Biogeochemical assessment of the main plants at the Nadym district's reindeer pastures (Yamal-Nenets autonomous okrug)

Full Text

 

ВВЕДЕНИЕ

Растения – это важнейший компонент биосферы и звено трофической цепи в биогеохимической миграции макро- и микроэлементов из горных пород и почв в живые организмы. Природная неоднородность химического состава среды и интенсивная хозяйственная деятельность человека приводят к дисбалансу биологически активных веществ в растениях, кормах и организме животных [Битюцкий, 2011; Позов, Орлова, 2012].

Одним из источников поступления в организм животных токсичных веществ являются кормовые растения. В условиях антропогенного загрязнения отмечается увеличение интенсивности вовлечения тяжелых металлов в биологический круговорот [Опекунова, 2019]. Многие химические элементы обладают способностью к аккумуляции в организме животных, оказывают токсическое воздействие и приводят к появлению специфической заболеваемости – микроэлементозам [Авцын, 1972].

Научный и прикладной интерес представляют исследования биогеохимических особенностей элементного состава растений, произрастающих на фоновых участках в границах расположения нефтегазодобывающей промышленности, и выявление видовой специфики аккумуляции химических элементов в растениях, изучение географических особенностей накопления химических элементов растениями.

Цель работы заключается в выявлении особенностей элементного состава и оценке качества некоторых видов растений, составляющих кормовую базу северного оленя в разных биоклиматических зонах территории Надымского района.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ

В ходе геоботанического обследования оленьих пастбищ на фоновых участках Надымского района Ямало-Ненецкого автономного округа (ЯНАО) в июле-августе 2019 года были отобраны образцы 8 видов растений и 2 видов кормовых лишайников¹для определения их элементного состава. В пределах Надымского района выделяют несколько природных подзон – южная тундра, лесотундра и северная тайга [Атлас ЯНАО, 2004]. Образцы растений отобраны на трёх участках (рис. 1). Участок № 1 расположен в подзоне северной тайги, в редкостойных лиственничных и елово-лиственничных кустарничково-лишайниковых лесах, в окрестностях пос. Приозерный. Участок № 2 находится в подзоне лесотундры, в лиственнично-березовых с незначительной примесью ели, кустарничково-зелёномошно-лишайниковых редкостойных лесах и редколесьях, в окрестностях г. Надым. Участок № 3 выбран в подзоне южной тундры, в кустарниково-зеленомошной с ивой и ерником местами с ольховником бугорковой и пятнисто-бугорковой тундре, в окрестностях пос. Ямбург. Всего отобрано 90 проб.

 

Рис. 1. Пробные площадки на территории Надымского района, ЯНАО.

Определён элементный состав фитомассы следующих видов: листья Betula pubescens Ehrh., Salix lanata L., кора Larix sibirica Ledeb., хвоя Pinus sylvestris L., вегетирующие зеленые надземные части Vaccinium vitis-idaea L., Ledum palustre L. (incl. L. Decumbens (Aiton) Lodd. ExSteud.), Eriophorum angustifolium Honck., Equisetum arvense L., слоевища лишайников Cladonia stellaris (Opiz.) Pouzaret Uezda и Cladonia stygia (Fr.) Ruoss.

Перечисленные выше виды были отобраны в трёхкратной повторности для каждой биоклиматической подзоны. На каждой пробной площадке 10×10 м была выбрана типичная экосистема и осуществлялся отбор проб не менее чем с 10 индивидуальных растений для каждого вида. Ввиду неоднородности территории и разности экологических факторов, для отбора всего перечня видов растений в каждой подзоне было организовано 10-18 пробных площадей (рис. 1, таблица 7 в Appendix). Масса каждого образца составляла не менее 0.2 кг. В лаборатории образцы были высушены до постоянной массы в сушильном шкафу (t=80˚C), а затем измельчены в механической мельнице до порошкообразного состояния.

Определение элементного состава растений выполнялось с использованием метода рентгенофлуоресцентного энергодисперсионного анализа (РФАЭД) на спектрометре БРА 135-f (АО НПП «Буревестник», г. Санкт-Петербург). В пробах фитомассы определялось содержание элементов Cr, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, As, Y, V, Na, Mg, Si, P, S, K, Ca, Ti, Mn, Fe, Sr. Концентрации элементов рассчитаны на воздушно-сухое вещество.

Изучалась аналитическая Kα – линия. Выбор аналитических линий для измерения интенсивности излучения элементов осуществлялся в соответствующем диапазоне длин волн. Общая интенсивность излучения определялась, как сумма вторичного характеристического и первичного рассеянного излучений. Режим работы: для средней области – 19 кВ, 100 мкА; для тяжелой области – 50 кВ, 60 мкА. Фильтр первичного излучения из циркония.

Для построения градуировочных характеристик использовались государственные стандартные образцы (ГСО): ЛБ-1 (состав листа березы); ЭК-1 (состав элодеи канадской); ТР-1 (состав травосмеси). Для оценки правильности результатов применяли стандартные образцы растений. Градуировочные и стандартные образцы готовились к РФАЭД таким же способом, что и исследуемые образцы растений. Значения пределов обнаружения устанавливали с помощью стандартных образцов с малым содержанием элемента: Cr – 0.4 мкг, Co – 0.02 мг/кг, Ni – 0.3 мг/кг, Cu – 0.4 мг/кг, Zn – 1.1 мг/кг, Ga – 0.02 мг/кг, As – 0.02 мг/кг, Y – 0.02 мг/кг, V – 0.09 мг/кг, Na – 30 мг/кг, Mg – 200 мг/кг, Si – 400 мг/кг, P – 60 мг/кг, S – 200 мг/кг, K – 300 мг/кг, Ca – 300 мг/кг, Ti – 12 мг/кг, Mn – 30 мг/кг, Fe – 50 мг/кг, Sr – 7 мг/кг. Величина ошибки (воспроизводимость результатов) для изученных элементов варьировала от 5% до 10%.

По данным литературного обзора установлено, что почвы исследуемого региона характеризуются выраженным дефицитом элементов [Опекунова с соавт., 2007; Иеронова с соавт., 2014; Томашунас с соавт., 2014; Агбалян с соавт., 2015; Журба с соавт., 2016; Страховенко с соавт., 2016; Скипин с соавт., 2016; Агбалян с соавт., 2018; Алексеев с соавт., 2019; Семенков, 2019]. Данные исследования проводились на территории незатронутой хозяйственной деятельностью.  Для оценки фонового содержания были использованы медианные значения результатов всех вышеперечисленных работ для минеральных почв Надымского района.

Для выявления зональных особенностей накопления химических элементов растениями были выбраны виды, встречающиеся во всех биоклиматических подзонах. Также, данные виды могут быть использованы в качестве объектов биоиндикации. Из общего перечня исследованных видов Betula pubescens и Pinus sylvestris не были обнаружены в зоне тундры и по этой причине исключены из анализа.

Исследуемая выборка отлична от нормального распределения, поэтому статистическая обработка аналитических данных включала определение Med – медианы, 1-ого и 3-его квартилей. Для сравнительных оценок использовался критерий Краскела-Уоллиса, непараметрический метод проверки принадлежности двух и более выборок к одному распределению, с последующим применением теста Данна для попарного сравнения. Объем выборки составил 90 измерений для проведения корреляционного анализа (рис. 3), 9 измерений для оценки видовой геохимической специализации растений (рис. 4) и 30 измерений для оценки содержания элементов в растениях различных биоклиматических подзон (рис. 5). Обработка, анализ данных и построение графиков были выполнены в программном продукте R с использованием пакетов rstatix, ggplot2 и ggpubr.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Биогеохимические особенности растений

На содержание химических элементов в растениях оказывают влияния, главным образом, климатические, ландшафтно-геохимические особенности и видовая специфика аккумуляции химических элементов растениями. Содержание химических элементов зависит от пространственной неоднородности среды их обитания. Климат один из важнейших факторов, обуславливающий биогеохимическую специализацию флоры и соотношение между всеми формами миграции химических элементов в ландшафте. В гумидном климате формируются, в основном, катионофитные растения с преобладающим высоким накоплением катионогенных элементов [Скарлыгина-Уфимцева, 1991]. В ландшафтах с кислым классом водной миграции энергично мигрируют катионогенные элементы, которые легко поглощаются растительностью.

Анализ медианного содержания макро- и микроэлементов в образцах всех изученных растений показал специфику и различия в накоплении элементов, как между видами растений, так и между биоклиматическими подзонами (рис. 2, табл. 4-6). Установлено, что почвы исследуемого региона характеризуются выраженным дефицитом элементов.

 

Рис. 2. Значения обнаруженных концентраций элементов. Линией обозначена медиана, нижняя и верхняя границы блока — нижний и верхний квартили, насечки показывают доверительный интервал относительно медианы, усы — 1.5 интерквартильных значения (~3σ), точки — выбросы (все, что выходит за пределы усов).

 

По величине медианного содержания в растениях элементы располагаются в следующем убывающем порядке (мг/кг):

Si(8827) > Mg(6469) > Ca(3186) > P(2955) > Mn(752) > S(210) > Ti(137) > Zn(33.9) > Cu(8.3) > Sr(7.0) > Cr(5.3) > Ni(3.4) > Y(2.6) > As(0.47) > V(0.2) > Ga(0.09)².

Фитогеохимический спектр, представляющий собой ранжированный ряд химических элементов по убыванию коэффициентов биологического накопления К_б1 (отношение содержания химических элементов в растениях к фоновому содержанию элементов в почвах ЯНАО [Опекунова с соавт., 2007; Иеронова с соавт., 2014; Томашунас с соавт., 2014; Агбалян с соавт., 2015; Журба с соавт., 2016; Страховенко с соавт., 2016; Скипин с соавт., 2016; Агбалян с соавт., 2018; Алексеев с соавт., 2019; Семенков, 2019], позволяет выявить интенсивность аккумуляции химических элементов в изученных образцах растений (табл. 1).

 

Таблица 1. Коэффициенты биологического накопления (К_б1) химических элементов в растениях относительно фоновых концентраций в почвах округа³

Приоритетные элементы	P22.4, Mg9.1, Mn8.0, Ca6.2, Zn1.5
Дефицитные элементы	Cu0.9, Y0.4, As0.2, Ni0.2, Cr0.1, Ti0.09, K0.08, Sr0.07, Na0.03, Si0.02, V0.0007, Co0.005, Fe0.005

 

Фосфор является биогенным элементом и накапливается в растениях на территории Надымского района в максимальном количестве. При довольно низком содержании в почвах (132 мг/кг) его концентрация в растениях выше в ~22 раза.

Магний, марганец и кальций характеризуются высоким коэффициентом биологического накопления, несмотря на их конкурентные свойства в накоплении. Магний участвует в процессах фотосинтеза, транспорта фосфора и прочих жизненно важных функций [Marschner, 2011; Воеводина, 2015]. Mn является индикатором биогеохимических циклов в ландшафтах с гумидным климатом. Накопление Mn в растениях обусловлено изменением подвижности химических элементов при смене песчаных почв торфяниками [Опекунова, 2013]. Кальций участвует в построении клеточных стенок и мембран [White, 2003]. Растения накапливают цинк в полтора раза больше его фонового содержания в почвах. Данный элемент задействован во многих биохимических процессах.

Для удобства сравнения результатов с фундаментальными работами Добровольского В.В. и Перельмана А.И. были посчитаны коэффициенты биологического накопления (К_б2) химических элементов по отношению к кларку [Григорьев, 2009]. Полученные результаты (табл. 2) свидетельствуют о накоплении в растениях Надымского района лишь фосфора, остальные элементы содержатся в растительности в значительно меньших концентрациях.

 

Таблица 2.  Коэффициенты биологического накопления (К_б2) химических элементов в растениях относительно кларка верхней части континентальной земной коры

Приоритетные элементы	P4.3
Дефицитные элементы	Mn0.98, Zn0.5, Mg0.4, Cu0.2, Y0.1, As0.08, Ca0.08, Ni0.07, Cr0.06, Ti0.04, Si0.03, Sr0.03, K0.01, V0.002, Na0.001, Fe0.001, Co0.001

 

Представляет интерес оценка ассоциаций химических элементов на основе корреляционных зависимостей между их содержанием в изученных образцах растений. Такой подход позволяет установить роль антропогенной нагрузки и физиологических особенностей поглощения, специфику источников загрязнения. Аккумуляция химических элементов в растениях, подверженных одномоментному воздействию разных факторов, связана с поступлением загрязняющих веществ разными путями. Установлены элементы-антагонисты и элементы-синергисты в конкретных геохимических условиях в пределах Надымского района.

Установлены статистически достоверные ассоциации элементов для всех растений (рис. 3). Положительная значимая корреляция внутри групп V – S – K (r_s = 0.58-0.91) и Mg – Cr – Co – Fe – Si – P (r_s = 0.15-0.91), а также сильная связь As – Y (r_s = 0.77), Ni и Zn между собой (r_s = 0.89) и с Ca, Sr, Ga, Mn (r_s = 0.2-0.76).

 

Рис. 3. Матрица корреляции между концентрациями элементов в растениях (по критерию Спирмана)⁴

Известно, что недостаток или избыток одних элементов может блокировать поглощение или метаболизм других химических элементов [Ермаков с соавт., 2018]. В данном исследовании выявлены элементы с достоверной обратной корреляционной зависимостью, т. е. высокое содержание одного элемента обычно сопряжено с низким содержанием другого. К таким элементам антагонистом относятся ассоциации Si c Zn (r_s = -0.77), Sr (r_s = -0.8) и Mn (r_s = -0.89), а также между группами Mg, Cr, Co, Fe, P и Sr, Mn, Ga, Cu, Ni, Zn (r_s = -0.12 – -0.72).

Важнейшими и нормируемыми в рационах питания животных макроэлементами считаются Ca, K, Mg, P, Na, S, микроэлементами – Fe, Mn, Zn, Cu, Co. В изученных образцах растений медианные содержания Mg, P и Mn превышают рекомендуемые величины (норму) в корме для крупного рогатого скота [Биогеохимические основы…, 1993], медианные содержания Zn, Cu, Fe и Si в растениях соответствуют норме, а концентрации Co, Na, K находятся в дефиците.

Существующие проблемы развития оленеводства в ЯНАО, связанные с истощением кормовой базы оленьих пастбищ в тундровой природной зоне [Зуев, 2016], возможно частично решить за счет более активного вовлечение в хозяйственный оборот естественных кормовых угодий Надымского района. Кормовая база Надымского района представлена кустистыми лишайниками, кустарниковыми ивами и березками, осоковыми, злаковыми, растениями группы разнотравья, среди которых сложноцветные и хвощи [Байкалова, Долгова 2018]. При этом следует строго учитывать норму выпаса оленьих стад, чтобы предотвратить деградацию растительности.

 

Видовая биогеохимическая специализация растений

Биогеохимическая специализация растений зависит от зонально-региональных закономерностей биогенной миграции элементов, видового уровня организации фитобиоты и уровня антропогенной нагрузки [Шихова, 2017]. Специфичность аккумуляции химических элементов растениями в природных ландшафтах проявляется на экобиоморфном уровне организации фитобиоты. Выделяются две основные группы растений, обусловленные эволюционно сложившимися адаптационными стратегиями: концентраторы и деконцентраторы [Уфимцева, 2015]. Концентраторы накапливают химические элементы, как при низком, так и при высоком их содержании в почве, почвообразующих и коренных породах. Деконцентраторами являются растения, у которых поступление химических элементов в надземную часть ограничено, несмотря на их высокое содержание в среде произрастания.

Изучена видовая геохимическая специализация растений (рис. 4, табл. 5). Содержание Mg и микроэлементов (V, Y, As и Co) статистически достоверно не отличается между видами исследованных растений. По остальным элементам отличия выявлены для нескольких пар растений. Наибольшее различие уровня аккумуляции между разными видами растений обнаружено для Ni, Zn, Ca, Mn, S и Si.

Содержание V изменяется от 0.09 мг/кг в хвое Pinus sylvestris и талломах Cladonia stellaris до 2.25 мг/кг в Equisetum arvense (табл. 5). Установлено увеличение концентрации V в ряду видов растений Betula pubescens>Cladonia stygia>Eriophorum angustifolium>Larix sibirica>Ledum palustre (incl. decumbens)>Salix>Vaccinium vitis-idaea.

Содержание Cr высокое во всех опробованных растениях. Концентрации Cr варьирует незначительно от 3.3 мг/кг в листьях Betula pubescens до 7.2 мг/кг в талломах Cladonia stygia.

Содержание Co в значительной части исследованных образцов ниже предела обнаружения. Неоднородность и повышенные уровни концентраций обнаружены в талломах лишайников и коре лиственницы, что говорит о локальных особенностях распределения кобальта.

 

Рис. 4. Накопление элементов различными видами растений. Скобками отмечены виды растений со статистически достоверно расходящимися концентрациями, звездочками отмечена значимость различий (*– слабое достоверное различие, ***** – сильное различие)

Выраженная аккумуляция Ni установлена в листьях Betula pubescens – 8.3 мг/кг.  Наиболее низкие значения обнаружены для Cladonia stellaris и Cladonia stygia.

В опробованной выборке растений содержание Cu варьирует 0.4 (передел обнаружения) – 21.6 мг/кг. Так, в талломах Cladonia stellaris и Cladonia stygia содержание Cu изменяется от 0.4 мг/кг до 5.5 мг/кг (медианное значение 0.4 мг/кг), в хвое Pinus sylvestris содержания Cu варьируют от 1.6 мг/кг до 47.4 мг/кг (медианное значение 21.6 мг/кг).

Максимальная аккумуляция цинка установлена в листьях Betula pubescens и листьях кустарников рода Salix. Варьирование концентраций Zn в листьях Betula pubescens от минимальных значений 128 мг/кг до максимальных уровней – 190 мг/кг (медианное значение 150 мг/кг). В листьях кустарников рода Salix накопления Zn изменяются от 38 мг/кг до 140 мг/кг (медианное значение 94 мг/кг). Минимальные содержания Zn установлены в Cladonia stellaris и Cladonia stygia (3.7-3.9 мг/кг).

Листья кустарников рода Salix активно аккумулируют Ga в концентрациях от 0.06 мг/кг до 0.75 мг/кг (медианное содержание 0.36 мг/кг). Минимальные уровни Ga установлены в Larix sibirica и Cladonia stellaris (0.02 мг/кг).

Максимальное содержание As установлено в Larix sibirica 3.31 мг/кг (от 0.02 мг/кг до 7.40 мг/кг) и в Ledum palustre 3.29 мг/кг (от 0.02 мг/кг до 6.23 мг/кг). Наименьшие концентрации As показаны в образцах кустистых лишайников (0.02 мг/кг).

Содержания Y в изученных растениях варьирует в широких пределах от 0.02 мг/кг (предел обнаружения) в траве Equisetum arvense до 33.3 мг/кг в коре Larix sibirica.

Низкое содержание Na менее предела обнаружения (30 мг/кг) показано во всех изученных растительных образцах. В ходе анализа обнаружены два существенных выброса значений 420 и 920 мг/ кг для брусники и листьев ивы, которые мы связываем со случайным загрязнением отобранных образцов.

Максимальное количество Mg накапливается в листьях Betula pubescens – 8300 мг/кг и в коре Larix sibirica (8990 мг/кг).

Все изученные растения обогащены кремнием. В листьях Salix концентрации Si минимальны и варьируют от 400 мг/кг до 8190 мг/кг. Максимальное содержание Si выявлено в Equisetum arvense и Cladonia stellaris, Cladonia stygia (24890 мг/кг, 13220 и 13730 мг/кг соответственно).

Максимальное накопление P характерно для Vaccinium vitis-idaea, Cladonia stellaris и Cladonia stygia, которое изменяется от 3210 мг/кг до 3250 мг/кг.

Equisetum arvense L. способен аккумулировать максимальные концентрации S, K, Ca по сравнению с другими изученными растениями. 

Содержания Ti в растениях изменяются от 12 мг/кг в коре Larix sibirica до 320 мг/кг в Cladonia stygia. Высокие концентрации Ti установлены в Cladonia stellaris и в листьях Salix lanata – 251 и 282 мг/кг.

В исследованной выборке растений содержания Fe, в основном, находятся на уровне предела определения 50 мг/кг, за исключением талломов лишайников Cladonia stellaris и Cladonia stygia, в которых концентрация Fe изменяется от 50 мг/кг до 2560 мг/кг (медианные значения 270 и 25 мг/кг).

Максимальные концентрации Mn зафиксированы в листьях Ledum palustre, Betula pubescens и Vaccinium vitis-idaea (медианные значения от 1230 мг/кг до 1240 мг/кг).

Концентрации Sr в изученной выборке растений ниже предела определения. Максимальные содержания зафиксированы в листьях кустарников рода Salix (от 7 мг/кг до 93 мг/кг) и в Equisetum arvense (от 7 мг/кг до 43 мг/кг).

Анализ коэффициентов биологического накопления химических элементов в растениях относительно локального фонового уровня в почвах ЯНАО (табл. 3) позволил выделить группу растений – концентраторов (K_б1>1.5), виды растений с фоновым содержанием элементов и группу растений –  деконцентраторов (K_б1<0.5). Сильные концентрационные способности обнаружены лишь у Equisetum по содержанию калия (K_б1 = 96).

 

Таблица 3. Коэффициенты биологического накопления (К_б1) химических элементов в растениях относительно рассчитанного локального фонового уровня в почвах ЯНАО (жирным шрифтом обозначены повышенные уровни аккумуляции, курсивом — пониженные уровни аккумуляции)

 

Химический элемент	Cladonia stellaris	Cladonia stygia	Eriophorum angustifolium	Equisétum arvénse	Lédum palustre	Vaccínium vítis-idaéa	Salix lanata	Betula pubescens	Larix sibirica	Pínus sylvéstris	Локальный фон, мг/кг5
V	0.46	0.92	0.96	11.51	1.36	1.59	1.42	0.53	1.04	0.46	0.20
Cr	1.21	1.42	0.81	0.85	1.06	0.97	0.75	0.64	1.06	1.03	5.29
Co	5.50	9.80	-	-	-	-	-	-	12.75	-	<0.02
Ni	0.80	0.75	1.28	1.01	0.99	0.95	1.64	2.47	0.93	1.25	3.36
Cu	0.05	0.05	2.37	1.73	1.14	0.98	1.33	1.26	1.63	2.44	8.82
Zn	0.10	0.09	1.51	1.20	0.77	0.80	2.41	3.84	0.56	1.47	33.86
Ga	0.26	0.38	2.31	4.14	0.68	1.14	4.65	3.90	0.26	0.86	0.09
As	0.04	0.04	5.26	0.46	6.95	6.73	4.02	1.01	6.97	5.73	0.47
Y	6.52	1.08	1.00	0.01	5.38	9.27	2.72	0.07	12.65	7.17	2.63
Na	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	<30.0
Mg	1.08	1.22	1.01	0.99	0.85	0.80	0.73	1.29	1.40	0.92	6469.0
Si	1.36	1.69	1.13	3.06	0.87	1.00	0.05	0.30	1.00	0.86	8827.0
P	1.16	1.17	0.96	0.77	1.00	1.15	0.68	0.70	1.08	1.00	2955.0
S	0.95	0.95	5.22	17.01	1.94	0.95	5.79	3.80	0.95	1.01	210.0
K	-	-	12.58	95.98	-	-	34.58	15.38	-	-	<300.0
Ca	0.79	0.89	0.81	3.57	0.90	1.38	3.90	1.88	1.07	0.93	3186.0
Ti	1.74	2.22	1.38	0.36	0.60	0.69	1.96	1.31	0.08	0.1	137.0
Mn	0.70	0.74	0.81	0.81	1.55	1.56	1.44	1.67	0.89	1.11	752.0
Fe	5.40	8.50	-	-	-	-	-	-	-	-	<50.0
Sr	-	-	-	3.50	-	-	7.14	-	-	-	<7.0

 

К растениям – аккумуляторам химических элементов относится Equisetum arvense, способный накапливать 3-17-кратные количества V, S, Ga и Ca по сравнению с другими видами растений. Лишайники Cladonia stygia и Cladonia stellaris обладают способностью концентрировать Fe и Co, при этом Cladonia stellaris также специфична к накоплению Y. Eriophorum накапливает K, S и As, Ledum palustre – As и Y. Salix lanata аккумулирует в высоких количествах K, Sr, Ca и Ga; листья Betula pubescens являются концентраторами Zn и Ni; Larix sibirica содержит в коре повышенное содержание Co и Y; Pinus sylvestris – активно накапливает Cu.

Ниже фоновых значений показано содержание элементов в Cladonia stellaris и Cladonia stygia (Cu, Zn, As, Ga), Equisetum arvense (Y, Ti), Salix lanata(Si), Betula pubescens(Y, Si), Larix sibirica(Ga, Ti), Pinus sylvestris (Ti).

Зональные особенности накопления химических элементов растениями

Все полученные результаты были объединены для характеристики кормовой базы разных природных зон. Таким образом, на этом основании территория может быть охарактеризована как более или менее благоприятная для выпаса оленей. Статистические достоверные различия в накоплении элементов растениями в разных биоклиматических подзонах (рис. 5, табл. 6) обнаружены для Cu, Fe, Co, Cr, As, Mg, V, Y. Для остальных элементов специфики аккумуляции не выявлено.

 

Рис. 5. Содержание элементов в растениях разных биоклиматических подзон Надымского района, ЯНАО. Скобками отмечены виды растений со статистически достоверно расходящимися концентрациями, звездочками отмечена значимость различий (*– слабое достоверное различие, ***** – сильное различие)

Согласно полученным данным территория северной тайги отличается низким содержанием Fe, Co, As, V и Y и повышенной концентрацией Mg и Cr в растениях. Низкие концентрации элементов обусловлены господствованием песчаных бедных почвообразующих пород и сформировавшихся на них подзолах [Опекунова, 2013; Московченко с соавт., 2015].  Для территории лесотундры характерно повышенное содержание As. Полученные нами данные согласуются с результатами почвенных исследований [Алексеева с соавт.]. В ЯНАО установлен повышенный региональный фон по As [Алексеев с соавт, 2019]. По содержанию Cu выявлено незначительное повышение концентрации от северотаежной подзоны к южной тундре.

Для подзоны лесотундры обнаружены повышенные концентрации Fe в кладониях, а для Eriophorum angustifolium только в подзоне южной тундры. В подзоне северной тайги повышенные концентрации V накапливаются в Larix sibirica. Salix аккумулирует максимальные концентрации Co в подзоне северной тайги, а для кладоний в этой подзоне наблюдаются минимальные значения, которые увеличиваются на север. Equisetum arvense и Salix накапливают низкие значения Cu в подзоне северной тайги; в Larix sibirica наоборот, обнаружено повышенное содержание этого элемента. Содержание Ga существенно выше в листьях Betula pubescens и в Eriophorumangustifolium в подзоне лесотундры, в Salix меньшее содержание этого элемента в подзоне северной тайги.

Различия в накоплении некоторых элементов в растениях, возможно, связаны с особенностями их поступления из атмосферы на поверхность растений в составе отдельных фракций пылеаэрозольных выпадений [Тентюков, 2008]. Повышенное содержание тяжелых металлов (в частности, Zn, Cr и Ni) обнаружено в растительности Западного Таймыра, что по мнению авторов [Сысо и др., 2014] является геохимической особенностью бореальной зоны.

В работе [Опекунова и др., 2018] показано, что повышенное содержание тяжёлых металлов в растительности является индикатором общего загрязнения территории. При этом лишайники характеризуются повышенным содержанием всех элементов. Для берёзы характерно повышенное накопление Zn, порой двадцатикратно превышающее фоновые концентрации данного элемента в почве [Marguí, et al., 2007]. Результаты содержания тяжелых металлов в наших исследованиях сопоставимы с результатами [Попова, 2016].

ВЫВОДЫ

Проведенные исследования позволили определить содержание Cr, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, As, Y, V, Na, Mg, Si, P, S, K, Ca, Ti, Mn, Fe, S в растениях фоновых участков нефтегазоносных районов севера Западной Сибири в пределах северной тайги, лесотундры и южной тундры. В качестве объектов исследования были выбраны широко распространенные виды древесных пород (Betula pubescens, Larix sibirica, Pinus sylvestris), кустарников Salix lanata, кустарничков (Vaccinium vitis-idaea, Ledum palustre s. l.), трав (Eriophorum angustifolium, Equisetum arvense) и лишайников (Cladonia stellaris, Cladonia stygia). По величине медианного содержания в растениях элементы располагаются в следующем порядке (мг/кг): Si(8827) >Mg(6469) >Ca(3186) >P(2955) >Mn(752) >S(210) >Ti(137) >Zn(33.9) >Cu(8.3) >Sr(7.0) >Cr(5.3) >Ni(3.4) >Y(2.6) >As(0.47) >V(0.2) >Ga(0.09). Рекомендовано использовать полученные значения содержания элементов в растительности в качестве ориентировочных для исследуемой территории.

Посчитаны коэффициенты биологического накопления элементов в растениях относительно региональных фоновых концентраций в почвах. Максимальные коэффициенты аккумуляции обнаружены для P_22.4, Mg_9.1, Mn_8.0, Ca_6.2 и для Zn1.5. Сильные концентрационные способности обнаружены у Equisetum по содержанию калия (K_c = 96).

Выявлена видовая специфика аккумуляции химических элементов в растениях и изучены зональные особенности накопления этих элементов растениями. Содержание ряда макроэлементов (Mg) и микроэлементов (V, Y, As и Co) статистически достоверно не отличается между видами исследованных растений. Наибольшее различие уровня аккумуляции между видами растений обнаружено для Ni, Zn, Ca, Mn, S и Si.

Статистические достоверные различия в накоплении элементов растениями в разных биоклиматических зонах обнаружено для Cu, Fe, Co, Cr, As, Mg, V, Y. Для остальных элементов специфики аккумуляции не выявлено.

Сноски

¹          Для упрощения в дальнейшем по тексту лишайники будут включены в термин растительность

²          Медианные значения концентраций Na, Fe, K, Co и Sr ниже предела определения, поэтому исключены из перечня

³          Данные о фоновых концентрациях Ga и S в почвах ЯНАО нами не обнаружены

⁴          Na исключен из анализа ввиду значения концентраций ниже пределов обнаружения для всех исследуемых образцов

⁵          Медианное значение всех измерений для Надымского района без привязки к биоклиматической зоне

About the authors

Elena Vasilevna Agbalyan

State Public Institution of Yamalo-Nenets Autonomous Okrug «Scientific Research Centre of the Arctic»

Email: agbelena@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-4494-798X
Scopus Author ID: 6506716280
ResearcherId: E-9028-2019

Russian Federation, 629008, Tyumen region, Yamalo-Nenets Autonomous District, Salekhard, st. Republic, 20, office 203

Evgeny Andreevich Zarov

Federal State Budgetary Institution of Higher Education "Yugorsk State University"

Email: zarov.evgen@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0003-2871-2731

Russian Federation, 628012, Khanty-Mansiysk Autonomous Okrug - Yugra, Khanty-Mansiysk, st. Chekhov, 16

Ilya Vladimirovich Filippov

Federal State Budgetary Institution of Higher Education "Yugorsk State University"

Email: filip83pov@yandex.ru
ResearcherId: Ilya_Filippov
https://www.ugrasu.ru/education/institutions/rec-environmental-dynamics-and-global-climate-change-the-unesco-chair/philippov.php

Lead Engineer

Russian Federation, 628012, Khanty-Mansiysk Autonomous Okrug - Yugra, Khanty-Mansiysk, st. Chekhov, 16

Elena Vladimirovna Shinkaruk

State Public Institution of Yamalo-Nenets Autonomous Okrug «Scientific Research Centre of the Arctic»

Author for correspondence.
Email: elena1608197@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0003-4782-6275
SPIN-code: 5764-1897
Scopus Author ID: 57201057137
https://arctic.yanao.ru/about/structure/1373/worker/2636/

without a degree



Researcher



Ecological and Biological Research Sector

Russian Federation, 629008, Тюменская область, Ямало-Ненецкий автономный округ, г. Салехард, ул. Республики, д. 20, офис 203

Christina Vasilevna Yulbarisova

State Public Institution of Yamalo-Nenets Autonomous Okrug «Scientific Research Centre of the Arctic»

Email: tina_yulbarisova@mail.ru

Research Assistant
 Department of Ecological and Biological Research

629008, Tyumen region, Yamalo-Nenets Autonomous District, Salekhard, st. Republic, 20, office 203

Nadezda Anatolievna Khnycheva

State Public Institution of Yamalo-Nenets Autonomous Okrug «Scientific Research Centre of the Arctic»

Email: nkhnycheva@mail.ru

Research Assistant
Department of Ecological and Biological Research

629008, Tyumen region, Yamalo-Nenets Autonomous District, Salekhard, st. Republic, 20, office 203

Elena Dmitrievna Lapshina

Federal State Budgetary Institution of Higher Education "Yugorsk State University"

Email: e_lapshina@ugrasu.ru
https://www.ugrasu.ru/detail-people.php?IBLOCK_ID=139&ELEMENT_ID=1733

Professor, Doctor of Biological Sciences, Director

Russian Federation, 628012, Khanty-Mansiysk Autonomous Okrug - Yugra, Khanty-Mansiysk, st. Chekhov, 16

References

Supplementary files