, практически постоянно находятся в состоянии повышенной увлажненности. Вышесказанное относится к незагрязненным территориям. В условиях же техногенного загрязнения содержание цинка в корнях может почти в 3 раза превышать его содержание в стеблях и листьях [8].

Для кадмия характерно акропетальное распределение по органам растения. Ведущую роль здесь играет корневой барьер, поэтому транслокация в надземные органы слабая [9]. На поведение свинца в системе «почва – растение» оказывает влияние не только наличие корневого барьера, но и тот факт, что этот элемент поглощается растением пассивно. Этим, вероятно, можно объяснить неодинаковое распределение токсиканта по частям растительных ассоциаций, произрастающих на разных типах почв. В горно-лесных бурых почвах при более кислой реакции среды свинец поглощается интенсивнее, но большая часть его локализуется в корнях. В горно-лесных серых почвах с менее кислой реакцией элемент поглощается из почвы слабее и значительная доля его накапливается в надземной массе.

Лесная подстилка концентрирует все исследованные элементы и в дальнейшем является потенциальным источником поступления их в почву. Для лесной подстилки отмечены максимальные показатели коэффициентов биологического поглощения и биогеохимической подвижности.

Заключение

Уровень валового содержания свинца в почвах горно-лесного пояса характеризуется как «низкий», меди и цинка – «средний», кадмия – «высокий». Установленные значения содержания подвижных форм цинка можно отнести к таким градациям, как «низкое», меди и свинца – «среднее», кадмия – «повышенное», что свидетельствует об отсутствии загрязнения исследованных почв тяжелыми металлами. Наибольшей подвижностью в исследуемых типах почв обладает кадмий (26,9–30,9 %), наименьшей и примерно одинаковой биогенные элементы – медь (3,4–5,2 %), цинк (3,2–5,3 %), марганец (5,1–5,4 %). Концентрации исследованных элементов в почвах не превышают величин ОДК и ПДК, принятых в России и за рубежом. Максимальные концентрации токсичных элементов обнаружены в корнях растений, биогенных – в лесной подстилке и надземной массе. По величине коэффициента биологического поглощения отдельные части растительных ассоциаций на исследованных типах почв можно расположить в следующие убывающие ряды: для биогенных элементов – лесная подстилка > корни > надземная масса; для токсичных элементов – корни ≥ лесная подстилка > надземная масса.

Полученные сведения о местном фоновом содержании биогенных и токсичных элементов в почвах и растительности имеют важное практическое значение – их можно использовать в качестве начальной точки отсчета при возможном антропогенном загрязнении.

Работа выполнена при поддержке РФФИ (18-45-040008).


Библиографическая ссылка

Ельчининова О.А., Кузнецова О.В., Рождественская Т.А., Кайзер М.И., Вышникова Т.В. ЭКОЛОГО-БИОГЕОХИМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ПОЧВ ГОРНО-ЛЕСНОГО ПОЯСА БАССЕЙНА ТЕЛЕЦКОГО ОЗЕРА // Успехи современного естествознания. – 2019. – № 4. – С. 51-56;
URL: https://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=37107 (дата обращения: 30.03.2023).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.685