ЛЕСОВЕДЕНИЕ, 2021, № 1, С. 11–27


РОЛЬ РАСТИТЕЛЬНОСТИ В РЕГУЛИРОВАНИИ ПОТОКОВ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В ПОДТАЕЖНЫХ ЛЕСНЫХ ЭКОСИСТЕМАХ ЦЕНТРА ВОСТОЧНО-ЕВРОПЕЙСКОЙ РАВНИНЫ
О. С. Железнова, С. А. Тобратов
Рязанский государственный университет имени С.А. Есенина
Россия, 390000 Рязань, ул. Свободы, 46
E-mail: zheleznova_rzn@mail.ru


Поступила в редакцию 04.07.2018 г.
В методологии критических нагрузок древесная растительность рассматривается в качестве важнейшего источника буферности экосистем к потенциальному загрязнению, однако роль растений в регулировании потоков тяжелых металлов (ТМ) в лесных экосистемах изучена слабо. В настоящей работе на примере подтаежных экосистем Южной Мещеры (Рязанская область) анализируются факторы, влияющие на биогеохимическую устойчивость лесных экосистем к поступлению ТМ (Cu, Zn, Cd): закономерности транслокации и аккумуляции элементов в растительных органах; видовой состав растительности и геохимическая специализация видов; уровень биологической продуктивности древостоя; структура земель лесного фонда, в том числе доля антропогенно нарушенных земель. Результаты работы основываются на материалах почвенного и биогеохимического опробования 2013-2014 гг., таксационных данных, балансовых исследованиях. Показано, что накопление Cd в стволовой древесине может быть связано с его транспортом в ксилемном соке в свободной ионной форме, а накопление Cu – с акцепторной ролью древесины, лигнификация клеток которой невозможна без ряда Cu-содержащих ферментов. Построены картосхемы ежегодной иммобилизации ТМ в биомассе ствола и комля. Установлено, что пространственные закономерности аккумуляции ТМ в фитомассе существенно зависят от породного состава древостоя. Максимумы накопления Cu приурочены к участкам с преобладанием ариданитной сосны, а Zn и Cd – к участкам с преобладанием гумидокатных пород – березы и осины. Пространственные неоднородности биопродуктивности древостоев в существенной мере зависят от особенностей ландшафтной структуры территории – специфики погребенных морфоструктур и рельефа дневной поверхности. Результаты балансовых исследований свидетельствуют, что в фитомассе подтаежных экосистем в среднем может быть иммобилизовано до 46% атмосферных выпадений биофильных элементов – Cu и Zn – и менее 10% атмосферной поставки токсичного Cd. При этом Zn в Южной Мещере является слабодефицитным элементом, а Cu и особенно Cd – избыточными.
Ключевые слова: тяжелые металлы, долговременная иммобилизация, рецикличная миграция, гумидокатные и ариданитные растения, биологическая продуктивность, ксилемный транспорт элементов, биогеохимическая устойчивость экосистем
DOI: 10.31857/S0024114820060108


СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ



  • Абрамова Т.А. Результаты комплексного палеоботанического изучения эволюции ландшафтов Центральной Мещеры в голоцене // Ландшафтная школа Московского университета: традиции, достижения, перспективы / Под ред. К.Н. Дьяконова, И.И. Мамай. М.: РУСАКИ, 1999. С. 96–108.

  • Базилевич Н.И. Биологическая продуктивность экосистем Северной Евразии. М.: Наука, 1993. 293 с.

  • Базилевич Н.И., Родин Л.Е. Картосхемы продуктивности и биологического круговорота главнейших типов растительности суши // Известия Всесоюзного географ. общества. 1967. Т. 99. № 3. С. 190–194.

  • Базилевич Н.И., Титлянова А.А., Смирнов В.В. Методы изучения биологического круговорота в различных природных зонах. М.: Мысль, 1978. 183 c.

  • Башкин В.Н., Припутина И.В. Управление экологическими рисками при эмиссии поллютантов. М.: Газпром ВНИИГАЗ, 2010. 186 с.

  • Волков С.Н. Геохимическая эволюция кадмия в естественном и техногенном циклах миграции // Техногенез и биохимическая эволюция таксонов биосферы: Труды биогеохимической лаборатории. М.: Наука, 2003. Т. 24. С. 113–141.

  • Второва В.Н., Холопова Л.Б. Концентрации химических элементов в растениях и почве и оценка состояния лесных экосистем // Лесоведение. 2009. № 1. С. 11–17.

  • Дмитриев Е.А. Математическая статистика в почвоведении. М.: Изд-во МГУ, 1972. 272 с.

  • Дьяконов К.Н. Геофизика ландшафта. Биоэнергетика, модели, проблемы. М.: Изд-во МГУ, 1991. 96 с.

  • Железнова О.С. Комплексная оценка биогеохимической устойчивости экосистем в условиях техногенеза (на примере подтаежных лесов Южной Мещеры): Дисс. … канд. биол. наук (спец. 03.02.08). М.: Российский университет дружбы народов, 2017. 297 с.

  • Железнова О.С., Тобратов С.А. Опыт ландшафтного анализа пространственных закономерностей продуктивности зональных экосистем Южной Мещеры // Известия РАН. Серия географ. 2017. № 6. С. 47–62.

  • Железнова О.С., Тобратов С.А., Кадыров А.С. Цинк и кадмий в подтаежных лесных экосистемах Восточно-Европейской равнины // Матер. Всеросс. науч. конф. “Химическое и биологическое загрязнение почв” (г. Пущино, 18-22 июня 2018 г.). Пущино: Товарищество научных изданий КМК, 2018. С. 18–20.

  • Железнова О.С., Черных Н.А., Тобратов С.А. Цинк и кадмий в фитомассе древесных растений лесных экосистем: закономерности транслокации, аккумуляции и барьерных механизмов // Вестник РУДН. Серия “Экология и безопасность жизнедеятельности”. 2017. Т. 25. № 2. С. 253–270.

  • Инишева Л.И., Кобак К.И., Турчинович И.Е. Развитие процесса заболачивания и аккумуляция углерода в болотных экосистемах России // География и природные ресурсы. 2013. № 3. С. 60–68.

  • Козлов Е.А. Географические особенности изменений скоростей накопления торфа // Вестник Брестского университета. Серия 5. 2011. № 1. С. 18–29.

  • Кривцов В.А., Тобратов С.А., Водорезов А.В., Комаров М.М., Железнова О.С., Соловьева Е.А. Природный потенциал ландшафтов Рязанской области. Рязань: Рязанский гос. университет им. С.А. Есенина, 2011. 768 с.

  • Кузнецов О.Л. Динамика растительности верховых болот // Известия Самарского НЦ РАН. 2012. Т. 14. № 1. С. 1288–1291.

  • Ладонин Д.В., Марголина С.Е. Взаимодействие гуминовых кислот с тяжелыми металлами // Почвоведение. 1997. № 7. С. 806–811.

  • Лукина Н.В., Никонов В.В., Райтио Х. Химический состав хвои сосны на Кольском полуострове // Лесоведение. 1994. № 6. С. 10–21.

  • Мартынюк А.А. Сосновые экосистемы в условиях аэротехногенного загрязнения, их сохранение и реабилитация: Дисс. … д-ра с.-х. наук (спец. 06.03.03). М.: Всерос. НИИ лесоводства и механизации лесного хозяйства, 2009. 380 с.

  • Методические указания по определению тяжелых металлов в почвах сельхозугодий и продукции растениеводства: Изд. 2-е, перераб. и доп. М.: Изд-во ЦИНАО, 1992. 61 с.

  • Микроэлементы в природных водах и атмосфере / Под ред. Т.Н. Жигаловской, С.Г. Малахова. М.: Гидрометеоиздат, 1974. 183 с.

  • МУК 4.1.985-00 Определение содержания токсичных элементов в пищевых продуктах и продовольственном сырье. Методика автоклавной пробоподготовки: Метод. указания. М.: Федеральный центр госсанэпиднадзора Минздрава России, 2000. 19 с.

  • Напреенко М.Г., Напреенко-Дорохова Т.В. История формирования болотной растительности в дельтовом ландшафте реки Неман в голоцене // Вестник Балтийского федерального университета им. И. Канта. Серия “Естественные и медицинские науки”. 2018. № 2. C. 62–72.

  • Напреенко-Дорохова Т.В., Напреенко М.Г., Субетто Д.А. История развития природных экосистем в центральной части Калининградской области в связи с изменениями общегеографической обстановки и деятельностью человека // Общество. Среда. Развитие. 2016. № 2. C. 101–109.

  • Наставления гидрометеорологическим станциям и постам. Вып. 6. Ч. II. Гидрологические наблюдения и работы на малых реках. Л.: Гидрометеоиздат, 1972. 266 с.

  • Никонов В.В., Лукина Н.В., Безель В.С. Рассеянные элементы в бореальных лесах. М.: Наука, 2004. 616 с.

  • Новенко Е.Ю. Растительность и климат Центральной и Восточной Европы в позднем плейстоцене и голоцене: Дисс. … д-ра географ. наук (спец. 25.00.25). М.: МГУ им. М.В. Ломоносова, 2015. 322 с.

  • Новенко Е.Ю., Мироненко И.В., Волкова Е.М., Куприянов Д.А., Батанова А.К. Динамика ландшафтов Юго-восточной Мещеры в голоцене // Вестник Московского университета. Серия 5: География. 2016. № 2. С. 91–102.

  • Охрана природы. Городские экосистемы. Расчет величин критических нагрузок поллютантов на городские экосистемы: Методические рекомендации / разраб.: В.Н. Башкин, А.С. Курбатова, Д.С. Савин. М.–Смоленск: Маждента, 2004. 59 с.

  • Перельман А.И., Касимов Н.С. Геохимия ландшафта. М.: Астрея-2000, 1999. 768 с.

  • ПНД Ф 16.1:2.2:2.3:3.36-2002 Методика измерений валового содержания кадмия, кобальта, марганца, меди, никеля, свинца, хрома и цинка в почвах, донных отложениях, осадках сточных вод и отходах методом пламенной атомно-абсорбционной спектрометрии. М.: Изд-во ФГБУ “ФЦАО”, 2002. 22 с.

  • Природа Рязанской области / под ред. В.А. Кривцова. Рязань: Рязанский гос. университет им. С.А. Есенина, 2008. 407 с. 

  • Продуктивность экосистем Северной Евразии [Электронный ресурс] // База данных. 2002-2006. – URL: http://biodat.ru/db/prod/index.htm (дата обращения 29.09.2017).

  • Ремезов Н.П., Быкова Л.Н., Смирнова К.М. Потребление и круговорот азота и зольных элементов в лесах Европейской части СССР. М.: Изд-во МГУ, 1959. 284 с.

  • Серегин И.В. Распределение тяжелых металлов в растениях и их действие на рост: Дисс. … д-ра биол. наук (спец. 03.00.12). М.: Институт физиологии растений им. К.А. Тимирязева РАН, 2009. 333 с.

  • Сибиркина А.Р. Биогеохимическая оценка содержания тяжелых металлов в сосновых борах Семипалатинского Прииртышья: Дисс. … д-ра биол. наук (спец. 03.02.08). Омск: Челябинский гос. университет, 2014. 496 с.

  • Тобратов С.А., Железнова О.С., Водорезов А.В. Оценка пространственных закономерностей лесорастительного потенциала территории на основе “коэффициентов благоприятности” (на примере смешанных лесов Восточно-Европейской равнины) // Восточно-Европейский научный журнал. 2016. Т. 8. № 5. С. 127–133.

  • Усольцев В.А. Фитомасса лесов Северной Евразии: нормативы и элементы географии. Екатеринбург: Изд-во УрО РАН, 2002. 762 с.

  • Учватов В.П. Природные и антропогенные потоки вещества в ландшафтах Русской равнины: Дисс. … д-ра биол. наук (спец. 04.00.03). М.: МГУ им. М.В. Ломоносова, 1994. 471 с.

  • Черненькова Т.В. Закономерности аккумуляции тяжелых металлов сосной обыкновенной в фоновых и техногенных местообитаниях // Лесоведение. 2004. № 2. С. 25–35.

  • Belleghem F.V., Cuypers A., Semane B., Smeets K., Vangronsveld J., d’Haen J., Valcke R. Subcellular localization of cadmium in roots and leaves of Arabidopsis thaliana // New Phytologist. 2007. V. 173. N. 3. Р. 495–508.

  • Bouain N., Shahzad Z., Rouached A., Khan G.A., Berthomieu P., Abdelly C., Poirier Y.,  Rouached H. Phosphate and zinc transport and signalling in plants: toward a better understanding of their homeostasis interaction // Journal of Experimental Botany. 2014. V. 65. N. 20. P. 5725–5741.

  • Burkhead J.L., Gogolin Reynolds K.A., Abdel-Ghany S.E., Cohu C.M., Pilon M. Copper homeostasis // New Phytologist. 2009. V. 182. N. 4. P. 799–816.

  • Capuana M. Heavy metals and woody plants – biotechnologies for phytoremediation // iForest – Biogeosciences & Forestry. 2011. V. 4. N. 1. Р. 7–15.

  • Cocozza C., Minnocci A., Tognetti R., Iori V., Zacchini M., Scarascia-Mugnozza G. Distribution and concentration of cadmium in root tissue of Populus alba determined by scanning electron microscopy and energy-dispersive x-ray microanalysis // iForest – Biogeosciences & Forestry. 2008. V. 1. N. 1. P. 96–103.

  • Conn S., Gilliham M. Comparative physiology of elemental distributions in plants // Annals of Botany. 2010. V. 105. N. 7. Р. 1081–1102.

  • Di Baccio D., Tognetti R., Minnocci A., Sebastiani L. Responses of the Populus × euramericana clone I-214 to excess zinc: Carbon assimilation, structural modifications, metal distribution and cellular localization // Environmental & Experimental Botany. 2009. V. 67. N. 1. P. 153–163.

  • Ernst W.H.O. Evolution of metal tolerance in higher plants // Forest Snow & Landscape Research. 2006. V. 80. N. 3. P. 251–274.

  • Hazama K., Nagata S., Fujimori T., Yanagisawa S., Yoeneyama T. Concentrations of metals and potential metal-binding compounds and speciation of Cd, Zn and Cu in phloem and xylem saps from castor bean plants (Ricinus communis) treated with four levels of cadmium // Physiologia Plantarum. 2015. V. 154. N. 2. Р. 243–255.

  • Huang J.-H., Ilgen G., Matzner E. Fluxes and budgets of Cd, Zn, Cu, Cr and Ni in a remote forested catchment in Germany // Biogeochemistry. 2011. V. 103. N. 1–3. Р. 59–70.

  • Maestri E., Marmiroli M., Visioli G., Marmiroli N. Metal tolerance and hyperaccumulation: Costs and trade-offs between traits and environment // Environmental & Experimental Botany. 2010. V. 68. N. 1. P. 1–13.

  • Manual on methodologies and criteria for modeling and mapping critical loads & levels and air pollution effects, risks and trends [Электронный ресурс] / UNECE Convention on Long-Range Transboundary Air Pollution. 2004. http://www.icpmapping.org/ (дата обращения 25.09.2015).

  • Marschner’s mineral nutrition of higher plants: 3rd ed. / Ed. P. Marschner. Adelaide: School of Agriculture, Food and Wine, the University of Adelaide Australia, 2012. 672 p.

  • Österås A.H. Interactions between calcium and heavy metals in Norway spruce. Accumulation and binding of metals in wood and bark: dissertation. Stockholm: Department of Botany, Stockholm University, 2004. 52 p.

  • Sinclair S.A., Kramer U. The zinc homeostasis network of land plants // Biochimica et Biophysica Acta (BBA) – Molecular Cell Research. 2012. V. 1823. N. 9. Р. 1553–1567.

  • Singh S., Parihar P., Singh R., Singh V.P., Prasad S.M. Heavy metal tolerance in plants: role of transcriptomics, proteomics, metabolomics, and ionomics // Frontiers in Plant Science. 2016. V. 6. № 1143.

  • Sofo A., Scopa А., Remans T., Vangronsveld J., Cuypers A. Biochemical and functional responses of Arabidopsis thaliana exposed to cadmium, copper and zinc // The plant family Brassicaceae: contribution towards phytoremediation, 2012. V. 21. Р. 239–263.

  • Vandecasteele B., Quataert P., Piesschaert F., Lettens S., De Vos B., Du Laing G. Translocation of Cd and Mn from bark to leaves in willows on contaminated sediments: Delayed budburst is related to high Mn concentrations // Land. 2015. V. 4. N. 2. Р. 255–280.

  • Waters B.M., Grusak M.A. Whole-plant mineral partitioning throughout the life cycle in Arabidopsis thaliana ecotypes Columbia, Landsberg erecta, Cape Verde Islands, and the mutant line ysl1ysl3 // New Phytologist. 2008. V. 177. N. 2. Р. 389–405.