БИОГЕОХИМИЧЕСКАЯ МИГРАЦИЯ ЭЛЕМЕНТОВ В СОВРЕМЕННЫХ СТЕПНЫХ ЛАНДШАФТАХ 

BIOGEOCHEMICAL MIGRATION OF ELEMENTS IN PRESENT STEPPE LANDSCAPES 

И.Ю. Кудреватых, П.И. Калинин, А.О. Алексеев

I.Yu. Kudrevatykh, P.I. Kalinin, A.O. Alekseev

Институт физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН

(Россия. 142290, Московская область, г. Пущино, Институтская, 2) 

Institute of Physical-Chemical and Biological Problems in Soil Science Russian Academy of Sciences

(Russia, 142290, Moscow region, Pushchino, Institutskaya Str., 2)

e-mail: averkieva.irina@yandex.ru

Исследовали степные ландшафты республики Калмыкия и Ростовской области. В изученных растениях при варьировании экологических условий содержание элементов убывает в следующем ряду: Са>Al>Fe>К>S>P>Mg>Ti>Mn >Sr>Ba >Zn >Ni. По концентрации элементов достоверно отличаются надземная части злаков, надземная и подземная часть полыней и подземная часть злаков. Наибольшее содержание Al, Fe, Mg, Mn, Тi, Ba, Zn, Sr показано для злаковых видов, Ca, K, P, S – для полыней.

The steppe landscapes of the Kalmykia Republic and the Rostov Region were investigated. In the studied plants with a change of environment conditions content decreased in the following Са>Al>Fe>К>S>P>Mg>Ti>Mn >Sr>Ba >Zn >Ni. The content of elements between groups of species was significantly different. The highest content of Al, Fe, Mg, Mn, Ti, Ba, Zn, Sr it was in Poaceae, Ca, K, P, S – in Artemisia. 

Современный этап развития биосферы характеризуется сильным антропогенным преобразованием и изменчивостью климата, что ведет к уменьшению доли природных систем в пространственной структуре ландшафтов [3]. Степные ландшафты по уровню самоорганизации и устойчивости из-за небольшого уровня накопления биомассы уступают многим другим природным зонам [1], что при изменении эколого-геохимических параметров приводит к нарушению и достаточно трудному восстановлению их стационарного состояния.

Последние широкомасштабные биогеохимические исследования степных территорий проводились в 60-80 гг. прошлого века [2, 6, 7]. В настоящее время геохимией степной растительности занимаются в основном с целью оценки аккумуляции в ней тяжелых металлов [4, 8] и ее лекарственной значимости [5]. Все это определяет отсутствие современных данных о роли растительности в круговороте основных макро и микроэлементов (не тяжелых металлов) в условиях степных и полупустынных ландшафтов. Данное исследование было нацелено на сравнительный анализ содержания и накопления химических элементов основными видами-эдфикаторами (родов Artemisia L. и Poaceae Barnhart) степных и полупустынных ландшафтов при сочетании различных эколого-геохимических условий.

Объекты и методы. Исследовали степные и полупустынные ландшафты республики Калмыкия и Ростовской области, n = 12. При выборе точек опробования для оценки вариативности содержания химических элементов и их аккумуляции в растительности степей и полупустынь старались максимально учесть факторы, определяющие их поглощение растительностью.

Полевые исследования включали отбор преобладающих видов растительности (виды родов Artemisia L. и Poaceae Barnhart) и почв из основного корнеобитаемого слоя (0-15 см, А₁ до солонцового горизонта). Растения (с корневыми системами) отбирали с площадок 20 см² вместе с почвой под ней. В образцах растений и почвы измеряли концентрацию Р₂О₅, MgO, Al₂O₃, K₂O, CaO, TiO₂, MnO, Fe₂O₃, S, Sr, Ba, Zn и Ni на рентгеновском аппарате «СПЕКТРОСКАН МАКС – GV» по методике измерения массовой доли металлов и оксидов металлов в порошковых пробах методом рентгено-флуоресцентного анализа. В исследуемых почвах дополнительно определяли гранулометрический состав (пирофосфатным методом, ГОСТ 26483-85), рН водной вытяжки (потенциометрическим методом, ГОСТ 24104-80), содержание С_орг по методу Тюрина (ГОСТ 23740-79), CO₃-Ca – ацидиметрическим методом (ГОСТ 26484-85).

Характер распределения элементов в растительности и особенности их накопления разными видами и составными частями изучали при помощи метода неметрического многомерного шкалирования (NMS). С целью интерпретации зависимостей между химическим составом изученной растительности и эколого-геохимическими условиями объектов исследования проводили анализ главных компонент (Principal Component Analysis, PCA). Статистический анализ проводили в программной среде PCord 4.27 и Статистика 10.0.

Результаты. В изученных степных и полупустынных ландшафтах при варьировании экологических условий (количество осадков, температура, засоление почв, положение в мезо- и макро- рельефе и т.п.) характерно достаточно высокое содержание в растениях как полыни, так и злаков Са, Al, Fe и К. В разных типах исследованной растительности и их составных частей содержание других макроэлементов (S, P и Mg) в среднем было в 4-6 раз ниже. Среди микроэлементов самое высоко содержание в растительности показано для Ti и Mn (с минимумом в надземной и максимумом в подземной части злаков). Содержание Sr и Ba в изученной растительности было в среднем в 3 раза, Zn в 6 раз, а Ni в 10 раз ниже по сравнению с таковым Ti и Mn.

На основе метода NMS показано, что по совокупным признакам концентрации изученных элементов в растительности выделяются 3 группы, достоверно отличающиеся друг от друга (106 значений): 1. надземная часть злаков 2. надземная и подземная часть полыней 3. подземная часть злаков. Это указывает на разность поглощения элементов растениями родов Artemisia L. и Poaceae Barnhart.

Статистическим анализом так же были оценены стратегии накопления элементов подземной и надземной частями полыней и злаков (n = 23, 26, 32 и 25 соответственно). Выявлено, что накопление Al, Fe, Mg, Mn, Тi, Ba, Zn, Sr в исследуемой растительности идет по стратегии 1: подземная часть злаков > подземная часть полыней > надземная часть полыней > надземная часть злаков (рис. 3); Ca, K, P, S по стратегии 2: надземная часть полыней>подземная часть полыней > подземная часть злаков > надземная часть злаков.

По результатам анализа главных компонент, вклад первого фактора в общую дисперсию экспериментальных данных составил 44%, а второго – 18%. Показано, что факторы эколого-геохимических условий (температура, осадки, засоление почв, рельеф) не коррелируют с осями двух главных факторов. Элементы Zn, Fe, Mn, Al, Mg, Sr, Ba Ti характеризуются высокой корреляцией (r = 0,72-0,97) с осью первого фактора. Ось второго фактора значимо и отрицательно коррелирует (r = -0,75-0,85) с S, P и K. Отмечено, что вдоль оси первого фактора (увеличение содержания большинства элементов) распределяются точки подземной части злаков, а ось второго фактора составляют - надземная и подземная часть полыней, что согласуется и с данными NMC анализа. Следует отметить, что направление в сторону увеличения количества осадков совпадает с концентрацией точек надземной части злаков, а засоление почв – с содержанием Ca в растительности. 

Работа выполнена при частичной финансовой поддержке грантов РФФИ №№18-05-00869А, 18-04-00800А. 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Базилевич Н.И. Биологическая продуктивность экосистем Северной Евразии. М.: Наука, 1993. 293 с.
2. Богданов А.Ю. Химизм и энергия фитомассы основных сообществ песков Северного Прикаспия. М.: Наука, 1978. 128 с.
3. Гаврилкина С.В. Реакция пространственной структуры ландшафта высокогорного массива Монгун – Тайга (западная Тува) на изменение климата: Дисс. … канд. геогр. наук. СПб, 2015. 102 с.
4. Давыдова Н.Д. Трансформация аэротехногенных потоков веществ в степных ландшафтах В кн.: Геохимия ландшафтов / Под ред. Н.С. Касимова, А.Н. Геннадиева. М.: АПР, 2017. С. 297-328.
5. Игамбердиева П.К., Осинская Н.С. Исследование минерального комплекса вегетативной части Stevia rebaundiana и Artemisia scoparia Waldst et Kit. // Химия растительного сырья. 2010. № 4. С. 121-124.
6. Мордкович В.Г., Шатохина Н.Г., Титлянова А.А. Степные катены. Новосибирск: Наука, 1985. 118 с.
7. Перельман А.И., Касимов Н.С. Геохимия ландшафта: Учеб. пособие. Изд. 3-е, перераб. и доп. М.: Астрея-2000, 1999. 768 с.
8. Уфимцева М. Д. Закономерности накопления химических элементов высшими растениями и их реакции в аномальных биогеохимических провинциях // Геохимия. 2015. № 5. С. 450-465.