ЛЕСОВЕДЕНИЕ, 2022, № 2, С. 157–171


ВЛИЯНИЕ ВОЗДУШНОГО ПРОМЫШЛЕННОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ НА ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ОПАДА ХВОИ СОСНЫ В СОСНОВЫХ ЛЕСАХ НА СЕВЕРНОМ ПРЕДЕЛЕ РАСПРОСТРАНЕНИЯ
Е. А. Иванова1, Н. В. Лукина2, В. Э. Смирнов2, Л. Г. Исаева1
1Институт проблем промышленной экологии Севера, ФИЦ КНЦ РАН,
ул. Академгородок, 14а, Апатиты, Мурманская обл., 184209 Россия
2Центр по проблемам экологии и продуктивности лесов РАН,
ул. Профсоюзная, 84/32, стр. 14, Москва, 117997 Россия
E-mail: ea.ivanova@ksc.ru


Поступила в редакцию: 10.03.2021 г.
Оценивался химический состав опада хвои сосны обыкновенной в северотаежных сосновых лесах в фоновых условиях и под воздействием аэротехногенного загрязнения выбросами медно-никелевого комбината «Североникель». В хвойном опаде в лесах, подверженных влиянию воздушного загрязнения, снижается содержание элементов питания (Ca, Mg, Mn, Zn), увеличивается содержание тяжелых металлов (Ni, Cu) и расширяются стехиометрические соотношения C/P и N/P. Это свидетельствует о снижении качества растительного материала для разложения почвенной биотой. Внутрибиогеоценотические различия в химическом составе опада хвои в фоновых условиях проявляются в более высоком содержании в нем K и P, поступающих с кроновыми и стволовыми водами под кронами, тогда как в межкроновых пространствах выше содержание Fe, Zn, Ni и Cu из-за фонового воздушного загрязнения. В дефолиирующих лесах хвойный опад под кронами деревьев содержит больше Ca, Mg, K, Mn, P, N и S из-за интенсивного выщелачивания элементов питания из крон деревьев кислотными осадками и, как в случае с S, поступления в составе кислотных выпадений. Повышенные содержания N, P и K в опаде хвои дефолиирующих лесов могут быть связаны с высокими концентрациями этих подвижных элементов в живой хвое, опадающей не только в фенологические сроки. Сезонная изменчивость химического состава опада хвои в фоновых условиях и дефолиирующих лесах проявляется в высоком содержании в хвое Ca и Mn, накапливающихся к концу теплого периода года. В техногенных редколесьях в опаде хвои к концу вегетационного сезона накапливаются Mg и K, что свидетельствует о нарушении процессов ретранслокации в условиях загрязнения. Значительное снижение содержания Fe и Zn в опаде в конце теплого периода года во всех изученных сосняках и содержания Ni и Cu в сосняках в условиях воздушного загрязнения объясняется антагонизмом с Mn и выщелачиванием из хвои в теплый период подкисленными осадками.
Ключевые слова: хвойный опад, химический состав, сосновые леса, аэротехногенное загрязнение, внутрибиогеоценотическая изменчивость, сезонная вариабельность.
Исследование выполнялось в рамках Государственного задания Института проблем промышленной экологии Севера ФИЦ КНЦ РАН №0226-2018-0111 (АААА-А18-118021490070-5).
DOI: 10.31857/S002411482201003X


СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ



  • Ананьева С.И., Белова Е.А., Булычев А.Г., Булычева И.А., Заколдаева А.А., Зацаринный И.В., Исаева Л.Г., Косякова А.Ю., Ларькова М.С., Лукина Н.В., Мерщиев А.В., Поликарпова Н.В., Трушицына О.С., Собчук И.С., Сухарева Т.А., Хлебосолова О.А. Кольская горно-металлургическая компания (промышленные площадки «Никель» и «Заполярный»): влияние на наземные экосистемы. Рязань: Голос губернии, 2012. 92 с.

  • Барбер С.А. Биологическая доступность питательных веществ в почве. Механистический подход. М.: Агропромиздат, 1988. 376 с.

  • Бессонова В.П., Немченко М.В., Ткач В.В. Запас макроэлементов (P, K, Ca, Mg) и азота в опаде и подстилке в противоэрозионном насаждении Robinia pseudoacacia L. // Вестник Донского государственного аграрного университета. 2017. Вып. № 1 (23.1). Ч. 1. Сельскохозяйственные науки. С. 42–50.

  • Боев В.А., Барановская Н.В., Боев В.В. Ртуть в листовом опаде подтаежных лесов на фоновой территории // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2018. Т. 329. № 8. С. 124–131.

  • Воробьева Л.А. Химический анализ почв: Учебник. М.: Изд-во МГУ, 1998. 272 с.

  • Ершов В.В., Лукина Н.В., Данилова М.А., Исаева Л.Г., Сухарева Т.А., Смирнов В.Э. Оценка состава дождевых выпадений в хвойных лесах на северном пределе распространения при аэротехногенном загрязнении // Экология. 2020. № 4. С. 265–274.

  • Иванова Е.А., Лукина Н.В., Данилова М.А., Артемкина Н.А., Смирнов В.Э., Ершов В.В., Исаева Л.Г. Влияние аэротехногенного загрязнения на скорость разложения растительных остатков в сосновых лесах на северном пределе распространения // Лесоведение. 2019. № 6. С. 533–546.

  • Кабата-Пендиас А., Пендиас Х. Микроэлементы в почвах и растениях. М.: Мир, 1989. 439 с.

  • Колмогорова Е.Ю., Уфимцев В.И. Некоторые особенности химического состава опада сосны обыкновенной, произрастающей  в условиях породного отвала // Успехи современного естествознания. 2018. № 11. Ч. 2. С. 267–272.

  • Лукина Н.В., Никонов В.В. Биогеохимические циклы в лесах Севера в условиях аэротехногенного загрязнения: в 2-х ч. Апатиты: Изд-во КНЦ РАН, 1996. Ч. 1. 213 с.; Ч. 2. 192 с.

  • Лукина Н.В., Никонов В.В. Питательный режим лесов северной тайги: природные и техногенные аспекты. Апатиты: Изд-во Кольского НЦ РАН, 1998. 316 с.

  • Лукина Н.В., Полянская Л.М., Орлова М.А. Питательный режим почв северотаежных лесов. М.: Наука, 2008. 342 с.

  • Лукина Н.В., Сухарева Т.А., Исаева Л.Г. Техногенные дигрессии и восстановительные сукцессии в северотаежных лесах. М.: Наука, 2005. 245 с.

  • Никонов В.В., Лукина Н.В., Безель В.С., Бельский Е.А.,Беспалова А.Ю., Головченко А.В., Горбачева Т.Т., Добровольская Т.Г., Добровольский В.В., Зукерт Н.В., Исаева Л.Г., Лапенис А.Г., Максимова И.А., Марфенина О.Е., Паникова А.Н., Пинский Д.Л., Полянская Л.М., Стайннес Е., Уткин А.И., Фронтасьева М.В., Цибульский В.В., Чернов И.Ю., Яценко-Хмелевская М.А. Рассеянные элементы в бореальных лесах. М.: Наука, 2004. 616 с.

  • Осипов А.Ф. Запасы и потоки органического углерода в экосистеме спелого сосняка черничного средней тайги // Сибирский лесной журнал. 2017. № 2. С. 70–80.

  • Решетникова Т.В. Лесные подстилки как депо биогенных элементов // Вестник КрасГАУ. 2011. № 12. С. 74–81.

  • Сазонова Т.А., Придача В.Б., Теребова Е.Н., Шредерс С.М., Колосова С.В., Таланова Т.Ю. Морфофизиологическая реакция деревьев сосны обыкновенной на промышленное загрязнение // Лесоведение. 2005. № 3. С. 11–19.

  • Сухарева Т.А. Пространственно-временная динамика микроэлементного состава хвойных деревьев и почвы в условиях промышленного загрязнения // Известия ВУЗов. Лесной журнал. 2013. № 6 (336). С. 19–28.

  • Сухарева Т.А., Лукина Н.В. Минеральный состав ассимилирующих органов хвойных деревьев после снижения уровня атмосферного загрязнения на Кольском полуострове // Экология. 2014. № 2. С. 97–104.

  • Тарханов С.Н. Поврежденность хвойных древостоев устья и дельты Северной Двины в условиях атмосферного загрязнения // Известия Самарского научного центра РАН. 2009. Т. 11. № 1(3). С. 394–399.

  • Уфимцев В.И., Егорова И.Н. Роль растительного опада в формировании фитогенных полей сосны обыкновенной на техногенных элювиях Кузбасса // Успехи современного естествознания. 2016. № 4. С. 116–120.

  • Цветков В.Ф., Цветков И.В. Промышленное загрязнение окружающей среды и лес. Архангельск: Изд-во Северного (Арктического) федерального университета имени М.В. Ломоносова, 2012. 312 с.

  • Чульдиене Д., Алейниковиене Ю., Мурашкиене М., Марозас В., Армолайтис К. Распад и сохранность органических соединений и питательных элементов в лиственном опаде после зимнего сезона под лесопосадками лиственницы европейской, бука обыкновенного и дуба красного в Литве // Почвоведение. 2017. № 1. С. 56–63.

  • Юсупов И.А., Залесов С.В., Шавнин С.А., Луганский Н.А. Особенности динамики и структуры древесного опада в сосновых молодняках в зоне действия аэропромвыбросов на Среднем Урале // Леса Урала и хозяйство в них: сб. науч. тр. Екатеринбург: Изд-во УГЛТА. 1995. Вып. 18. С. 59–74.

  • Ярмишко В.Т., Лянгузова И.В. Многолетняя динамика параметров и состояния хвои Pinus sylvestris L. в условиях аэротехногенного загрязнения на Европейском Севере // Известия СПбЛТА. 2013. № 2 (203). С. 30−46.

  • Aponte C., García L.V., Marañón T. Tree species effects on nutrient cycling and soil biota: A feedback mechanism favouring species coexistence // Forest Ecology and Management. 2013. V. 309. P. 36–46.

  • Becker H., Aosaar J., Varik M., Morozov G., Aun K., Mander Ü., Soosaar K., Uri V. Annual net nitrogen mineralization and litter flux in well-drained downy birch, Norway spruce and Scots pine forest ecosystems // Silva Fennica. 2018. V. 52. N. 4. Article id 10013. 18 p. URL: https://doi.org/10.14214/sf.10013 (February 25, 2021).

  • Berg B. Litter decomposition and organic matter turnover in northern forest soils // Forest Ecology and Management. 2000. V. 133. P. 13–22.

  • Berg B., McClaugherty C. Plant Litter – Decomposition, Humus Formation, Carbon Sequestration. Berlin; Heidelberg: Springer-Verlag, 2008. 340 p.

  • Chavez-Vergara B., Merino A., Vázquez-Marrufo G., García-Oliva F. Organic matter dynamics and microbial activity during decomposition of forest floor under two native neotropical oak species in a temperate deciduous forest in Mexico // Geoderma. 2014. V. 235–236. P. 133–145.

  • De Marco A., Vittozzi P., Rutigliano F.A., Virzo de Santo A. Nutrient dynamics during decomposition of four different pine litters // Proceedings of the International Workshop MEDPINE 3: Conservation, Regeneration and Restoration of Mediterranean Pines and Their Ecosystems. Bari: CIHEAM, 2007. P. 73–77.

  • Husson F., Le S., Pages J. Exploratory Multivariate Analysis by Example Using R. 2nd ed. London: Chapman & Hall/CRC Press. 2017. 248 p.

  • Jonczak J., Parzych A. The content of heavy metals in the soil and litterfall in a beech-pine-spruce stand in northern Poland // Archives of environmental protection. 2014. V. 40. N 4. P. 67–77.

  • Kiikkilä O. Heavy-metal pollution and remediation of forest soil around the Harjavalta Cu-Ni smelter, in SW Finland // Silva Fennica. 2003. V. 37. N 3. P. 399–415.

  • Kopáček J., Cudlín P., Svoboda M., Chmelikova E., Kaňa J., Picek T. Composition of Norway spruce litter and foliage in atmospherically acidified and nitrogen-saturated Bohemian Forest stands, Czech Republic // Boreal Environment Research. 2010. V. 15. N 4. P. 413–426.

  • Lukina N.V., Orlova M.A., Steinnes E., Artemkina N.A., Gorbacheva T.T., Smirnov V.E., Belova E.A. Mass-loss rates from decomposition of plant residues in spruce forests near the northern tree line subject to strong air pollution // Environmental Science and Pollution Research. 2017. V. 24. Iss. 24. P. 19874–19887.

  • Meier I.C., Leuschner Ch., Hertel D. Nutrient return with leaf litter fall in Fagus sylvatica forests across a soil fertility gradient // Plant Ecology. 2005. V. 177. Iss. 1. P. 99–112.

  • Moore T. R., Trofymow J. A., Prescott C. E., Fyles J., Titus B. D. Patterns of carbon, nitrogen and phosphorus dynamics in decomposing foliar litter in Canadian forests // Ecosystems. 2006. V. 9. N 1. P. 46–62.

  • Neumann M., Ukonmaanaho L., Johnson J., Benham S., Vesterdal L., Novotný R., Verstraeten A., Lundin L., Thimonier A., Michopoulos P., Hasenauer H. Quantifying carbon and nutrient input from litterfall in European forests using field observations and modeling // Global Biogeochemical Cycles. 2018. V. 32. N 5. P. 784–798.

  • Nieminen, T., Helmisaari H-S. Nutrient retranslocation in the foliage of Pinus sylvestris L. growing along a heavy metal pollution gradient // Tree Physiology. 1996. V. 16. Iss. 10. P. 825–831.

  • Portillo-Estrada M., Korhonen J., Pihlatie M., Pumpanen J., Frumau A., Morillas L., Tosens T., Niinemets Ü. Inter- and intra-annual variations in canopy fine litterfall and carbon and nitrogen inputs to the forest floor in two European coniferous forests // Annals of Forest Science. 2013. V. 70. Iss. 4. P. 367–379.

  • Preston C.M., Bhatti J.S., Flanagan L.B., Norris C. Stocks, chemistry, and sensitivity to climate change of dead organic matter along the Canadian boreal forest transect case study // Climatic Change. 2006. V. 74. P. 233–251.

  • R Core Team. R: A language and environment for statistical computing. R Foundation for Statistical Computing. Vienna, Austria, 2017. URL: http://www.R-project.org.

  • Rahman M.M., Tsukamoto J., Rahman M.M., Yoneyama A., Mostafa K.M. Lignin and its effects on litter decomposition in forests ecosystems // Chemistry & Ecology. 2013. V. 29. Iss. 6. P. 540–553.

  • Rautio P., Huttunen S., Lamppu J. Effects of sulphur and heavy metal deposition on foliar chemistry of Scots pines in Finnish Lapland and on the Kola Peninsula // Chemosphere. 1998a. V. 36. Iss. 4. P. 979–984.

  • Rautio P., Huttunen S., Lamppu J. Seasonal foliar chemistry of northern Scots pines under sulphur and heavy metal pollution // Chemosphere. 1998b. V. 37. Iss. 2. P. 271–287.

  • Steinnes E., Lukina N., Nikonov V., Aamlid D., Røyset O. A gradient study of 34 elements in the vicinity of a copper-nickel smelter in the Kola Peninsula // Environmental Monitoring and Assessment. 2000. V. 60. Iss. 1. P. 71–88.

  • Trap J., Hättenschwiler S., Gattin I., Aubert M. Forest ageing: an unexpected driver of beech leaf litter quality variability in European forests with strong consequences on soil processes // Forest Ecology and Management. 2013. V. 302. P. 338–345.

  • Tu L-h., Hu H-l., Chen G., Peng Y., Xiao Y-l., Hu T-x., Zhang J., Li X-w., Liu L., Tang Y. Nitrogen addition significantly affects forest litter decomposition under high levels of ambient nitrogen deposition // PLoS ONE. 2014. V. 9. Iss. 2. URL: https://doi.org/. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0088752 (February 25, 2021).

  • Ukonmaanaho L., Merila P., Nöjd P., Nieminen T.M. Litterfall production and nutrient return to the forest floor in Scots pine and Norway spruce stands in Finland // Boreal Environment Research. 2008. V. 13 (Suppl. B). P. 67-91.

  • Ukonmaanaho L., Pitman R., Bastrup-Birk A., Breda N., Rautio P. Manual on methods and criteria for harmonized sampling, assessment, monitoring and analysis of the effects of air pollution on forests // Part XIII: Sampling and Analysis of Litterfall. UNECE ICP Forests Programme Co-ordinating Centre, Eberswald. 2016. 15 p.

  • Vacek S., Vacek Z., Bílek L., Simon J., Remeš J., Hůnová I., Král J., Putalová T., Mikeska M. Structure, regeneration and growth of Scots pine (Pinus sylvestris L.) stands with respect to changing climate and environmental pollution // Silva Fennica. 2016. V. 50. N 4. Article id 1564. 21 p. URL: http://dx.doi.org/10.14214/sf.1564. (February 25, 2021).

  • Vesterdal L., Elberling B., Christiansen J.R., Callesen I., Schmidt I.K. Soil respiration and rates of soil carbon turnover differ among six common European tree species // Forest Ecology and Management. 2012. V. 264. P. 185–196.

  • Wardle D.A., Nilsson M.-C., Zackrisson O., Gallet C. Determinants of litter mixing effects in a Swedish boreal forest // Soil Biology and Biochemistry. 2003. V. 35. Iss. 6. P. 827–835.

  • Wood T.E., Lawrence D., Clark D.A. Determinants of leaf litter nutrient cycling in a tropical rain forest: soil fertility versus topography // Ecosystems. 2006. V. 9. N 5. P. 700–710.

  • Wood T.E., Lawrence D., Clark D.A., Chazdon R.L. Rain forest nutrient cycling and productivity in response to large-scale litter manipulation // Ecology. 2009. V. 90. N 1. P. 109–121.

  • Zhang D., Hui D., Luo Y., Zhou G. Rates of litter decomposition in terrestrial ecosystems: global patterns and controlling factors // Journal of Plant Ecology. 2008. V. 1. Iss. 2. P. 85–93.