Загрязнение хвои ели европейской (Picea abies (L.) H. Karst.) тяжелыми металлами в условиях техногенных выбросов. С. 91-109

УДК

630.425:581.192

DOI:

10.37482/0536-1036-2025-4-91-109

Аннотация

Рассмотрен элементный состав хвои ели европейской в ельниках с разной степенью загрязнения тяжелыми металлами на Северо-Западе России. Целью работы была оценка содержания Cu, Zn, Mn, Fe, Ni, Pb, Cd и Cr и их парных корреляций в хвое ели европейской в насаждениях, расположенных на расстоянии 5–31 км от предприятий металлургии и теплоэнергетики и вблизи дорог с разной интенсивностью движения. Сбор образцов и определение количества элементов в хвое проводили с использованием стандартных методик. Анализ данных осуществляли с применением языка программирования Python 3.8. Сравнение выполняли непараметрическими методами. Загрязненность пробных площадей характеризовали с помощью коэффициентов концентрации элементов в хвое, соответствующих распространенному в зарубежной литературе показателю Contamination Factor (CF), и суммарного показателя загрязнения. Средний уровень загрязнения был выявлен на участках в 5 и 12 км от металлургического предприятия в г. Гатчине Ленинградской области и в 25 км от Череповецкой государственной районной электрической станции (в 50 км от г. Череповца) в Вологодской области. Низкий уровень загрязнения отмечен вблизи автотрасс в Любанском лесничестве Ленинградской области, в 5 и 12 км от Череповецкой государственной районной электрической станции. Элементный состав хвои на всех объектах характеризовался несколько более низким содержанием Cu, Ni, Mn и Zn и значительно превосходящим количеством Pb, Cd и Cr, чем в фоновых насаждениях северной Европы. На ближайшем к г. Гатчине участке выявлен дефицит Mn у елей 1-го яруса и подроста. Обнаружены достоверные коэффициенты корреляции Спирмена для медиан содержания в хвое Cu и Cr (r = 0,89, Гатчинское лесничество), Pb и Cd (r = 0,83, Кадуйское лесничество), Ni и Cd, а также Ni и Pb (r = 0,89 и r = –0,88 вблизи автодорог в Любанском лесничестве). Результаты исследования могут быть использованы для совершенствования методологии экологического мониторинга территорий с использованием ели в качестве биоиндикатора.

Сведения об авторах

Г.В. Калько^1*, канд. биол. наук, вед. науч. сотр.; ResearcherID: E-6379-2015,
ORCID: https://orcid.org/0000-0003-2664-9820
А.Е. Андреев², аспирант; ResearcherID: P-8217-2016,
¹Санкт-Петербургский научно-исследовательский институт лесного хозяйства, просп. Институтский, д. 21, Санкт-Петербург, Россия, 194021; gkalko@spb-niilh.ru*
²Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет им. С.М. Кирова, пер. Институтский, д. 5, Санкт-Петербург, Россия, 194021; alexander_597@mail.ru

Ключевые слова

Picea abies (L.) H. Karst., хвоя, техногенное загрязнение, содержание, коэффициент концентрации, тяжелые металлы, корреляция

Для цитирования

Калько Г.В., Андреев А.Е. Загрязнение хвои ели европейской (Picea abies (L.) H. Karst.) тяжелыми металлами в условиях техногенных выбросов // Изв. вузов. Лесн. журн. 2025. № 4. С. 91–109. https://doi.org/10.37482/0536-1036-2025-4-91-109

Литература

1. Андреев А.Е., Баранова А.И., Калько Г.В. Генетическое разнообразие ели европейской на Северо-Западе России в естественных насаждениях, загрязненных тяжелыми металлами // Лесохоз. информ. 2023. No 1. С. 97-110. https://doi.org/10.24419/LHI.2304-3083.2023.1.08
2. Доклад о состоянии и охране окружающей среды Вологодской области в 2021 году / Правит-во Вологод. обл., Деп. природ. ресурсов и охраны окруж. среды Вологод. обл. Вологда, 2022. 264 с.
3. Ильин В.Б. Тяжелые металлы в системе почва - растение. Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1991. 151 с.
4. Кабата-Пендиас А., Пендиас Х. Микроэлементы в почвах и растениях. М.: Мир, 1989. 439 с.
5. Копцик Г.Н., Лукина Н.В., Копцик С.В., Щербенко Т.А., Ливанцова С.Ю. Поглощение макроэлементов и тяжелых металлов елью при атмосферном загрязнении на Кольском полуострове // Лесоведение. 2008. No 2. С. 3-12.
6. Кулагин А.А., Шагиева Ю.А. Древесные растения и биологическая консервация промышленных загрязнителей / Рос. акад. наук, Уфим. науч. центр, Ин-т биологии. М.: Наука, 2005. 190 с.
7. Луганский Н.А., Залесов С.В., Луганский В.Н. Лесоведение. Урал. гос. лесотехн. ун-т. Екатеринбург, 2010. 432 с.
8. Лукина Н.В., Сухарева Т.А., Исаева Л.Г. Техногенные дигрессии и восстановительные сукцессии в северотаежных лесах. М.: Наука, 2005. 244 с.
9. Методика измерения массовых долей металлов в осадках сточных вод, донных отложениях, образцах растительного происхождения спектральными методами. 16.2.2:2.3.71-2011 / Федер. служба по надзору в сфере природопольз. М., 2011. 45 с.
10. Методические указания по определению тяжелых металлов в почвах сельхозугодий и продукции растениеводства / М-во сельск. хоз-ва Рос. Федерации, Центр. ин-т агрохим. обслуж. сел. хоз-ва (ЦИНАО). М.: ЦИНАО, 1992. 61 с.
11. Михайлова Т.А., Шергина О.В. Биогеохимическая миграция элементов-загрязнителей в урбоэкосистеме // Теоретич. и приклад. экология. 2010. No 3. С. 27-32.
12. 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.
13. Никонов М.В. Устойчивость лесов к воздействию природных и антропогенных факторов (на примере Новгородской области). Великий Новгород: НовГУ им. Ярослава Мудрого, 2003. 296 с.
14. О состоянии и об охране окружающей среды Российской Федерации в 2021 году. Государственный доклад. М.: Минприроды России; МГУ им. М.В. Ломоносова, 2022. 684 с.
15. Сает Ю.Е., Ревич Б.А., Янин Е.П., Смирнова Р.С., Башаркевич И.Л., Онищенко Т.Л., Павлова Л.Н., Трефилова Н.Я., Ачкасов А.И., Саркисян С.Ш. Геохимия окружающей среды. М.: Недра, 1990. 333 с.
16. Сухарева Т.А. Трансформация элементного состава почвы еловых лесов в условиях долговременного атмосферного загрязнения // Тр. Ферсмановской научной сессии ГИ КНЦ РАН. 2019. No 16. С. 568-572. https://doi.org/10.31241/FNS.2019.16.116
17. Сухарева Т.А., Лукина Н.В. Химический состав и морфометрические характеристики хвои ели сибирской на Кольском полуострове в процессе деградационной сукцессии лесов // Лесоведение. 2004. No 2. С. 36-43.
18. Сухарева Т.А., Лукина Н.В. Минеральный состав ассимилирующих органов хвойных деревьев после снижения уровня атмосферного загрязнения на Кольском полуострове // Экология. 2014. No 2. С. 97-104. https://doi.org/10.7868/S0367059714020085
19. Тарханов С.Н. Формы внутрипопуляционной изменчивости хвойных в условиях атмосферного загрязнения. Екатеринбург: УрО РАН, 2010. 228 с.
20. Цветков В.Ф., Цветков И.В. Лес в условиях аэротехногенного загрязнения. Архангельск, 2003. 354 с.
21. Шагиева Ю.А. Тяжелые металлы в почвах и растениях Башкирского Зауралья в условиях техногенеза: автореф. дис. ... канд. биол. наук. Тольятти, 2002. 22 с.
22. Ari N., Ustazhanov M. Matplotlib in Python. 2014 11th International Conference on Electronics, Computer and Computation (ICECCO), 2014, pp. 1-6. https://doi.org/10.1109/ICECCO.2014.6997585
23. Arif Y., Singh P., Siddiqui H., Naaz R., Hayat S. Transition Metal Homeostasis and Its Role in Plant Growth and Development. Microbial Biofertilizers and Micronutrient Availability. Springer, Cham, 2022, pp. 159-178. https://doi.org/10.1007/978-3-030-76609-2_8
24. Baker A.J.M. Accumulators and Excluders - Strategies in the Response of Plants to Heavy Metals. Journal of Plant Nutrition, 1981, vol. 3, iss. 1-4, pp. 643-654. https://doi.org/10.1080/01904168109362867
25. Bashir K., Rasheed S., Kobayashi T., Seki M., Nishizawa N.K. Regulating Subcellular Metal Homeostasis: The Key to Crop Improvement. Frontiers in Plant Science, 2016, vol. 7, art. no. 1192. https://doi.org/10.3389/fpls.2016.01192
26. Clemens S. Molecular Mechanisms of Plant Metal Tolerance and Homeostasis. Planta, 2001, vol. 212, pp. 475-486. https://doi.org/10.1007/s004250000458
27. Garbe-Schönberg C.D., Reimann C., Pavlov V.A. Laser Ablation ICP-MS Analyses of Tree-Ring Profiles in Pine and Birch from N Norway and NW Russia - a Reliable Record of the Pollution History of the Area? Environmental Geology, 1997, vol. 32, pp. 9-16. https://doi.org/10.1007/s002540050188
28. Grant C.A., Buckley W.T., Bailey L.D., Selles F. Cadmium Accumulation in Crops. Canadian Journal of Plant Science, 1998, vol. 78, no. 1, pp. 1-17. https://doi.org/10.4141/P96-100
29. Hänsch R., Mendel R.R. Physiological Functions of Mineral Micronutrients (Cu, Zn, Mn, Fe, Ni, Mo, B, Cl). Current Opinion in Plant Biology, 2009, vol. 12, iss. 3, pp. 259-266. https://doi.org/10.1016/j.pbi.2009.05.006
30. Huettl R.F. Mg Deficiency - A “New” Phenomenon in Declining Forests - Symptoms and Effects, Causes, Recuperation. Forest Decline in the Atlantic and Pacific Region. Berlin, Heidelberg, Springer, 1993, pp. 97-114. https://doi.org/10.1007/978-3-642-76995-5_7
31. Kashulina G., Reimann C., Salminen R., Chekushin V., Bogatyrev I. Chemical and Physical Degradation of Natural Soils in Northwestern Europe: Results of Large-Scale Regional Studies. 18th World Congress of Soil Science, 2006. Available at: https://crops.confex.com/crops/wc2006/techprogram/P15756.HTM (accessed 13.09.22).
32. Kuboi T., Noguchi A., Yazaki J. Family-Dependent Cadmium Accumulation Characteristics in Higher Plants. Plant and Soil, 1986, vol. 92, pp. 405-415. https://doi.org/10.1007/BF02372488
33. Ladanai S., Ågren G.I., Olsson B.A. Relationships Between Tree and Soil Properties in Picea abies and Pinus sylvestris Forests in Sweden. Ecosystems, 2010, vol. 13, pp. 302-316. https://doi.org/10.1007/s10021-010-9319-4
34. Manual on Methods and Criteria for Harmonized Sampling, Assessment, Monitoring and Analysis of the Effects of Air Pollution on Forests. Part IV. Sampling and Analysis of Needles and Leaves. United Nations Economic Commission for Europe, Convention on Long-Range Transboundery Air Pollution, International Co-operative Programme on Assessment and Monitoring of Air Pollution Effects on Forests, 2000. Available at: https://www.icp-forests.org/pdf/manual/2000/manual4.pdf (accessed 19.07.19).
35. McKinney W. Pandas: a Foundational Python Library for Data Analysis and Statistics. Python for High Performance and Scientific Computing, 2011, vol. 14, no. 9, pp. 1-9.
36. Reimann C., Arnoldussen A., Boyd R., Finne T.E., Koller F., Nordgulen Ø., Englmaier P. Element Contents in Leaves of Four Plant Species (Birch, Mountain Ash, Fern and Spruce) along Anthropogenic and Geogenic Concentration Gradients. Science of the Total Environment, 2007, vol. 377, iss. 2-3, pp. 416-433. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2007.02.011
37. Reimann C., Banks D., de Caritat P.D. Impacts of Airborne Contamination on Regional Soil and Water Quality: The Kola Peninsula, Russia. Environmental Science & Technology, 2000, vol. 34, iss. 13, pp. 2727-2732. https://doi.org/10.1021/es9912933
38. Reimann C., Koller F., Frengstad B., Kashulina G., Niskavaara H., Englmaier P. Comparison of the Element Composition in Several Plant Species and their Substrate from a 1 500 000-km2 Area in Northern Europe. Science of the Total Environment, 2001, vol. 278, iss. 1-3, pp. 87-112. https://doi.org/10.1016/S0048-9697 (00)00890-1
39. Reimann C., Koller F., Kashulina G., Niskavaara H., Englmaier P. Influence of Extreme Pollution on the Inorganic Chemical Composition of Some Plants. Environmental Pollution, 2001, vol. 115, iss. 2, pp. 239-252. https://doi.org/10.1016/S0269-7491 (01)00106-3
40. Reimann C., Fabian K., Flem B., Andersson M., Filzmoser P., Englmaier P. Geosphere-Biosphere Circulation of Chemical Elements in Soil and Plant Systems from a 100 km Transect from Southern Central Norway. Science of the Total Environment, 2018, vol. 639, pp. 129-145. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2018.05.070
41. Reimann C., Ottesen R.T., Andersson M., Arnoldussen A., Koller F., Englmaier P. Element Levels in Birch and Spruce Wood Ashes - Green Energy? Science of the Total Environment, 2008, vol. 393, iss. 2-3, pp. 191-197. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2008.01.015
42. Sucharová J., Suchara I., Reimann C., Boyd R., Filzmoser P., Englmaier P. Spatial Distribution of Lead and Lead Isotopes in Soil B-Horizon, Forest-Floor Humus, Grass (Avenella flexuosa) and Spruce (Picea abies) Needles across the Czech Republic. Applied Geochemistry, 2011, vol. 26, iss. 7, pp. 1205-1214. https://doi.org/10.1016/j.apgeochem.2011.04.009
43. Terpilowski M.A. Scikit-Posthocs: Pairwise Multiple Comparison Tests in Python. JOSS: The Journal of Open Source Software, 2019, vol. 4, no. 36, art. no. 1169. https://doi.org/10.21105/joss.01169
44. Trimbacher C., Weiss P. Norway Spruce: A Novel Method using Surface Characteristics and Heavy Metal Concentrations of Needles for a Large-Scale Monitoring Survey in Austria. Water Air, and Soil Pollution, 2004, vol. 152, pp. 363-386. https://doi.org/10.1023/B:WATE.0000015368.95867.02
45. Virtanen P., Gommers R., Oliphant T.E., Haberland M., Reddy T., Cournapeau D., Burovski E., Peterson P., Weckesser W., Bright J., van der Walt S.J., Brett M., Wilson J., Millman K.J., Mayorov N., Nelson A.R.J., Jones E., Kern R., Larson E., Carey C.J., Polat İ., Feng Y., Moore E.W., VanderPlas J., Laxalde D., Perktold J., Cimrman R., Henriksen I., Quintero E.A., Harris C.R., Archibald A.M., Ribeiro A.H., Pedregosa F., van Mulbregt P., SciPy 1.0 Contributors. SciPy 1.0: Fundamental Algorithms for Scientific Computing in Python. Nature Methods, 2020, vol. 17, pp. 261-272. https://doi.org/10.1038/s41592-019-0686-2