Химический состав опада хвои сосны обыкновенной в северотаежных сосновых лесах в условиях аэротехногенного загрязнения
Опад ассимилирующих органов древесных растений представляет активную быстроразлагающуюся фракцию и является источником доступных для биоты элементов питания. Содержание элементов в опаде зависит от древесной породы, включая возраст деревьев (Becker et al., 2018; Ukonmaanaho et al., 2008; Preston et al., 2006; Trap et al., 2013), климатических условий, положения лесного участка в ландшафте (Бессонова и др., 2017), почвенного плодородия, сезона года (Jonczak, Parzych, 2014; Чульдиене, 2017). Атмосферное загрязнение приводит к усилению дефолиации деревьев и нарушению процессов ретранслокации элементов внутри деревьев (Лукина, Никонов 1996; Ярмишко, Лянгузова, 2013; Nieminen, Helmisaari, 1996; Rautio et al, 1998). В центральной части Мурманской области расположено крупное горно-металлургическое предприятие – комбинат «Североникель» (АО «Кольская ГМК»), основными компонентами выбросов которого являются сернистый ангидрид и полиметаллическая пыль (Ni, Cu). Цель данной работы: оценить влияние аэротехногенного загрязнения комбината «Североникель» на химический состав опада хвои сосны обыкновенной с учетом внутрибиогеоценотической и сезонной изменчивости в северотаежных сосновых лесах.
Исследования проводились в 2014-2017 гг. на постоянных пробных площадях Института проблем промышленной экологии Севера КНЦ РАН в северотаежных сосняках кустарничково-лишайниковых на Кольском полуострове и материковой части Мурманской области. Площадки характеризуют различные стадии дигрессионной сукцессии и расположены по градиенту загрязнения в юго-юго-западном направлении от медно-никелевого комбината «Североникель» (г. Мончегорск) на расстоянии 7-10 км от источника выбросов в техногенных редколесьях (Р), в 20-100 км в дефолиирующих лесах (Д) и в 100-200 км – в лесах в фоновых автоморфных условиях (Лукина, Никонов, 1998).
Опад на площадках собирается в соответствии с рекомендациями международной программы ICP-Forests (Ukonmaanaho et al., 2016) в хлопковые мешки, прикрепленные к раме в нижней части собирающей воронки опадоуловителя. Опадоуловители на площадках установлены с учетом межкроновых (7-8 шт.) и подкроновых (4-5 шт.) пространств. Отбор образцов проводится дважды в год: в начале октября перед залеганием снега и начале июня после снеготаяния. В лабораторных условиях из общего опада выделялась фракция опада хвои сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.). Для проведения анализов отбирали по три смешанные пробы для каждого из сезонов отбора («октябрь-май» и «июнь-сентябрь») для подкроновых и межкроновых пространств. Данные дополнили результатами анализа исходного состава опада хвои эксперимента по разложению 1997-1999 гг.
Расчеты проводились на абсолютно сухой вес. Концентрации металлов (Ca, Mg, K, Al, Fe, Mn, Zn, Cu, Ni) определяли методом атомно-абсорбционной спектрометрии, общее содержание азота ‒ методом Кьельдаля, органического углерода (Cорг) ‒ методом Тюрина, фосфора ‒ методом колориметрии (Воробьева, 1998). Расчет V-критерия для оценки внутрибиогеоценотической и сезонной изменчивости химического состава опада хвои сосны и влияния воздушного загрязнения (через стадию дигрессии) проводили в среде статистического программирования R (Husson et al., 2017).
Анализ данных показал, что в сосновых лесах, формирующихся в фоновых условиях, опад хвои сосны характеризуется относительно высоким содержанием Mg, Mn и Zn и низким – Al, Fe, Ni, Cu, S (p<0.05). Воздушное промышленное загрязнение оказывает значительное влияние на химический состав опада ассимилирующих органов деревьев сосны. В дефолиирующих лесах опад отличается пониженным, по сравнению с фоном, содержанием Ca и Mg и высоким – P (p<0.05). Обеднение опада хвои сосны Ca и Mg можно объяснить влиянием воздушного загрязнения: снижением возраста хвои на ветвях и выщелачиванием из живой хвои на деревьях кислотными осадками (Лукина, Никонов, 1998). Увеличение содержания P может быть связано как со снижением возраста хвои на деревьях из-за преждевременного опадания не только в фенологические сроки и нарушением процессов ретранслокации подвижных элементов в условиях загрязнения (Nieminen, Helmisaari, 1996; Rautio et al, 1998), так и с одновременным повышением концентраций K и N как проявление связи в соотношении N:P:K (Сазонова и др., 2005). В техногенных редколесьях хвойный опад характеризуется высокими концентрациями Ca, Al, Fe, Ni, Cu, S и низкими – Mn, Zn и P (p<0.05). Повышение содержания тяжелых металлов (Ni, Cu Fe), и снижение содержания Mn и Zn может объясняться проявлением антагонизма между элементами (Лукина и др., 2008; Сухарева Лукина, 2014). Низкое содержание фосфора, предположительно, может быть связано с его изначально дефицитным уровнем в хвое сосны (Сухарева, Лукина, 2014), и антагонизмом с кальцием (Лукина и др., 2008), тогда как высокое содержание Ca в опаде хвои сосны в техногенных редколесьях может быть связано с поглощением сосной кальция из богатых этим элементом горизонтов почв за счет большого количества габбро- и габброноритов в почвообразующих породах (Лукина, Никонов, 1998; Ананьева и др., 2012; Лукина и др., 2008).
Воздушное загрязнение влияет и на величину соотношений C/P и N/P, характеризующих качество растительного материала для почвенной биоты, в том числе микроорганизмов-деструкторов. В хвойном опаде сосны обыкновенной в дефолиирующих лесах соотношения C/P и N/P имеют достоверно самые низкие значения, в техногенных редколесьях – самые высокие, что может объясняться большой разницей в концентрации фосфора – высокой в дефолиирующих лесах и низкой в техногенных редколесьях.
Химический состав опада ассимилирующих органов сосны характеризуется значительной внутрибиогеоценотической изменчивостью как в условиях фона, так и при аэротехногенном загрязнении. В условиях фона растительный материал, отобранный под кронами деревьев, отличается более высоким содержанием подвижных K и P (p<0.05), поступающих в опад с кроновыми и стволовыми водами. В межкроновых пространствах опад хвои сосны содержит больше Fe, Zn, Ni и Cu (p<0.05), что может быть связано с фоновым аэротехногенным загрязнением, вызванным переносом поллютантов в аэрозолях, распространяющихся на значительные расстояния (Ершов и др., 2019). В дефолиирующих сосновых лесах опад хвои в подкроновых пространствах характеризуется более высоким содержанием Ca, Mg, K, Mn, P, N и S (p<0.05), интенсивно поступающих с кроновыми и стволовыми водами в результате выщелачивания элементов питания из крон деревьев (Ca, Mg, K, Mn, P), и как компонент кислотных атмосферных осадков (S). Соотношения C/N и C/P выше в межкроновых пространствах (p<0.05) за счет меньшей концентрации фосфора при сходном с подкроновыми пространствами содержании углерода в опаде. В техногенных редколесьях содержание Ca в хвойном опаде выше под кронами деревьев (p<0.05), что может быть связано с интенсивным выщелачиванием кальция из хвои с последующим поступлением его с осадками в опад. Отсутствие различий в содержании других элементов и их соотношений в сосновом редколесье можно объяснить большой сквозистостью крон из-за их повреждения.
Сезонная вариабельность химического состава опада хвои сосны имеет общие черты у сосняков фоновых условий и сосняков, функционирующих в условиях аэротехногенного загрязнения. В сосняках фоновых условий растительный материал, отобранный после холодного периода («октябрь-май»), отличается высоким содержанием Fe, Zn, Cu, P и S, тогда как после теплого периода («июнь-сентябрь») характеризуется высокими концентрациями Ca и Mn и более высоким соотношением C/P (p<0.05). В дефолиирующих сосновых лесах хвойный опад холодного периода года характеризуется более высокими концентрациями Al, Fe, Zn, Ni, Cu и широким отношением N/P, опад теплого периода, как и в фоновых условиях, отличается высоким содержанием не способных к ретранслокации внутри деревьев Ca и Mn (p<0.05) – накопленные в течение вегетационного сезона, эти элементы остаются в опадающей хвое. В техногенных редколесьях опад хвои холодного периода года содержит больше Fe, Zn, Ni и Cu, теплого периода – больше Mg, K и Mn (p<0.05). Накопление K и Mg к концу вегетационного сезона может свидетельствовать о нарушении процессов ретранслокации в условиях загрязнения. Значительное (почти в два раза) снижение содержания Fe и Zn в опаде после завершения вегетационного периода во всех изученных сосняках и Ni и Cu (p<0.05) – в сосняках, подверженных воздушному загрязнению, может объясняться антагонизмом с ионами Mn (Лукина и др., 2008) в фоне, а в условиях аэротехногенного загрязнения дополняться выщелачиванием и смывом с поверхности хвои в летний период подкисленными осадками.
Таким образом, аэротехногенное загрязнение способствует изменению химического состава хвойного опада в сосновых лесах северотаежной лесной зоны, оказывает значительное влияние на сезонную и внутрибиогеоценотическую изменчивость поступления элементов с опадом, что может оказывать непосредственное влияние на состояние лесных экосистем Севера и динамику биогеохимических циклов углерода, элементов питания и тяжелых металлов в лесах.
