Накопление кадмия сосудистыми растениями в лесных экосистемах Приволжской возвышенности в пределах Пензенской области

Размещено на http://www.Allbest.Ru/

Накопление кадмия сосудистыми растениями в лесных экосистемах Приволжской возвышенности в пределах Пензенской области

М.И. Андреева

А.И. Иванов

Д.Г. Смирнов



Аннотация

Актуальность и цели. Изучение содержания токсичных химических элементов в различных компонентах природных экосистем является одной из актуальных проблем биосферной экологии. Целью работы было изучение фонового содержания кадмия в сосудистых растениях в лесных экосистемах Приволжской возвышенности в пределах Пензенской области.

Материалы и методы. Материалом для проведения исследований были пробы органов и тканей наиболее распространенных видов сосудистых растений различных жизненных форм. Пробы отбирали с сентября 2015 г. по декабрь 2019 г. Анализы образцов выполняли на атомно-адсорбционном спектрометре МГА-915 МД. Статистически расчеты проведены в Past 3.

Результаты и выводы. В результате измерений было определено количественное содержание кадмия в биоматериале древесных и травянистых растений. Статистическая обработка данных позволила сделать следующие выводы.

В наибольшем количестве рассматриваемый элемент накапливают деревья, в наименьшем - травы. Кустарники по этому показателю занимают среднее положение. В характере накопления кадмия сосудистыми растениями проявляется видовая специфичность. Его содержание в вегетативных органах и тканях древесных растений не одинаково. Минимальные значения были определены для корней и древесины ствола, средние - для листьев, максимальные - для корки.

Лекарственное и пищевое растительное сырье, заготовка которого возможна в изучаемых лесных сообществах Пензенской области, безопасно в отношении содержания кадмия. На заповедных территориях весь запас токсичных элементов, поступающих с атмосферными выпадениями, задерживается в них. В связи с этим они имеют такие же или даже более высокие показатели содержания кадмия в почве и биологических объектах, чем в лесных массивах, где проводятся рубки.

Ключевые слова: кадмий, жизненные формы, лесные экосистемы, заповедные территории, сосудистые растения.



Abstract

M.I. Andreeva, A.I. Ivanov, D.G. Smirnov. Cadmium accumulation by vascular plants in forest ecosystems of the Volga upland in Penza region

Background. The research of the content of toxic chemical elements in various components in natural ecosystems is one of actual issues of the biosphere ecology. The purpose of the work was to study the background concentrations of cadmium in vascular plants in forest ecosystems of the Volga Upland in Penza region.

Materials and methods. The research material was a number of samples of organs and tissues of the most common types of vascular plants of various life forms. They were selected during the period of time from September, 2015 to December, 2019. The samples were analyzed with the use of the MGA-915 MD atomic absorption spectrometer. Statistically calculated in Past 3.

Results and conclusions. As a result of measurements, the quantitative content of cadmium in the biomaterial of woody and herbaceous plants has been determined. The processing of the statistical data allowed drawing the following conclusions. Trees accumulate the largest amount of the element in question, while grasses accumulate the smallest. On this indicator, bushes occupy a middle position. The species specificity is manifested in the nature of the cadmium accumulation by vascular plants. The content of the element in the vegetative organs and tissues of woody plants is not uniform. The minimum values were determined for the roots and the wood tissue of the trunk, the average values were determined for leaves, and the maximum values were determined for bark. The medicinal and edible vegetable raw materials, procurement of which is possible in the researched forest communities of Penza region, are safe with respect to the cadmium content. In protected areas, the entire supply of toxic elements coming from atmospheric precipitation is held therein. In this regard, they have the same - or even higher - rates of cadmium content in the soil and the biological objects than in the forest areas where fellings take place.

Keywords: cadmium, forest ecosystems, life forms, protected areas, vascular plants.



Введение

Изучение содержания химических элементов в различных компонентах природных экосистем является одной из важнейших проблем биосферной экологии. Особенно актуальны подобные исследования в плане тяжелых металлов, обладающих сильной токсичностью, в частности, кадмия. Закономерности его депонирования в тканях растений, количественная оценка сезонной динамики содержания в растительных организмах, а также влияние эксплуатации лесных ресурсов на количественные показатели накопления кадмия в лесных экосистемах являются важнейшими этапами познания биогеохимического цикла рассматриваемого металла.

Целью работы было изучение фонового содержания кадмия в сосудистых растениях в условиях лесных экосистем Приволжской возвышенности в пределах Пензенской области.

Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:

1) изучить содержание кадмия в органах наиболее распространенных в районе исследований сосудистых растений различных жизненных форм;

2) исследовать характер накопления кадмия пищевыми и лекарственными растениями и дать экологическую оценку качества заготавливаемого сырья;

3) дать количественную оценку влияния эксплуатации лесов на динамику содержание кадмия в лесных экосистемах.

Материалы и методы

Объектами исследований являлись сосудистые растения лесных экосистем Пензенской области. Содержание кадмия определялось в биоматериале наиболее распространенных в районе исследований видов деревьев: Betula pendula Roth, Pinus sylvestris L., Quercus rцbur L., Tilia cordata Mill.; кустарников: Corylus avellana L., Euonymus verrucosus L., Lonicera xylosteum L. и многолетних трав: Aegopodium podagraria L., Anemone ranunculoides L., Stellaria holostea L., Carexpilosa Scop. Кроме того, характер накопления рассматриваемого элемента изучался в плодах дикорастущих пищевых растений Fragaria vesca L., Rubus idaeus L., Vaccinium myrtillus L., и лекарственном сырье: Alnus glutinosa (L.) Gaertn. (соплодия), Helichrysum arenarium (L.) Moench (соцветия), Rosa canina L. (плоды), Origanum vulgare L. (соцветия), Vaccinium myrtillus L. (листья).

Исследования проводились с сентября 2015 г. по декабрь 2019 г. В качестве района исследований была выбрана восточная часть Пензенской области, на территории которой представлен весь спектр разновидностей серых лесных почв и сосредоточено максимальное биологическое разнообразие, свойственное лесным экосистемам Приволжской возвышенности (рис. 1).

Рис. 1. Места отбора проб почвы и биоматериала в разных районах Пензенской области

Климат района исследований - умеренно-континентальный с периодически повторяющимися засухами. Средняя температура июля составляет 19-19,5°С, января - 12,5-13°С. Количество осадков в разных районах области составляет от 300 до 650 мм в год. Рельеф на большей части территории равнинный, с сильным эрозионным расчленением. В почвенном покрове преобладают серые лесные почвы и выщелоченные черноземы. Материнские породы, подстилающие их, представлены песками, опоками, бескарбонатными и карбонатными глинами. Среднее содержание кадмия для изученных в ходе исследований почв составляет 153,0 мкг/кг [1]. Оно оказывается в 3,3 раза ниже, чем в почвах мира; 2,8 раза - чем в западных районах европейской части России [2-4]. Не высокий естественный фон содержания кадмия в почвах и подстилающих их породах следует считать особенностью геохимии района исследований.

Растительность имеет типичный лесостепной облик. Леса представлены островными массивами различных размеров, которые окружены сельскохозяйственными угодьями. На светло-серых лесных почвах, подстилаемых опоками и песками, формируются различные типы сосновых лесов: сложные сосняки, сосняки зеленомошные, лишайниковые и черничные. На темно-серых лесных почвах, подстилаемых бескарбонатными и карбонатными глинами, а также в долинах рек распространены широколиственные леса. На их месте после вырубок как вторичные типы леса формировались березовые и осиновые леса [5].

Отбор проб почв осуществлялся по ГОСТ 17.4.3.01-83. Пробы биоматериала растений отбирались в соответствии с Методическими указаниями по определению тяжелых металлов в почвах сельхозугодий и продукции растениеводства [6].

Анализ образцов почв и биоматериала выполняли на атомно-адсорбционном спектрометре МГА-915 МД. Лабораторные исследования осуществляли на базе научно-исследовательской лаборатории филиала ФБУ «Федеральное управление по безопасному хранению и уничтожению химического оружия при Министерстве промышленности и торговли РФ (войсковая часть 70855) - 1206 объект по хранению и уничтожению химического оружия (войсковая часть 21222)».

Для сравнительной оценки данных по накоплению кадмия в биологических объектах и их субстратах проводили вычисления среднеарифметических значений (M), их стандартной ошибки (SE) и стандартного отклонения, или дисперсии (SD). Для выявления особенностей накопления кадмия в пределах жизненных форм сосудистых растений выборки разных видов объединяли по их принадлежности к соответствующей группе. Поскольку числовые данные всех исходных выборок были различны, а вновь образующиеся выборочные совокупности оказались неоднородными, то при их описании использовали значения медианы (Ме), процентили (25,75%) и показатели Min-Max.

Для установления уровня сходства между разными типами почв применяли иерархический кластерный анализ с использованием алгоритма невзвешенного попарного сравнения на основе арифметического среднего (UPGMA) и дистанции Эвклида. В качестве меры репрезентативности, показывающей насколько точно дендрограмма сохраняет попарные расстояния между исходными немоделированными точками данных, рассчитывали копе- нетическую корреляцию (Rcoph).

План исследований авторов включал сравнение большого числа групп, поэтому был использован однофакторный дисперсионный анализ (ANOVA). Исходя из того, что данный анализ позволяет проверить лишь гипотезу о равенстве всех сравниваемых средних, то для дальнейшего выяснения, где именно лежат различия, т.е. какие именно группы отличаются друг от друга, авторами производился анализ множественного сравнения при использовании параметрического критерия Тьюки (HSD) и непараметрического критерия Краскела - Уоллиса (KW-H). Для возможности применения критерия Тьюки проводили проверку данных на однородность групповых дисперсий с помощью индекса Левинса. Критерий Тьюки считался применимым, если групповые дисперсии были однородны (p > 0,05).

Во всех случаях уровень различий считали значимым при пороге р < 0,05. Все расчеты осуществляли в программе Microsoft Excel и с помощью статистического пакета Past 3 [7]



Результаты и обсуждение

В ходе исследований авторами изучалось содержание кадмия в вегетативных и репродуктивных органах растений различных жизненных форм: деревьев, кустарников и многолетних трав. В результате измерений было установлено, что наиболее активно кадмий накапливают деревья, наименее - травы. Кустарники по этому показателю занимают среднее положение. При этом деревьям свойствен наибольший диапазон изменчивости медианных показателей (рис. 2).

Рис. 2. Содержание кадмия в вегетативных органах сосудистых растений различных жизненных форм и тест Краскела - Уоллиса на различие между значениями медиан

Содержание кадмия в вегетативных органах растений характеризуется видовой специфичностью. Согласно проведенному анализу сравнения, выявленные различия значений содержания кадмия в вегетативных органах разных видов оказались статистически значимыми. По содержанию рассматриваемого элемента в вегетативных органах древесные растения распределились в следующей последовательности: Betula pendula - 118,4 мкг/кг, Pinus sylvestris - 0,112 мкг/кг, Tilia cordata - 0,92 мкг/кг, Quercus rцbur - 74,2 мкг/кг. На способность B. pendula накапливать кадмий в наибольших количествах, по сравнению с другими деревьями, указывают и другие исследователи [8].

Наиболее ясную картину сходства и различий между разными видами деревьев и кустарников дает кластерный анализ, который позволяет оценить выборки по целому ряду переменных. Кустарники характеризуются самым малым содержанием рассматриваемого элемента, которое выражается близкими значениями для исследованных видов, в связи с чем на дендрограмме они образуют обособленную группу. Среди деревьев наибольшее сходство демонстрируют T. cordata и P. sylvestris. У Q. rцbur в корке содержание кадмия не намного больше, чем у кустарников, поэтому он образует с ними сестринскую ветвь. Обособленную от всех остальных видов ветвь, с максимальным отличием в содержании рассматриваемого элемента, формирует B. pendula.

Рис. 3. Дендрограмма сходства видов древесных растений по содержанию кадмияв их вегетативных органах: 1 - Betula pendula; 2 - Corylus avellana; 3 - Euonymus verrucosus; 4 - Lonicera xylosteum; 5 - Quercus rцbur; 6 - Tilia cordata; 7 - Pinus sylvestris. (Rcoph = 0,96)

Как показали результаты измерений, содержание кадмия в различных тканях и органах древесных растений не одинаково. Для всех изученных видов наблюдается одна и та же закономерность. Минимальное содержание кадмия наблюдается в корнях и древесине ствола, среднее - в листьях, максимальное - в корке (рис. 4). Полученные данные в основном совпадают с результатами, опубликованными другими исследователями [8, 9]. Однако рядом авторов показано, что в корнях содержится кадмия больше, чем в надземных частях растений [10]. Такое распределение концентраций кадмия проявляется при его высоком фоновом содержании в почве и подстилающих их породах. В районе же исследований, как было показано выше, почвы бедны рассматриваемым элементом.

Виды деревьев

Рис. 4. Диаграмма размаха изменчивости значений содержания кадмия в органах и тканях деревьев: 1 - Betula pendula; 2 - Quercus robur; 3 - Pinus sylvestris; 4 - Tilia cordata и результаты дисперсионного анализа

Согласно многочисленным литературным данным, кадмий попадает в атмосферный воздух в виде аэрозолей в результате антропогенного загрязнения [11, 12]. Поэтому максимальное содержание рассматриваемого элемента в корке может быть объяснено тем, что рассматриваемый элемент попадает на ее поверхность с дождем и снегом и, соответственно, поглощается комплексом образующих ее мертвых тканей в течение всего года, исключая период устойчивых морозов, на протяжении жизни дерева.

Повышенное содержание кадмия в листьях, по сравнению с древесиной, нельзя связывать с вышеуказанным фактором, так как листья контактируют с атмосферным воздухом лишь в короткий период вегетации. Кроме того, благодаря гидрофобным свойствам кутикулы, покрывающей их верхнюю сторону, большая часть выпадающей на их поверхность атмосферной влаги не впитывается, а скатывается на поверхность почвы. Поэтому накопление кадмия в листьях, вероятно, связано с физиологическими процессами, благодаря которым в период листопада древесные растения освобождаются от вторичных метаболитов и токсичных соединений [8, 13].

Содержание кадмия в листьях подвержено сезонной динамике. В результате специальных исследований в 2018 г. авторами проводился отбор проб листьев с одних и тех же деревьев B. pendula, с момента их распускания в третьей декаде апреля до начала листопада в сентябре (рис. 5). Как показали результаты измерений, содержание рассматриваемого элемента с апреля по сентябрь выросло в 172 раза. При этом наиболее активное накопление кадмия в листьях началось в августе, когда прекратился рост побегов и деревья начали готовиться к листопаду.

Сезонная динамика содержания кадмия в листьях изучалась также у Q. robur и T. cordata. Были отобраны и проанализированы пробы листвы этих деревьев в третьей декаде апреля и в начале сентября. Для них также были отмечены существенные различия в содержании кадмия в начале и конце вегетационного периода. Однако они были гораздо меньшими, чем у B. pendula. Содержание рассматриваемого элемента в листьях T. cordata в сентябре было выше, чем в апреле в 19 раз, а у Q. robur - в 10 раз.

Таким образом, содержание кадмия в листьях тесно связано со сроками отбора проб. Этим во многом объясняется противоречивость литературных данных в отношении соотношения концентраций кадмия в различных органах растений.

Как показали результаты измерений, содержание кадмия в репродуктивных органах древесных растений оказывается в 32 раза меньше, чем в вегетативных органах (см. рис. 4, 6).

Рис. 5. Результаты корреляционного анализа по зависимости распределения содержания кадмия в листьях Betula pendula от продолжительности вегетации (количество суток). Сплошная линия - тренд регрессии, пунктирные линии - 95 % доверительный интервал

Минимальные концентрации зафиксированы в цветках, где происходит формирование половых клеток. Вероятно, это связано с тем, что кадмий является супертоксикантом, оказывающим влияние и на сперматогенез [14, 15]. Поэтому у растений выработался защитный механизм против поступления его в репродуктивные органы. Биологические барьеры у растений препятствуют миграции кадмия из корней к цветкам [16].

Как показали результаты измерений, среднее содержание кадмия в плодах в 2,9 раза выше, чем в цветках, однако, по сравнению с вегетативными органами, оно также значительно ниже. Описанная закономерность характерна для всех изученных древесных пород.

Различные виды деревьев накапливают кадмий в репродуктивных органах не одинаково (см. рис. 6). Интенсивность его биологической аккумуляции в цветках и плодах коррелирует с таковой в вегетативных органах. Максимальные концентрации рассматриваемого элемента, как в вегетативных, так и в репродуктивных органах были определены B. pendula, минимальные - для T. cordata.

Рис. 6. Диаграмма размаха изменчивости значений содержания кадмия в репродуктивных органах деревьев: 1 - Betula pendula; 2 - Quercus robur; 3 - Tilia cordata и результаты дисперсионного анализа

кадмий пищевой лекарственный растение приволжский экосистема

В ходе проведенных исследований авторами определялось содержание кадмия в вегетативных и репродуктивных органах видов кустарников, наиболее распространенных в районе исследований. Как показали результаты измерений, среднее содержание рассматриваемого элемента в вегетативных органах этих растений составляло 21 мкг/кг. Оно было в 3,5 раза ниже, чем у деревьев.

В распределении концентраций кадмия в вегетативных органах и тканях кустарников наблюдались те же закономерности, что и у деревьев. Максимальные концентрации были зафиксированы в коре, минимальные - в корневых системах.

Разные виды кустарников накапливают рассматриваемый элемент не одинаково, хотя его концентрация в их вегетативных органах выражается близкими значениями (рис. 7). Наибольшая концентрация была определена для C. avellana (38 мкг/кг). У E. verrucosus (20 мкг/кг) и L. xylosteum (24 мкг/кг) и она была несколько ниже.

Содержание кадмия в репродуктивных органах кустарников было в 47 раз ниже, чем в вегетативных (рис. 8), т.е. у представителей этой жизненной формы наблюдалась та же закономерность, что и у деревьев.

Рис. 7. Диаграмма размаха изменчивости значений содержания кадмия в органах и тканях кустарников: 1 - Corylus avellana; 2 - Euonymus verrucosus; 3 - Lonicera xylosteum и результаты дисперсионного анализа

Рис. 8. Диаграмма размаха изменчивости значений содержания кадмия в репродуктивных органах кустарников: 1 - Corylus avellana; 2 - Euonymus verrucosus; 3 - Lonicera xylosteum и результаты дисперсионного анализа

В ходе исследований авторами изучались закономерности накопления кадмия наиболее распространенными видами травянистых растений, растущих под пологом леса - Aegopodium podagraria, Anemone ranunculoides, Carex pilosa, Stellaria holostea. Среднее содержание рассматриваемого элемента в вегетативных органах изученных видов трав составило 7,1 мкг/кг, что в 8,3 раза ниже, чем у деревьев, и в 2,5 раза ниже, чем у кустарников.

Различные виды накапливают рассматриваемый элемент в разных концентрациях. Наименьшие значения были определены для A. ranunculoides, средние - для A. podagrаriа, а максимальные - для C. pilosa и & holostea. Максимальный показатель превышал минимальный в 3,2 раза.

Степень накопления Cd в вегетативных органах трав сопряжена с продолжительностью их вегетации. A. ranunculoides относится к экологической группе эфемероидов. Ее надземная часть живет не более трех недель. Листья A. podagrаriа прекращают жизнедеятельность и отмирают ранней осенью. У. holostea и C. pilosa - длительно вегетирующие растения, надземная часть которых сохраняет жизнеспособность до глубокой осени.

Для изученных видов трав было зафиксировано два типа распределения кадмия. У A. podagrаriа и У holostea его содержание было более высоким в надземных органах. Для A. ranunculoides и C. pilosa было зафиксировано более высокое содержание рассматриваемого элемента в корневищах. Концентрация кадмия в листьях выражалась меньшими значениями. Вероятно, что характер распределения данного металла, как и интенсивность его биологической аккумуляции, зависит от физиологических особенностей отдельных видов. Это согласуется с опубликованными результатами других исследователей, которые также отмечают оба вида распределения [10, 16].

У травянистых растений так же, как и у древесных, наблюдалось существенное возрастание содержания кадмия в надземных органах в течение вегетационного периода (рис. 9). У C. pilosa с апреля до сентября оно выросло в 2,1 раза, а у A. podagrаriа - в 23 раза.

Таким образом, у всех изученных видов растений наблюдалось увеличение содержания кадмия в надземных органах в течение вегетационного периода. Однако интенсивность этого процесса у разных видов была не одинакова. В связи с тем, что образцы изученного биоматериала отбирались в непосредственной близости в одном лесном массиве при одинаковом содержании кадмия в почве, можно заключить, что интенсивность накопления рассматриваемого элемента в течение вегетационного периода зависит в первую очередь от биологических особенностей отдельных видов.

Рис. 9. Диаграмма размаха изменчивости значений содержания кадмия в вегетативных органах и цветках травянистых растений: 1 - Aegopodium podagraria; 2 - Anemone ranunculoides; 3 - Carex pilosa; 4 - Stellaria holostea и результаты дисперсионного анализа

В репродуктивных органах изученных видов трав содержание кадмия выражается меньшими значениями, чем в вегетативных. Однако различия между определенными в ходе измерений значениями оказываются несколько меньшими, чем у деревьев и кустарников (см. рис. 9). Например, в цветках С. pilosa концентрация рассматриваемого элемента была ниже в 7,5 раза, а у А. podagrаriа - всего в 3,3 раза. Вероятно, это - общая закономерность, так как на нее указывают и другие авторы [15].

Лекарственные и пищевые растения являются важнейшим элементом недревесной продукции леса. Экспертиза этого сырья предполагает определение в нем содержания кадмия как опасного токсичного элемента. Как показали результаты измерений, пробы биоматериала различных видов растений, отобранных в районе исследований и используемых в качестве пищевого и лекарственного сырья, содержат различное количество изучаемого элемента (рис. 10).

Рис. 10. Диаграмма размаха изменчивости значений содержания кадмия в дикорастущем пищевом и лекарственном сырье: 1 - Alnusglutinosa (плоды); 2 - Fragaria vesca (плоды); 3 - Helichrysum arenarium (соцветия); 4 - Rosa canina (плоды); 5 - Rubus idaeus (плоды); 6 - Origanum vulgare (соцветия); 7 - Vaccmium myrtillus (листья); 8 - Vaccinium myrtillus (плоды)

Минимальные значения были определены для соплодий Alnus glutinosa (1,0 мкг/кг), плодов Fragaria vesca (1,4 мкг/кг), Rosa canina (1,0 мкг/кг) и

Rubus idaeus (1,1 мкг/кг); средние - для соцветий Helichrysum агепапит (2,8 мкг/кг), максимальные - для листьев и плодов Уассттт тугИПш (9,0 мкг/кг). Полученные данные сопоставимы с результатами измерений других исследователей [17, 18]. Так, С.Б. Сосорова с соавторами [19] указывают на более высокое содержание кадмия в плодах и листьях Уаситит тугИПш, по сравнению с другими видами лекарственных и пищевых дикоросов.

Несмотря на указанные различия в содержании кадмия в дикорастущем лекарственном сырье, все определенные значения лежали в пределах ПДК (1000 мкг/кг) для БАД на растительной основе [20] и чаев [21], произведенных в России. Эти нормативы авторами использовались в связи с отсутствием регламента по содержанию токсичных элементов в лекарственном растительном сырье.

Некоторые виды, применяемые в качестве лекарственного сырья, используются и как пищевые растения. Это Г. Тesca, R. Маеш, У. тугШ1ш. В связи с тем, что они потребляются в значительно большем количестве, чем лекарственные формы и при этом в свежем виде, для них установлены более жесткие ПДК, чем для лекарственного сырья [22]. Как показали результаты измерений, пробы дикорастущих ягод, отобранные на территории района исследований, содержали кадмий в количествах, лежащих далеко за пределами величины ПДК, которая составляет 30 мкг/кг.

Таким образом, лекарственное и пищевое растительное сырье, заготовка которого возможна в изучаемых лесных сообществах Пензенской области, безопасны в отношении содержания кадмия.

Накоплению рассматриваемого элемента сосудистыми растениями в условиях лесных экосистем может быть дана количественная оценка. В связи с тем, что деревья имеют многолетний жизненный цикл, значительная часть накапливаемого ими кадмия депонируется в древесине. При среднем удельном весе 1 м² древесины - 500 кг и средней концентрации кадмия в ней - 43 мг/кг, в одном ее кубическом метре будет содержаться 21 150 000 мкг или 0,0000215 кг рассматриваемого элемента. При запасе древесины в лесах Пензенской области 132,84 млн м² количество рассматриваемого элемента, депонированного в стволах деревьев на территориирайона исследований, составит - 2948 кг.

Средний запас древесины в лесном фонде Пензенской области составляет 206 м³/га. Соответственно, на каждом гектаре леса в стволах деревьев оказывается депонировано 4 356 900 мкг кадмия. Эти величины находятся в динамике. Средний прирост древесины в регионе составляет 2,94 млн м³, или 3,54 м³ на 1 га леса. Соответственно, количество кадмия, депонированного в древесине в лесах района исследований, ежегодно увеличивается на 63,21 кг, а на каждом гектаре леса - на 80 500 мкг.

Поглощаемый древесными растениями из окружающей среды кадмий лишь частично депонируется в древесине. Та его часть, которая содержится в листьях, ежегодно в виде листового опада поступает в почву. Для лесов района исследований она достигает в среднем 305 300 мкг/га, составляя примерно 14 % от количества кадмия, который концентрируется в стволах деревьев на одном гектаре леса.

В древостоях разного видового состава количество кадмия, возвращающегося в почву с листовым опадом, будет не одинаковым (рис. 11). Оно зависит от массы листового опада, образующегося в насаждениях из различных пород и содержания в нем рассматриваемого металла. В ходе исследований было установлено, что наибольшее количество кадмия поступает в почву с листовым опадом в условиях березняков, наименьшее - в условиях сосняков. Дубняки по этому показателю занимают среднее положение.

Сосняк Дубняк Березняк

Рис. 11. Содержание кадмия в листовом опаде (на 1000 кг/га) различных древесных пород в насаждениях 60-70-летнего возраста. Над столбцами показаны уровни статистической значимости различий при попарном сравнении

Основные доминанты травяного покрова рассматриваемых экосистем вносят определенный вклад в трансформацию соединений кадмия. Биомасса зеленой массы осоки волосистой и сныти обыкновенной, при достаточно равномерном распределении этих растений под пологом леса, составляет в среднем 980 кг/га, т.е. эти виды ежегодно вовлекают в биогенный круговорот порядка 15 500 мкг кадмия на 1 га, который аккумулируется в их листьях, после отмирания которых вновь возвращается в почву. Это значительно меньше, чем вовлекают деревья. Некоторое количество рассматриваемого элемента депонируется в подземных органах, однако определение их годичных приростов представляет довольно сложную проблему, решение которой не входило в задачи исследования.

Интенсивная эксплуатация лесов оказывает существенное влияние на баланс микроэлементов в лесных экосистемах. На территориях заповедников, где не проводятся даже санитарные рубки, весь кадмий, поступающий с атмосферными выпадениями, депонируется в почве и биомассе живых организмов. Как показали результаты измерений, образцы почвы и грибов, отобранные в пределах участка ГПЗ, Приволжская лесостепь, содержали кадмий на уровне средних значений для района исследований. На отсутствие уменьшения содержания тяжелых металлов, по сравнению с фоновыми показателями, в почвах заповедников и территорий со слабой антропогенной нагрузкой, используемых в качестве контроля при изучении содержания тяжелых металлов, имеются указания в работах других исследователей [23, 24].

Для Пензенской области размер расчетной лесосеки при рубке спелых и перестойных насаждений установлен 1 464 300 м², т.е. вынос количества кадмия из лесных экосистем при ее полном выполнении составит 30,8 кг. Это значит, что почти половина кадмия, аккумулированного в древесине в течение вегетационного периода, может удаляться из лесных экосистем.

В том случае, если рубки не проводятся, как на заповедных территориях, весь запас токсичных элементов, поступающих с атмосферными выпадениями, задерживается в них. Этим объясняется тот факт, что почвы и биоматериал на заповедных территориях, используемых в качестве контрольных при проведении исследований, имеют такие же или даже более высокие показатели содержания токсичных элементов, чем на территориях, не входящих в их состав.

Заключение

В характере накопления кадмия растениями различных жизненных форм имеются статистически достоверные отличия. В наибольшем количестве рассматриваемый элемент накапливают деревья, в наименьшем - травы. Кустарники по этому показателю занимают среднее положение.

В характере накопления кадмия сосудистыми растениями проявляется видовая специфичность. Наиболее высокие концентрации рассматриваемого элемента в вегетативных органах были определены для деревьев у Betula pendula, для кустарников у Corylus avellana, для трав у Carex pilosa.

Содержание кадмия в вегетативных органах и тканях древесных растений не одинаково. Минимальное содержание Cd наблюдается в корнях и древесине ствола, среднее - в листьях, максимальное - в корке.

Для изученных видов трав было зафиксировано два типа распределения кадмия. У Aegopodium podagraria и Stellaria holostea его содержание было более высоким в надземных органах, а у Anemone ranunculoides и Carex pilosa - в корневищах.

Лекарственное и пищевое растительное сырье, заготовка которого возможна в изучаемых лесных сообществах Пензенской области, безопасны в отношении содержания кадмия.

На заповедных территориях весь запас токсичных элементов, поступающих с атмосферными выпадениями, задерживается в них. В связи с этим они имеют такие же или даже более высокие показатели содержания кадмия в почве и биологических объектах, чем в лесных массивах, где проводятся рубки ухода и главного пользования.



Библиографический список

1. Андреева, М.И. Мониторинг содержания кадмия в лесных экосистемах Приволжской возвышенности / М.И. Андреева, И.А. Иванов, А.Г. Горохова // ХХ1 век: итоги прошлого и проблемы настоящего плюс. - 2015. - Вып. 27, №5. - С. 15-20.

2. Виноградов, А.П. Геохимия редких и рассеянных химических элементов в почвах / А.П. Виноградов. - Москва: Изд-во АН СССР, 1950. - 279 с.

3. Лукин, С.В. Микроэлементы в почвах Белгородской области / С.В. Лукин, П. М. Авраменко // Земледелие. - 2008. - №7. - С. 21, 22.

4. Пильгук, О.Н. Экологическая оценка состояния кадмия в системе почва-растение в условиях Семипалатинского Прииртышья: автореф. дис. ... канд. биол. наук / Пильгук Н.- Семипалатинск: Новосибирский гос. ун. 2005. - 21 с.

5. Иванов, А.И. Природные условия Пензенской области. Современное состояние. Т. 1. Геологическая среда, рельеф, климат, поверхностные воды, почвы, растительный покров: монография / А.И. Иванов, Н.В. Чернышов, Е.Н. Кузин. - Пенза: РИО ПГАУ, 2017. - 236 с.

6. МУК 4.1.1501-03. Методика выполнения измерений массовой доли свинца и кадмия в пищевых продуктах и продовольственном сырье методом электротермической атомно-абсорбционной спектрометрии. - Москва, 2001. - 15 с.

7. Hammer, O. PAST: Palaeontological statistics software package for education and data analysis / O. Hammer, D.A.T. Harper, P.D. Ryan // Palaeontol electronica. - 2001. - Vol. 4, №1. - P. 4-9.

8. Ветчинникова, Л.В. Особенности накопления тяжелых металлов в листьях древесных растений на урбанизированных территориях в условиях Севера / Л.В. Ветчинникова, Т.Ю. Кузнецова, А.Ф. Титов // Труды Карельского научного центра РАН. - 2013. - №3. - С. 68-73.

9. Савушкина, И.Г. Динамика содержания некоторых элементов в почве и фитомассе дуба пушистого / И.Г. Савушкина // Грунтознавство. - 2006. - Т. 7, №3. - С. 28-35.

10. Ильин, В.Б. Микроэлементы и тяжелые металлы в почвах и растениях Новосибирской области / В.Б. Ильин, А.И. Сысо. - Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2001. - 229 с.

11. Бурцева, Л.В. Свинец и кадмий в атмосферном воздухе и осадках в фоновых районах Восточно-Европейского региона / Л.В. Бурцева, Е.С. Конькова // Проблемы экологического мониторинга и моделирования экосистем. - 2016. - Т. XXVII, №2. - С. 59-70.

12. Виноградова, А.А. Элементный состав приземного атмосферного аэрозоля арктических районов России / А.А. Виноградова, И.П. Малков, А. В. Полисар, Н.Н. Храмов // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. - 1993. - Т. 29, №2. - С. 164-172.

13. Крамер, П.Д. Физиология древесных растений / П.Д. Крамер Т.Т. Козловский. - Москва: Лесная промышленность, 1983. - 464 с.

14. Жегалова, И.В. Кадмий и репродуктивное здоровье мужчин / И.В. Жегалова, З.В. Чумакова, В.В. Юрасов // Микроэлементы в медицине. - 2018. - Вып. 19, №1. - С. 24-34.

15. Association of urinary metal levels with human semen quality: A cross-sectional study in China / Y. Wang, Y. Sun, W. Feng, P. Wang, P. Yang, J. Li, Z. Huang, Y.-J. Chen, C. Liu, L. Sun, J. Yue, L.-J. Gu, Q. Zeng, W.-Q. Lu // Environment international. - 2016. - Vol. 91. - P. 51-59.

16. Еськов, Е.К. Аккумуляция тяжелых металлов в теле пчел / Е.К. Еськов, Г.С. Ярошевич, М.Д. Еськова // Пчеловодство. - 2008. - №2. - C. 14-16.

17. Романькова, А.А. Содержание кадмия и свинца в высших растениях на территории Красненского района Белгородской области / А.А. Романькова, И.В. Балтуцкая // Научные ведомости Белгородского государственного университета. Естественные науки. - 2011. - Вып. 14, №3 (98). - С. 68-75.

18. Кашин, В.К. Микроэлементный состав некоторых лекарственных растений Забайкалья / В.К. Кашин // Растительные ресурсы. - 2010. - №3. - С. 73-85.

19. Афанасьева, Л.В. Содержание микроэлементов в растениях Vaccinium uliginosum L., произрастающих в Южном Прибайкалье / Л.В. Афанасьева, В.К. Кашин // Химия растительного сырья. - 2013. - №2. - С. 195-200.

20. Сосорова, С.Б. Содержание микроэлементов в лекарственных растениях / С.Б. Сосорова, М.Г. Меркушева, Л.Л. Убугунов // Химия растительного сырья. - 2016. - №2. - С. 53-59.

21. СанПин 2.3.2.1078-01. Гигиенические требования к безопасности и пищевой ценности пищевых продуктов. - Москва, 2001.

22. СанПин 2.3.2.560-96. Гигиенические требования к качеству и безопасности продовольственного сырья и пищевых продуктов. - Москва, 1996.

23. Мыслова, Т.Н. Накопление тяжелых металлов съедобными грибами Украинского Полесья и риски при употреблении их в пищу / Т.Н. Мыслова, Ю.А. Белявский // Микология и фитопатология. - 2016. - Т. 50, №4. - С. 241-249.

24. Попыпанов, Д.В. Биоаккумуляция тяжелых металлов в условиях урбоэкосистемы: дис. ... канд. биол. наук / Попыпанов Д.В. - Владимир, 2019. - 115 с.



References

1. Andreeva M.I., Ivanov I.A., Gorokhova A.G. XXI vek: itogi proshlogo i problemy nastoyashchego plyus [XXI century: results of the past and problems of the present]. 2015, iss. 27, no. 5, pp. 15-20. [In Russian]

2. Vinogradov A.P. Geokhimiya redkikh i rasseyannykh khimicheskikh elementov v pochvakh [Geochemistry of rare and dispersed chemical elements in soils]. Moscow: Izd-vo AN SSSR, 1950, 279 p. [In Russian]

3. Lukin S.V., Avramenko P.M. Zemledelie [Agriculture]. 2008, no. 7, pp. 21, 22. [In Russian]

4. Pil'guk O.N. Ekologicheskaya otsenka sostoyaniya kadmiya v sisteme pochva-rastenie v usloviyakh Semipalatinskogo Priirtysh'ya: avtoref. dis. kand. biol. nauk [Environmental assessment of cadmium in the soil-plant system in the conditions of the Semipalatinsk Irtysh: author's abstract of dissertation to apply for the degree of the candidate of biological sciences]. Semipalatinsk: Novosibirskiy gos. un-t, 2005, 21 p. [In Russian]

5. Ivanov A.I., Chernyshov N.V., Kuzin E.N. Prirodnye usloviya Penzenskoy oblasti. Sovremennoe sostoyanie. T. 1. Geologicheskaya sreda, rel'ef, klimat, poverkhnostnye vody, pochvy, rastitel'nyy pokrov: monografiya [Natural conditions of the Penza region. The current state. Volume 1. Geological environment, relief, climate, surface water, soil, vegetation: monograph]. Penza: RIO PGAU, 2017, 236 p. [In Russian]

6. MUK 4.1.1501-03. Metodika vypolneniya izmereniy massovoy doli svintsa i kadmiya v pishchevykh produktakh i prodovol'stvennom syr'e metodom elektrotermicheskoy atomno-absorbtsionnoy spektrometrii [MUK 4.1.1501-03. The method of measuring the mass fraction of lead and cadmium in food products and food raw materials by electrothermal atomic absorption spectrometry]. Moscow, 2001, 15 p. [In Russian]

7. Hammer O., Harper D.A.T., Ryan P.D. Palaeontol electronica. 2001, vol. 4, no. 1, pp. 4-9.

8. Vetchinnikova L.V., Kuznetsova T.Yu., Titov A.F. Trudy Karel'skogo nauchnogo tsentra RAN [Proceedings of Karelian Research Centre of the Russian Academy of Sciences]. 2013, no. 3, pp. 68-73. [In Russian]

9. Savushkina I.G. Gruntoznatstvo [Pedology]. 2006, vol. 7, no. 3, pp. 28-35. [In Russian]

10. Il'in V.B., Syso A.I. Mikroelementy i tyazhelye metally vpochvakh i rasteniyakh Novosibirskoy oblasti [Trace elements and heavy metals in soils and plants of the Novosibirsk region]. Novosibirsk: Izd-vo SO RAN, 2001, 229 p. [In Russian]

11. Burtseva L.V., Kon'kova E.S. Problemy ekologicheskogo monitoringa i modelirovaniya ekosistem [Issues of environmental monitoring and modeling of ecosystems]. 2016, vol. XXVII, no. 2, pp. 59-70. [In Russian]

12. Vinogradova A.A., Malkov I.P., Polisar A.V., Khramov N.N. Izvestiya RAN. Fizika atmosfery i okeana [Proccedings of the Russian Academy of Sciences. Physics of the atmosphere and the ocean]. 1993, vol. 29, no. 2, pp. 164-172. [In Russian]

13. Kramer P.D., Kozlovskiy T.T. Fiziologiya drevesnykh rasteniy [The physiology of woody plants]. Moscow: Lesnaya promyshlennost', 1983, 464 p. [In Russian]

14. Zhegalova I.V., Chumakova Z.V., Yurasov V.V. Mikroelementy v meditsine [Trace elements in medicine]. 2018, iss. 19, no. 1, pp. 24-34. [In Russian]

15. Wang Y., Sun Y., Feng W., Wang P., Yang P., Li J., Huang Z., Chen Y.-J., Liu C., Sun L., Yue J., Gu L.-J., Zeng Q., Lu W.-Q. Environment international. 2016, vol. 91, pp. 51-59.

16. Es'kov E.K., Yaroshevich G.S., Es'kova M.D. Pchelovodstvo [Bee-keeping]. 2008, no. 2, pp. 14-16. [In Russian]

17. Roman'kova A.A., Baltutskaya I.V. Nauchnye vedomosti Belgorodskogo gosudarst- vennogo universiteta. Estestvennye nauki [Proceedings of Belgorod State University. Natural sciences]. 2011, iss. 14, no. 3 (98), pp. 68-75. [In Russian]

18. Kashin V.K. Rastitel'nye resursy [Plant resources]. 2010, no. 3, pp. 73-85. [In Russian]

19. Afanas'eva L.V., Kashin V.K. Khimiya rastitel'nogo syr'ya [Chemistry of plant raw materials]. 2013, no. 2, pp. 195-200. [In Russian]

20. Sosorova S.B., Merkusheva M.G., Ubugunov L.L. Khimiya rastitel'nogo syr'ya [Chemistry of plant raw materials]. 2016, no. 2, pp. 53-59. [In Russian]

21. SanPin 2.3.2.1078-01. Gigienicheskie trebovaniya k bezopasnosti i pishchevoy tsennosti pishchevykh produktov [Hygienic requirements for safety and nutritional value of food products]. Moscow, 2001. [In Russian]

22. SanPin 2.3.2.560-96. Gigienicheskie trebovaniya k kachestvu i bezopasnosti prodovol'stvennogo syr'ya i pishchevykh produktov [Hygienic requirements for the quality and safety of food raw materials and food products]. Moscow, 1996. [In Russian]

23. Myslova T.N., Belyavskiy Yu.A. Mikologiya i fitopatologiya [Mycology and phytopathology]. 2016, vol. 50, no. 4, pp. 241-249. [In Russian]

24. Popypanov D.V. Bioakkumulyatsiya tyazhelykh metallov v usloviyakh urboekosistemy: dis. kand. biol. nauk [Bioaccumulation of heavy metals in the urban ecosystem: dissertation to apply for the degree of the candidate of biological sciences]. Vladimir, 2019, 115 p. [In Russian]

Размещено на allbest.ru

...