АГРОХИМИЯ, 2010, № 10, с. 59-67
УДК 546.47:633.2:631.445.51
НАКОПЛЕНИЕ ЦИНКА РАСТЕНИЯМИ ВИДОВ TRIFOLIUM HYBRIDUM L., MEDICAGO SATIVA L., BRASSICA NAPUS L., AVENA SATIVA L. ИЗ ТЕМНО-КАШТАНОВОЙ ПОЧВЫ
© 2010 г. М.С. Панин, М.Т. Койгельдинова
Семипалатинский государственный педагогический институт 071410 Семей, ул. Танирбергенова, 1, Республика Казахстан E-mail: pur@sgpi.kz
Поступила в редакцию 11.02.2010 г.
Проведено сравнительное изучение способности к аккумуляции Zn видами растений Trifolium hybridum L., Medicago sativa L., Brassica napus L., Avena sativa L., произраставшими в модельном опыте на темно-каштановой почве с разными уровнями загрязнения. Выявлено, что наибольшее токсическое действие по отношению к выбранным видам растений наблюдали при цинковой и полиэлементной нагрузке на почву в дозе 3 и 5 ПДК. Установлено, что культуры B.napus L. иA.sativa L. в значительном количестве накапливали Zn при цинковом и полиэлементном загрязнении в дозе 1 ПДК; M. sativa L. -лишь в варианте цинкового загрязнения в дозе 1 ПДК. При этом эти уровни загрязнения не уменьшали биомассу этих растений. Растения T.hybridum L. значительно уменьшали свою продуктивность и отличались сравнительно низкой степенью накопления цинка.
Ключевые слова: цинк, загрязнение почвы, тяжелые металлы, Trifolium hybridum L., Medicago sativa L., Brassica napus L., Avena sativa L.
ВВЕДЕНИЕ
Проблема реабилитации земель, загрязненных тяжелыми металлами (ТМ) актуальна во многих странах мира. Выбор технологии очистки земель обусловлен многими факторами. К ним относятся источники загрязнения, тип токсического соединения и его концентрация, тип почвы, наличие грунтовых вод и количество осадков.
В настоящее время разработан ряд мероприятий по восстановлению почв в сельском хозяйстве, загрязненных подвижными формами ТМ, которые направлены на снижение их токсичности. Это осуществляется путем увеличения их поглотительной способности или изменения величины рН за счет внесения мелиорантов органического и минерального происхождения (торфа, лигнина, навоза, растительных компонентов, извести, глины, цеолитов).
Большинство методов физической и химической детоксикации ТМ в почве требуют значительных капиталовложений (внесение сорбентов-мелиорантов); вызывают нежелательные побочные эффекты (формирование фронта рН при электрохимической ремедиации) и опасность вторичного загрязнения окружающей среды (промывка загрязненного слоя почвы может привести к попаданию ТМ в грунтовые воды) [1, 2]. В качестве альтернативного и более
экологичного подхода к данной проблеме предложен фиторемедиационный способ очистки почв от ТМ.
Цель работы - изучение накопления цинка тест-культурами в условиях модельного загрязнения темно-каштановой почвы.
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ
Для опытов были отобраны образцы среднесуг-линистой темно-каштановой почвы из пахотного горизонта Семипалатинского Прииртышья Республики Казахстан. Определяли следующие физико-химические показатели почвы: содержание гумуса по методу Тюрина со спектрофотометрическим окончанием, рН водной суспензии - потенциомет-рическим методом, содержание обменных оснований, гранулометрический состав почвы по Качин-скому [3], а также оценена буферная устойчивость почвы к загрязнению ТМ по Ильину [4].
По физико-химическим параметрам изученная среднесуглинистая темно-каштановая почва была нейтральной (рН = 7.1), содержание гумуса - 2.57%, физическая глина составляла 15.7%, илистая фракция - 10.2%, ЕКО - 9.63 мг-экв/100 г. Степень бу-ферности почвы к загрязнению ТМ по указанным физико-химическим показателям была средней.
В исходной темно-каштановой почве валовое содержание 2п составило 36.0 мг/кг. Это было в 1.4 раза меньше кларка элемента в почве (50 мг/кг [13]), в 2.4 раза меньше кларка в литосфере (85 мг/кг [13]), в 8.3 раза меньше ПДК по К1оке (300 мг/кг) и в 1.6 раза больше ПДК, установленной в Казахстане (23 мг/кг) [14].
Выбор опытных культур основан на многочисленных литературных данных, свидетельствующих о высокой аккумулирующей способности растений семейств бобовых, крестоцветных, а также злаковых [5-7].
Почву предварительно просеивали через сито с диаметром отверстий 3 мм, тщательно перемешивали и загружали по 1 кг в пластмассовые сосуды. Для моделирования полиэлементного загрязнения нитраты ТМ (Си, 2п, Cd, РЬ) в виде водных растворов вносили в почву совместно; цинкового загрязнения - раздельно. Дозы металлов соответствовали 1, 3, 5 ПДК в перерасчете на металл (мг/кг воздушно-сухой почвы): Си = 100, 300, 500; 2п = = 300, 900, 1500; Cd = 3, 9, 15 [8]; РЬ = 32, 96, 160 [9]. Выравнивание фоновым удобрением по азоту не проводили. Почву компостировали в течение 7 сут при комнатной температуре при полной полевой влагоемкости. Постановку вегетационных опытов провели по методике Журбицкого [10]. Сбор проб растений проводили через 4 нед после всходов. В растениях содержание валового цинка определяли после сухого озоления в муфельной печи при температуре 400-500 °С с последующим растворением золы в концентрированной соляной кислоте. Количество подвижных и потенциально подвижных форм ТМ в почве оценивали по содержанию элемента, переходящего в раствор бидистилированной воды (водорастворимая форма), ацетатно-аммоний-ного буфера рН 4.8 (обменная форма) и 1н. раство-
ра HCl (кислоторастворимая форма). Содержание Zn в почвенных и растительных образцах определяли химическим методом по методике Риньки-са [11] с фотоколориметрическим окончанием. Эксперимент осуществляли в трехкратной повторнос-ти. Статистическую обработку результатов проводили с использованием стандартных методов по программе Excel. Достоверность различий между вариантами опыта оценивали при помощи i-крите-рия Стьюдента [12].
Для характеристики распределения элемента между живым веществом и абиотической средой рассчитан коэффициент биологического поглощения (КБП):
КБП = Сраст: Свал,
где Сраст - содержание элемента в сухой массе растений, Свал - валовое содержание элемента в почве.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
В исследованной почве для форм соединений Zn (абсолютная и относительная величина содержания) был характерен следующий возрастающий ряд (мг/кг): водорастворимая (0.90) < обменная (2.60) < кислоторастворимая (5.70) формы. В исходной почве Zn фиксирован достаточно прочно. При этом относительное содержание этих форм Zn составило от 2.5 до 15.8% от валового.
Известно, что растения в первую очередь поглощают из почвы ТМ, находящиеся в водорастворимой и обменно-сорбированной форме. Этот факт определяет необходимость изучения биологически доступных и потенциально доступных для растений форм ТМ в почве.
Содержание валового Zn и характер распределения мобильных форм Zn в почве представлены
Содержание форм соединений Zn в темно-каштановой почве, мг/кг
Вариант Формы соединений Валовое
1 2 3 содержание
Контроль 0.90±0.037 2.60±0.08 5.70±0.08 36.0±1.7
Zn 1ПДК Zn 3ПДК Zn 5ПДК
10.1±0.41 16.1±0.60 23.8±0.94
Моноэлементное загрязнение
133±4.8 408±1.2 1028±2.7
212±3.5 644±6.12 1205±1.8
Полиэлементное загрязнение
320±1.5 917±20 1525±1.3
1ПДК 14.2±0.40 199±3.3 284±5.8 317±18
3ПДК 49.5±0.89 646±20 762±19.05 916±2.1
5ПДК 272±2.1 1106±23 1291±1.5 1520±1.9
Примечания. 1. В графе 1 - Н20 (водорастворимая форма), 2 - ацетатно-аммонийный буфер (СН3СОО!ЫН4) рН 4.8 (обменная форма), 3 - 1н. раствор НС1 ( кислоторастворимая форма). 2. В таблице представлены средние ±стандартное отклонение.
100 90 80 70, 60 ' 50403020100
- -1 -1 -1
л. 1 ■ 1 I 1
4
¥ / / / / / /
^ ^ ^ л/ у/ л/ V V V
■ н2о
□ (СН3СОСЖН4) рН и 1н. НС1
Рис. 1. Содержание форм цинка в темно-каштановой почве при различных уровнях цинкового и полиэлементного загрязнений, % от валового содержания.
в таблице. Показано, что при внесении в почву загрязняющих компонентов подвижность 2п резко возросла. При этом содержание изученных форм 2п распределялось таким же образом, как и в контроле, т.е. увеличивалось от водорастворимой к кислоторастворимой форме. Замечено, что степень подвижности соединений 2п максимально увеличивалась в обменной форме, что может определять повышенную токсичность почвы для растений.
С увеличением внесенной дозы ТМ (от 1 до 5 ПДК) содержание валового 2п в почве повышалось как при цинковом, так и при полиэлементном видах загрязнения в 9-42 раза по сравнению с контрольным вариантом. Относительное содержание элемента при цинковом загрязнении в вариантах опыта возрастало от водорастворимой к кислото-растворимой форме следующим образом: минимальный уровень загрязнения - от 3.16 до 66.3%, средний - от 1.76 до 70.2%, максимальный - от 1.56 до 79.0% (рис. 1).
С увеличением полиэлементного загрязнения (1, 3 и 5 ПДК) относительное содержание форм 2п (% от валового) в вариантах опыта увеличивалось в варианте 1 ПДК от 4.5 до 90% , в варианте 2 ПДК - от 5.4 до 83%, в варианте 3 ПДК - от 18 до 85%. Начиная с минимально загрязненной почвы (1 ПДК) выявлено, что она не способна прочно закреплять 2п. В варианте 1 ПДК в обменной форме содержалось 63% элемента, а в варианте 3 ПДК резко возросло содержание элемента в водорастворимой форме.
Таким образом, с увеличением степени загрязнения почвы увеличивалось относительное содержание форм элемента (% от валового 2п) от наиболее подвижных к наименее подвижным. При дальнейшем увеличении уровня загрязнения почвы дополнительно поступивший в почву цинк практически
перестал прочно удерживаться почвой и оставался в наиболее подвижных формах - обменной и водорастворимой. Исследования показали, что при полиэлементном загрязнении почвы 2п сорбировался почвой гораздо хуже, чем при цинковом загрязнении.
В вегетационных опытах было показано, что цинковое и полиэлементное загрязнение почвы в дозах от 1 до 5 ПДК оказывали неоднозначное влияние на рост и накопление биомассы растениями исследованных культур. Известно, что основными признаками токсичности ТМ являются общая задержка роста, некрозы, хлорозы, отмирание листьев и, как правило, уменьшение общей продуктивности [15]. Из всех вышеназванных симптомов фитотоксич-ности в нашем исследовании в наибольшей степ
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.