CC BY
53
УДК 630*18 (470.343)
Ю. П. Демаков, С. М. Швецов, В. И. Таланцев, К. К. Калинин
ДИНАМИКА СОДЕРЖАНИЯ ЗОЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ В ГОДИЧНЫХ СЛОЯХ СТАРОВОЗРАСТНЫХ СОСЕН, ПРОИЗРАСТАЮЩИХ В ПОЙМЕННЫХ БИОТОПАХ
Приведены данные, характеризующие зольный состав годичных колец старовозрастных деревьев сосны обыкновенной и динамику с 1850 по 2009 гг. содержания в них 11 различных металлов. Показано, что содержание ряда металлов в древесине и соотношения содержания разных элементов закономерно изменяются с возрастом деревьев.
Ключевые слова: сосна обыкновенная, древесина, зольные элементы, факторы вариабельности.
Введение. Усиление антропогенной нагрузки на леса и ухудшение их состояния обусловили необходимость ведения экологического мониторинга, эффективность которого во многом зависит от правильности выбора объектов и диагностических параметров. Одним из основных носителей информации о состоянии лесных экосистем являются, безусловно, деревья, а ее источником - годичные кольца. Закодированная в них информация, представляющая собой смесь сведений о динамике состояния самого дерева, его биотического окружения и внешней среды, требует «расшифровки» и глубокого анализа. Применяемые в настоящее время приемы и методы позволяют, однако, расшифровать лишь часть этой информации [1, 2]. Весьма перспективной может оказаться оценка содержания в них зольных элементов и анализ сопряженности его с радиальным приростом деревьев, поскольку химический состав их тканей изменяется в зависимости от погодных и лесорастительных условий, а также антропогенного воздействия [3-9].
Цель работы - изучение зольного состава годичных слоев древесины сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L), выявление закономерностей его динамики и взаимосвязей между химическими элементами.
Материал и методика. Исходный материал представлен кернами древесины, взятыми с 47 деревьев сосны возрастом от 40 до 175 лет в сложных по составу и возрастной структуре насаждениях, произрастающих на дерновых среднеглинистых аллювиально-слабоподзолистых пойменных почвах в ТЛУ D2-3 в лесопарках г. Йошкар-Олы (Сосновая роща - 17 деревьев, Дубовая роща - 30 деревьев).
На кернах сначала было проведено измерение ширины годичных слоев с погрешностью ± 0,05 мм. После этого их разделяли на слои по 20-летиям, высушивали до абсолютно сухого состояния при температуре 110°С, измельчали, взвешивали и сжигали в муфельной печи при температуре 450°С. Содержание элементов в золе определяли на атомно-абсорбционном спектрометре AAnalyst 400. Подготовку образцов к анализу проводили по типовым методикам [10, 11]. Для пересчета содержания элемента в сухом образце использовали формулу СЭ = Ср^р-Мз / МНМС , где СЭ - содержание элемента в сухом образце, мг/кг; СР - концентрация элемента в растворе, мг/л; VP - объем раствора, в котором была растворена зола (50 мл для Ca, K, Mg, Mn, Zn, Fe, Cu и 25 мл для Pb, Ni, Cd и Со); МЗ -масса золы, г; МН - масса навески, г; МС - масса высушенного образца, г. Цифровой материал обработан на ПК с использованием стандартных методов математической статистики [12].
© Демаков Ю. П., Швецов С. М., Таланцев В. И., Калинин К. К., 2011.
Результаты и обсуждение. Анализ полученного материала показал, что более всего содержится в древесине кальция (табл. 1), являющегося основой оболочки клеток. За ним следуют магний и калий, участвующие в процессе метаболизма. На порядок меньше содержится в образцах железа, марганца, цинка и меди. Замыкают ранговый ряд металлов N1, Cd, РЬ и Со. Содержание металлов в образцах варьирует в довольно больших пределах. Особенно высока изменчивость содержания в древесине никеля. Меньше всего изменяется содержание золы, Zn, Са, Си, Cd и Fe. Связь между содержанием металлов в образцах и коэффициентом его вариации практически отсутствует. Содержание элементов в древесине сосен в определенной мере зависит как от особенностей биотопов, так и периода времени образования годичных слоев (табл. 2). Содержание Са, Mg, Мп и Cd в лесопарке «Сосновая роща» достоверно выше, а РЬ ниже, чем в лесопарке «Дубовая роща» (табл. 3). Причина этого различия является не вполне ясной, требующей дальнейших исследований.
Т а б л и ц а 1
Изменчивость содержания химических элементов в древесине сосен
Элемент Значения статистических показателей*
мх min max Sx mx V, % Р, %
Зола 0,31 0,24 0,52 0,07 0,02 21,1 5,3
Са 803,4 595,4 1617,3 243,7 60,9 30,3 7,6
Мв 287,6 143,8 639,8 121,0 30,2 42,1 10,5
К 251,7 126,7 483,9 121,3 30,3 48,2 12,1
Fe 33,3 18,5 59,8 12,3 3,1 37,1 9,3
Мп 11,0 6,3 27,9 4,9 1,2 44,8 11,2
Zn 4,16 2,84 8,38 1,23 0,31 29,5 7,4
Си 1,12 0,75 2,18 0,35 0,09 31,7 7,9
N1 0,51 0,03 3,21 0,96 0,24 186,4 46,6
Са 0,13 0,058 0,233 0,048 0,012 35,4 8,8
РЬ 0,11 0,019 0,242 0,057 0,014 51,2 12,8
Со 0,11 0,061 0,255 0,046 0,012 41,9 10,5
Примечание: содержание золы выражено в %, а остальных элементов - в мг/кг абсолютно сухой массы древесины.
Т а б л и ц а 2
Факторы дисперсии содержания элементов в древесине сосен
Элемент Фактор дисперсии и доля его влияния
Условия биотопа ( F0,05 = 5,59 ) Период времени ( F0,05 = 3,79 ) Доля ошибки, %
F факт. Доля влияния, % F факт. Доля влияния, %
Зола 3,74 16,1 1,79 53,8 30,1
Са 8,26 10,7 8,90 80,3 9,0
Мв 13,70 18,9 7,39 71,4 9,7
К 0,63 1,2 6,39 85,4 13,4
Fe 0,12 0,6 1,76 63,4 36,0
Мп 6,05 24,2 1,71 47,9 28,0
Zn 1,92 7,0 2,62 67,3 25,7
Си 4,90 11,5 4,36 72,0 16,5
N1 0,12 0,0 35,96 97,2 2,7
Са 15,66 9,3 20,69 86,5 4,2
РЬ 20,69 66,0 0,52 11,6 22,3
Со 2,95 5,1 6,86 82,8 12,1
Т а б л и ц а 3
Содержание золы и металлов в древесине сосны обыкновенной пойменных биотопов
Временной интервал Средний возраст, лет* Содержание элементов в древесине, мг/кг абсолютно сухой массы
Зола, % Са Mg К Fe Мп Zn Си № Cd РЬ Со
Дубовая роща
1850-1869 гг. 7 0,29 1097,4 437,7 184,5 24,32 10,580 4,719 1,247 0,052 0,093 0,144 0,175
1870-1889 гг. 14 0,26 727,3 196,0 146,9 53,63 8,593 3,876 0,978 0,101 0,087 0,161 0,084
1890-1909 гг. 25 0,24 595,4 151,1 132,1 34,05 7,837 3,220 0,861 2,623 0,058 0,164 0,081
1910-1929 гг. 39 0,24 681,4 143,8 126,7 25,98 9,478 2,837 0,777 0,153 0,099 0,126 0,061
1930-1949 гг. 54 0,27 657,2 172,5 182,5 18,52 9,302 3,477 0,752 0,583 0,151 0,242 0,073
1950-1969 гг. 71 0,32 717,0 233,3 292,5 28,14 9,371 4,495 0,938 0,167 0,182 0,141 0,093
1970-1989 гг. 91 0,32 673,2 284,9 361,1 27,57 7,884 4,404 1,058 0,377 0,170 0,150 0,114
1990-2009 гг. 111 0,35 662,1 273,9 483,9 46,34 6,271 3,764 1,394 0,207 0,122 0,111 0,117
Среднее - 0,29 726,4 236,7 238,8 32,32 8,665 3,849 1,001 0,533 0,120 0,155 0,100
Минимум - 0,24 595,4 143,8 126,7 18,52 6,271 2,837 0,752 0,052 0,058 0,111 0,061
Максимум - 0,35 1097,4 437,7 483,9 53,63 10,580 4,719 1,394 2,623 0,182 0,242 0,175
Сосновая роща
1850-1869 гг. 16 0,52 1617,3 639,8 415,9 59,81 27,870 8,384 2,181 0,156 0,156 0,042 0,255
1870-1889 гг. 23 0,30 826,2 285,4 150,3 36,46 10,680 4,083 1,315 0,117 0,106 0,067 0,112
1890-1909 гг. 32 0,29 769,3 255,6 147,3 25,32 9,759 3,944 1,045 3,214 0,088 0,083 0,102
1910-1929 гг. 49 0,29 768,0 287,8 176,3 23,41 9,551 3,584 0,879 0,056 0,101 0,101 0,101
1930-1949 гг. 68 0,29 776,8 373,2 220,9 22,17 11,220 3,838 0,851 0,026 0,162 0,045 0,104
1950-1969 гг. 76 0,32 806,1 301,1 226,1 26,59 15,110 4,375 1,027 0,058 0,233 0,019 0,092
1970-1989 гг. 83 0,32 750,0 292,2 321,3 31,17 12,660 4,163 1,128 0,130 0,195 0,088 0,093
1990-2009 гг. 103 0,37 729,2 273,0 458,3 48,75 10,030 3,473 1,443 0,182 0,146 0,082 0,100
Среднее - 0,34 880,4 338,5 264,6 34,21 13,360 4,481 1,234 0,492 0,148 0,066 0,120
Минимум - 0,29 729,2 255,6 147,3 22,17 9,551 3,473 0,851 0,026 0,088 0,019 0,092
Максимум - 0,52 1617,3 639,8 458,3 59,81 27,870 8,384 2,181 3,214 0,233 0,101 0,255
* отображен средний возраст деревьев в выборке в пределах конкретного временного интервала.
Существенно различаются между собой, как свидетельствуют приведенные данные, годичные слои древесины разных лет по содержанию в них Са, Mg, К, Си, №, Cd и Со. В этом случае можно предположить несколько версий изменения содержания металлов в древесине, обусловленного:
1) неодинаковой интенсивностью протекания физиологических процессов деревьев и потребления ими элементов питания в разном возрасте;
2) поступлением химических веществ в лесные экосистемы из каких-либо внешних источников;
3) комплексом внешних и внутренних факторов, а также взаимоотношением элементов между собой, приводящих к ингибированию или усилению их потребления растениями.
Если принять в качестве исходной гипотезы первое предположение, то должна прослеживаться связь между содержанием зольных элементов в годичных слоях и возрастом деревьев, описываемая гладкой математической функцией, не имеющей резких переломов и многих перегибов. Расчеты показали, что довольно четко изменяется с возрастом деревьев зольность древесины и содержание в ней калия (рис. 1). Эти зависимости хорошо аппроксимируют следующие полиномы:
- по зольности 7 = 0,30 - 0,27 Х + 0,56Х2 - 0,24 Х3; R2 = 0,748;
- по содержанию калия У = 183,0 - 279,7Х + 514,7Х2; R2 = 0,966;
где 7 - зольность слоя древесины, %; У - содержание в древесине калия, мг/кг абсолютно сухой массы; Х = А/100; А - возраст слоя древесины, лет.
о я л ч о со
0,35 -
0,25 -
0,15
20
40
60
80
100
120
Я Я
й N
а
«
о О
500
400
300
200
100 -
20
40
60
80
100
120
Возраст деревьев, лет
Возраст деревьев, лет б
Рис. 1. Динамика зольности древесины сосен (а) и содержания в ней калия (б)
Приведенные графики показывают, что минимум зольности древесины и содержания в ней калия приходится на возраст 25-30 лет. По мере дальнейшего увеличения возраста деревьев значения показателей неуклонно возрастают. Из общего ряда показателей значительно отклоняется в сторону увеличения значения одна точка по Сосновой роще, относящаяся к самому молодому возрасту. Это связано, по всей вероятности, с особенностями эдафических условий и происхождением древостоя, возникшего, как можно предполагать, на месте заброшенных сельскохозяйственных угодий, о чем свидетельствует преобладание в насаждениях сосны в несвойственных для нее условиях произрастания. В Дубовой же роще деревья сосны встречаются лишь единично, что указывает на сукцессионную зрелость лесных биогеоценозов. Такой характер изменения показателей связан, возможно, с разной интенсивностью роста деревьев в различные периоды их возраста (рис. 2). Так, в лесопарке «Сосновая роща» наибольший годичный прирост отмечался в самом молодом возрасте. Этот факт служит дополнительным свидетельством возникновения древостоя на не покрытых лесом землях. В Дубовой роще ход роста деревьев иной, и коэффициент корреляции между рядами значений составляет 0,788. Расчеты показали, что связь зольности
0,40
0,30
0,20
0
0
0
древесины и содержания в ней калия с шириной годичных колец менее тесная, чем с возрастом деревьев. Таким образом, можно утверждать, что изменение значений показателей связано не с абсолютной величиной годичного прироста деревьев, а с неодинаковым потреблением элементов питания в разном возрасте для построения тканей древесины: минимум зольности древесины и содержания в ней калия приходится на возраст 25-30 лет, но прирост в это время максимален.
Дубовая роща
4,5 -|
а 4,0 -а
, 3,5 -
§ 3,0 -
& 2,5 -
& 2,0
« 1,5 л
В 1,0
| 0,5 Н О
1-4 0,0
1850/69 1870/89 1890/09 1910/29 1930/49 1950/69 1970/99 2000/09
Годы
Рис. 2. Динамика радиального прироста деревьев сосны в биотопах
Содержание Сё, Си, Zn и Fe в древесине изменяется волнообразно (рис. 3), что аппроксимируют следующие периодические функции:
- по кадмию Y = 0,055■*т(2■ пА/103 + 2,99) + 0,139; Я2 = 0,752;
- по меди Y = 0,33*т(2■ лА/152 + 2,59) + 1,157; Я2 = 0,708;
- по цинку Y = 0,56■т(2 ■ л А/80 + 1,46) + 3,85; Я2 = 0,604;
- по железу Y = 12,31 *т(2 ■ л А/98 + 0,92) + 31,2; Я2 = 0,549;
где Y - содержание в древесине элемента, мг/кг абсолютно сухой массы; А - возраст слоя древесины, лет. Волнообразно, с периодом 174 года изменяется и содержание в древесине золы. Причина периодичности изменения содержания элементов пока не ясна и требует дальнейших исследований.
о О
0,20
0,15
0,05
0,00
20
40
60
80
100
120
О
О
5,0 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0
Возраст деревьев, лет
Возраст деревьев, лет б
Рис. 3. Динамика содержания кадмия (а) и цинка в древесине сосен (б)
Содержание Са, М§, Мп, РЬ и Со изменяется бессистемно, флуктуируя вокруг среднего уровня (рис. 4). Исключением является период времени с 1850 по 1869 гг., представленный небольшим числом образцов и малой навеской, обусловившей погрешность полученных результатов анализа. Кардинальные отличия имеет динамика никеля, у которого отмечается резкое увеличение содержания в 1890-1909 гг. (в Дубовой роще в 11,2 раза по сравнению с фоном, а в Сосновой роще - в 31 раз!), сопоставимого с содержанием этого металла в деревьях, произрастающих вблизи металлургического комбината [6, 8]. Причина данного
0,25
0,10
0
0
феномена не совсем ясна и связана с какими-то природными явлениями (возможно, с выпадением метеорных дождей, в которых содержится много никеля), но не с антропогенной деятельностью, поскольку этот металл в то время еще широко не использовался, да и промышленность на данной территории тогда практически отсутствовала.
«
н
о
«
й
й Щ
«
о О
2,0 1
1,5 -
1,0 -
0,5
0,0
□Кальций ОМагний ВМарганец
1850/69 1870/89 1890/09 1910/29 1930/49 1950/69 1970/99 2000/09
Годы
6,0 1
щ «
н
о
«
Й U
5,0
4,0
3,0 -
2,0
й
<u
«
о О
В Свинец
Шикель ВКобальт
1850/69 1870/89 1890/09 1910/29 1930/49 1950/69
Годы
1970/99 2000/09
Рис. 4. Динамика относительного содержания различных металлов в древесине сосен
Установленная некоторыми исследователями [3,5] связь между величиной прироста деревьев и уровнем зольности древесины, а также содержанием в ней кальция не подтвердилась. Выявлена положительная умеренная связь прироста с содержанием К, Mg, Fe, а отрицательная - с содержанием №. Содержание в древесине большинства металлов практически не связано с величиной текущего радиального прироста деревьев, но тесно коррелирует между собой, а также с величиной зольности (табл. 4), что свидетельствует о высокой сбалансированности химического состава древесины, в отличие от химического состава хвои [9]. Особенно тесные связи отмечаются между содержанием Со и Са, Zn и Са, Mg и Са, Со и Mg, Со и Zn. Зависимости, которые можно использовать для оценки содержания одного элемента по содержанию другого, отображаются следующими уравнениями: [Со] = 10-5-2,83-[Са]1Д34 ; R2 = 0,894; ^п] = 10-3-8,06-[Са](
*-3 о м r/-„-i°,934 . r2 = 0,855;
-4.n.r™~,°,992 ; R2 = 0,888;
[Co] = 10-3,97-[Mg] [Co] = 10-2-1,89-[Zn]
-2 m i rr^-iu88 ; r2 = 0,841;
[Mg] = 10-2-10,1-[Ca]
-2 i on ^„-.u25 ; r2 = 0,839;
[Cu] = 5,2-[Z]
1,322 . tj2
R2 = 0,845;
где [Со], [Zn], [Mg], [Си] - содержание в древесине соответствующего элемента, мг/кг; - содержание золы в древесине, %.
0
Т а б л и ц а 4
Матрица коэффициентов корреляции между содержанием элементов в древесине
Элемент Значения коэффициентов корреляции между элементами
Зола Ca Mg K Fe Mn Zn Cu Ni Cd Pb
Зола 1,00
Са 0,77 1,00
Mg 0,81 0,92 1,00
К 0,75 0,24 0,42 1,00
Fe 0,62 0,43 0,35 0,52 1,00
Мп 0,80 0,90 0,81 0,26 0,41 1,00
Zn 0,86 0,93 0,88 0,40 0,49 0,89 1,00
Си 0,92 0,81 0,80 0,64 0,75 0,72 0,82 1,00
№ -0,26 -0,21 -0,29 -0,33 -0,15 -0,19 -0,18 -0,19 1,00
Сё 0,40 0,10 0,26 0,46 -0,11 0,36 0,29 0,12 -0,47 1,00
РЬ -0,49 -0,41 -0,54 -0,25 -0,23 -0,53 -0,37 -0,46 0,16 -0,36 1,00
Со 0,81 0,94 0,94 0,41 0,47 0,77 0,92 0,87 -0,17 0,05 -0,35
Между содержанием в древесине части элементов, как свидетельствуют приведенные данные, наблюдается отрицательная корреляция, что свидетельствует об их антагонистических отношениях между собой. В этом плане выделяются никель, а особенно свинец, которые ингибируют потребление деревьями таких элементов, как кальций, калий, магний, марганец, медь и цинк, играющих важную роль в протекании физиологических процессов [13, 14]. Так, основная функция кальция состоит в поддержании структуры рибосом, в которых происходит синтез белка, а также в стабилизации других клеточных структур, т.к. его ионы являются своеобразными «мостиками», связывающими между собой молекулы липидов. Соединения кальция с пектиновыми веществами склеивают оболочки соседних клеток. Он, в отличие от других элементов, в растениях малоподвижен, практически не ре-утилизируется и накапливается в стареющих органах. Калий участвует в синтезе углеводов и большинстве ферментативных процессов, происходящих в тканях растений, повышает водоудерживающую способность цитоплазмы, интенсивность фотосинтеза и отток ассими-лянтов. Он накапливается в основном в молодых тканях растений, не образуя прочных органических соединений, а вступает лишь в слабые адсорбционные взаимодействия с белками и в обменные реакции с органическими кислотами. Магний играет существенную роль в обмене веществ, особенно в молодых органах растений. Он входит в состав хлорофилла, активирует ферменты, переносящие фосфат с АТФ на молекулу сахара. Марганец принимает активное участие в окислительных процессах, восстановлении нитратов в процессе фотосинтеза, входит в состав многих окислительных ферментов растений, принимает участие в тканевом дыхании. Его недостаток проявляется в возникновении мелких, сначала светлых, а потом коричневых пятен между жилками молодых листьев. Медь активирует витамины группы В, влияет на белковый и углеводный обмен, защищает от распада хлорофилл, способствует синтезу белка. При недостатке меди бледнеет листовая пластинка (хлороз) и отмирают мягкие ткани листа. Цинк играет важную роль в процессе тканевого дыхания. Он входит в состав хлоропластов и участвует в фотосинтезе.
По характеру динамики значений все элементы объединяются между собой в три кластера (рис. 5). Наиболее представительный кластер слагают зола и шесть металлов: Са, М§, Мп, Zn, Си и Со. Во второй кластер входят три металла: К, Fe и Сё. Отдельный кластер составляют никель и свинец.
Важным условием нормального протекания физиологических и биохимических процессов у деревьев является сбалансированность химического состава их тканей, поскольку
одни из элементов могут либо инги-бировать, либо стимулировать поглощение растениями других [6,7,13,15]. Так, к примеру, железо антагонистически взаимодействует с цинком и марганцем: увеличение его содержания приводит к обеднению тканей растений этими металлами. Уменьшение содержания цинка может быть обусловлено повышением содержания меди. Недостаток тепла и влаги приводит, по данным А. Ф. Четверикова [5], к снижению прироста и уменьшению отношения содержания в древесине калия к кальцию, возрастающего по мере улучшения условий роста деревьев.
Результаты нашего исследования показали, что величина соотношения содержания химических элементов в древесине довольно изменчива (табл. 5).
Т а б л и ц а 5
Изменчивость соотношения содержания металлов в древесине сосен
Соотношение элементов Значения статистических показателей
Mx min max Sx mx V, % Р, %
Ca/K 3,75 1,37 5,95 1,48 0,37 39,4 9,9
Ca /Mg 2,98 2,08 4,74 0,71 0,18 24,0 6,0
K/Mg 0,92 0,42 1,77 0,40 0,10 43,7 10,9
K/Fe 7,8 2,7 13,1 2,9 0,7 37,2 9,3
K/Mn 25,4 13,4 77,2 17,2 4,3 67,8 17,0
K/Zn 61,4 36,8 132,0 30,1 7,5 49,0 12,3
K/Cu 224,1 114,3 347,1 78,0 19,5 34,8 8,7
Mg/Fe 9,34 3,65 18,00 4,06 1,01 43,4 10,9
Mg/Mn 27,0 15,2 43,7 8,1 2,0 30,2 7,5
Mg/Zn 67,9 46,9 97,2 15,3 3,8 22,5 5,6
Mg/Cu 257,4 175,5 438,5 70,9 17,7 27,5 6,9
Fe/Mn 3,32 1,76 7,39 1,62 0,41 48,8 12,2
Fe/Zn 8,20 5,15 14,04 2,98 0,74 36,3 9,1
Zn/Cu 3,82 2,41 4,79 0,65 0,16 17,0 4,2
Наиболее сильно варьирует величина пропорций K/Mn, K/Zn, Fe/Mn, K/Mg и Mg/Fe. Меньше всего изменяются соотношения Zn/Cu, Mg/Zn, Ca/Mg и Mg/Cu. Соотношения K/Mg, Mg/Zn и Fe/Mn существенно различаются по биотопам (табл. 6): значения K/Mg и Fe/Mn в Дубовой роще выше, чем в Сосновой, а Mg/Zn, наоборот, ниже. Соотношения Ca/K, K/Mg, K/Fe, K/Mn, K/Zn и K/Cu достоверно различаются по периодам времени (рис. 6), что аппроксимируют следующие нелинейные уравнения регрессии:
[Ca/K]=4,12-exp(-1,875-X3,059)+1,0; R2=0,862; [K/Mn]=0,14-exp(5,474-X)+15,5; R2=0,914; [K/Mg]=0,83-X3,212+0,65; R2=0,777; [K/Zn]=2,08-exp(3,509-X)+36,0; R2=0,938;
[K/Fe]=3,16-sin(2-rc-A/130+3,588)+8,12; [K/Cu]=194,4-[1-exp(2,642 Х3,016)]+148,0;
R2=0,757; R2=0,872;
где [Ca/K] - отношения содержания элементов в древесине; Х = А/100; А - возраст слоя древесины, лет.
Приведенные на графиках данные показывают, что содержание в древесине кальция по отношению к калию убывает по мере старения деревьев, а содержание калия по отноше-
3,5
3,0
2,5
s
я « о 2,0
о
sl 1,5
s 1,0
0,5
0,0
[Ъ
РЬ N Cd Fe К Мп Zn М§ Со Са Си Зола
Рис. 5. Дендрограмма сходства динамики содержания элементов в древесине сосен, построенная способом Варда по матрице коэффициентов корреляции
нию к марганцу, цинку и меди, наоборот, возрастает. Связь пропорций содержания металлов в древесине с шириной годичных колец менее тесная, чем с возрастом деревьев. Этот факт позволяет сделать вывод о том, что изменение значений показателей связано не с абсолютной величиной годичного прироста деревьев, как это считает А.Ф Четвериков [5], а с их возрастом, обусловливающим изменение потребления ими элементов питания для построения тканей древесины. Подтвердить или опровергнуть данное положение можно лишь на основе исследований, проведенных в древостоях разного возраста.
Т а б л и ц а 6
Факторы дисперсии соотношения содержания металлов в древесине сосен
Соотношение элементов Фактор дисперсии и доля его влияния
Условия биотопа ( F0,05 = 5,59 ) Период времени ( F0,05 = 3,79 ) Доля ошибки, %
F факт. Доля влияния, % F факт. Доля влияния, %
Са/К 0,00 0,0 7,62 88,4 11,6
Са/^ 4,89 24,4 1,16 40,7 34,9
K/Mg 7,53 8,2 11,07 84,2 7,6
К^е 0,00 0,0 9,00 90,0 10,0
К/Мп 3,93 6,9 6,56 80,8 12,3
К^п 0,00 0,0 69,47 98,6 1,4
К/Си 0,95 1,1 10,75 90,5 8,4
Mg/Fe 1,75 8,7 1,62 56,5 34,8
Mg/Mn 0,10 1,0 0,52 34,1 64,9
Mg/Zn 5,66 28,5 1,03 36,3 35,2
Mg/Cu 2,68 13,7 1,42 50,6 35,7
Fe/Mn 10,51 15,4 7,28 74,4 10,2
Fe/Zn 0,71 2,0 4,05 78,6 19,4
Zn/Cu 2,34 3,0 9,64 87,9 9,1
6,0
« 5,0 -ей
О 4,0 -(D
К 3,0 ^
к
<D
0 2,0 н о и
О 1,0 -
о О
0,0
0 20 40 60 80 100
Возраст деревьев, лет
120
80
й 70 -
60
« 50
я»
s 40 -
и
<и 0 30
О и 20
и
о о 10
С ) 0
0
а 1 о" и 0 ?
Возраст деревьев, лет
140 120 100 80 60 40 20
0 20 40 60 80 100 120
Возраст деревьев, лет
350 300 250 200 150 100 50 0
0 20 40 60 80 100 120
Возраст деревьев, лет
Рис. 6. Динамика значений соотношения содержания разных металлов в древесине сосен
Выводы.
1. Более всего содержится в древесине кальция, являющегося основой оболочки клеток. За ним следуют магний и калий, участвующие в процессе метаболизма. На порядок меньше содержится в образцах железа, марганца, цинка и меди. Замыкают ранговый ряд металлов №, Сё, РЬ и Со.
2. Содержание металлов в образцах варьирует в довольно больших пределах. Особенно высока изменчивость содержания в древесине никеля. Меньше всего изменяется содержание золы, Zn, Са, Си, Сё и Fe. Связь между содержанием металлов в образцах и коэффициентом его вариации практически отсутствует.
3. Содержание металлов в древесине сосен зависит как от особенностей биотопов, так и периода времени образования годичных слоев. Существенно различаются между собой годичные слои древесины разных лет по содержанию в них золы, Са, Mg, К, Си, №, Сё и Со. Минимум зольности древесины и содержания калия приходится на возраст 25-30 лет; по мере увеличения возраста деревьев показатели неуклонно возрастают. Содержание в древесине кальция по отношению к калию убывает по мере старения деревьев, а содержание калия по отношению к марганцу, цинку и меди, наоборот, возрастает. Содержание в древесине Сё, Си, Zn и Fe изменяется волнообразно. Кардинально отличается от всех металлов динамика содержания никеля, у которого отмечается значительное содержание в 1890-1909 гг., сопоставимого по значениям с деревьями, произрастающими вблизи металлургических производств. Причина этого феномена не ясна.
4. Связь содержания металлов в древесине и величины его пропорций между ними с шириной годичных колец менее тесная, чем с возрастом деревьев, который обусловливает изменение потребления ими элементов питания.
Список литературы
1. Демаков, Ю.П. Диагностика устойчивости лесных экосистем (методологические и методические аспекты) / Ю.П. Демаков. - Йошкар-Ола: Периодика Марий Эл, 2000. - 415 с.
2. Демаков, Ю.П. Возможности дендрохронологии в индикации и прогнозе течения природных и антропогенно обусловленных процессов / Ю.П. Демаков // Математические и физические методы в экологии и мониторинге природной среды: Тр. Междунар. конф. - М.: МГУЛ, 2001. - С. 257-263.
3. Адаменко, В.Н. Химический состав годичных колец деревьев и состояние природной среды / В.Н. Адаменко, Е.Л. Журавлева, А.Ф. Четвериков // Докл. АН СССР. - 1982. - Т. 265, № 2. - С. 507-512.
4. Казимиров, Н.И. Обмен веществ и энергии в сосновых лесах Европейского Севера / Н.И. Казимиров, А.Д. Волков, С.С. Зябченко и др.. - Л.: Наука, 1977. - 304 с.
5. Четвериков, А.Ф. Химический состав годичных слоев прироста деревьев и условия природной среды / А.Ф. Четвериков // Дендрохронология и дендроклиматология. - Новосибирск: Наука, 1986. - С. 126-130.
6. Лянгузова, И.В. Химический состав растений при атмосферном и почвенном загрязнении / И.В. Лян-гузова, О.Г. Чертов // Лесные экосистемы и атмосферное загрязнение. Л.: Наука, 1990. - С. 75-87.
7. Лукина, Н.В. Химический состав хвои сосны на Кольском полуострове / Н.В. Лукина, В.В. Никонов, Х. Райтио // Лесоведение. - 1994. - № 6. - С. 10-21.
8. Ярмишко, В.Т. Сосна обыкновенная и атмосферное загрязнение на Европейском Севере / В.Т. Яр-мишко. - СПб.: НИИ Химии СПбГУ, 1997. - 210 с.
9. Демаков, Ю.П. Хвоя как индикатор состояния сосновых молодняков на олиготрофных болотах / Ю.П. Демаков, М.Г. Сафин, Р.И. Винокурова, В.И. Таланцев, С.М. Швецов // Вестник МарГТУ. Сер.:Лес. Экология. Природопользование. - 2010. - № 3. - С. 95-107.
10. Методика выполнения измерений валового содержания меди, кадмия, цинка, свинца, никеля, марганца, кобальта, хрома методом атомно-абсорбционной спектроскопии. - М.: ФГУ ФЦАО, 2007. - 20 с.
11. Методы определения микроэлементов в почвах, растениях и водах / Под ред. И.Г. Важенина. - М.: Колос, 1974. - 283 с.
12. Афифи, А. Статистический анализ. Подход с использованием ЭВМ / А. Афифи, С. Эйзен. - М.: Мир, 1982. - 488 с.
13. Крамер, П.Д. Физиология древесных растений / П.Д. Крамер, Т.Т. Козловский. - М.: Лесная промышленность, 1983. - 464 с.
14. Веретенников, А.В. Физиология растений с основами биохимии / А.В. Веретенников. - Воронеж: ВГУ, 1987. - 256 с.
15. Лархер, В. Экология растений / В. Лархер. - М.: Мир, 1978. - 384 с.
Статья поступила в редакцию 11.11.11.
Исследования выполнены на научном оборудовании лабораторий ЦКП «Экология, биотехнологии и процессы получения экологически чистых энергоносителей» МарГТУ.
Yu. P. Demakov, S. M. Shvetsov, V. I. Talantsev, K. K. Kalinin
DYNAMICS OF ASH CONSTITUENTS CONTENT IN ANNUAL RINGS OF OLD-GROWTH PINES GROWING AT THE FLOODPLAIN BIOTOPES
The data describing ash content of annual rings of old-growth Scotch pine trees and dynamics of content in it of 11 different metals for a period from 1850 to 2009 are presented. It was revealed that the content of a number of elements in the wood and the ratio of various elements naturally changes with the age of the trees.
Key words: Scots pine, wood, ash constituents, variability factors.
ДЕМАКОВ Юрий Петрович - доктор биологических наук, профессор кафедры управления природопользованием и лесозащиты МарГТУ. Область научных интересов - биогеоценология, дендрохронология. Автор 220 научных и учебно-методических работ, в том числе трех монографий и пяти учебных пособий.
E-mail: [email protected]
ШВЕЦОВ Сергей Михайлович - ст. лаборант кафедры химии, аспирант МарГТУ. Область научных интересов - экология, биогеохимия. Автор пяти публикаций.
E-mail: [email protected]
ТАЛАНЦЕВ Владимир Иванович - инженер кафедры химии, аспирант МарГТУ. Область научных интересов: биогеохимия, физическая химия. Автор пяти публикаций.
E-mail: [email protected]
КАЛИНИН Константин Константинович - доктор сельскохозяйственных наук, профессор кафедры лесоводства МарГТУ. Область научных интересов - исследование последствий влияния лесных пожаров на лесные биогеоценозы и разработка рекомендаций по ликвидации их последствий. Автор более 130 работ.
E-mail: [email protected]
