АГРОХИМИЯ, 2009, № 10, с. 53-63
= Экотоксикология =
УДК 632.12:633.16:631.445.4:631.445.51
НАКОПЛЕНИЕ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ РАСТЕНИЯМИ ЯЧМЕНЯ НА ЧЕРНОЗЕМЕ И КАШТАНОВОЙ ПОЧВЕ*
© 2009 г. Т.М. Минкина1, Г.В. Мотузова2, О.Г. Назаренко3, В.С. Крыщенко1, А.П. Самохин1, С.С. Манджиева1
1 Южный федеральный университет, биолого-почвенный факультет 344006 Ростов-на-Дону, ул. Б. Садовая, 105, Россия E-mail: minkina@bio.rsu.ru 2Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, факультет почвоведения 119991 Москва, Ленинские горы, Россия 3Донской государственный аграрный университет, агроэкологический факультет 346493 п. Персиановский, Ростовская обл., Октябрьский р-н, Россия
Поступила в редакцию 11.01. 2009 г.
Исследовано поступление Cu, Zn и Pb в растения ячменя, выращенных в условиях вегетационного опыта на черноземе обыкновенном и каштановой почве. Внесение Cu, Zn и Pb в почву приводило к аккумуляции их в растениях. По уменьшению поступления в растения металлы образуют следующий ряд: Zn>>Cu>Pb. При увеличении загрязнения почв и комплексном загрязнении ТМ происходило более интенсивное накопление Cu и Zn в соломе ячменя, чем в зерне. Установлена тесная зависимость количества Cu, Zn и Pb в зерне и соломе от содержания подвижных соединений металлов в почвах.
ВВЕДЕНИЕ
Исследование содержания соединений ТМ в почвах позволяет оценить поступление их в растения. Доступность химических веществ растениям определяется их запасом в почве, скоростью десорбции из твердых фаз в жидкие, концентрацией в почвенном растворе [1, 2]. Для определения содержания в почве соединений металлов, доступных растениям, используют показатели их перехода в вытяжки, извлекающие металлы, непрочно связанные с почвенными компонентами. Эти данные служат объективным критерием пригодности загрязненных почв для сельскохозяйственного использования.
Растения проявляют различную устойчивость к действию загрязняющих веществ. Один из ее механизмов - ограничение поступления ТМ в надземную часть растений и репродуктивные органы.
Цель работы - изучить поступление Си, Zn и РЬ в растения ячменя при разных уровнях моно- и полиэлементного загрязнения чернозема и каштановой почвы, выявить связь между содержанием ТМ в почвах и растениях.
* Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки РФ, грант 2.1.1/3819 и РФФИ, грант № 06-0564-658.
Изучали загрязнение Си, РЬ и Zn, так как они поступают в окружающую среду с отходами производства и различаются по влиянию на растения.
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ
Опыт 1 проводили на черноземе обыкновенном карбонатном мощном малогумусном тяжелосуглинистом на лёссовидном суглинке (учхоз "Донское" Октябрьского р-на Ростовской обл.) со следующими свойствами: рН 7.5, содержание гумуса - 3.9%, фракций физической глины - 53.1, ила - 32.4%, СаСО3 - 0.4%. Состав обменных оснований (мг-экв/100 г): Са2+ - 29.5, ]^2+ - 5.5,
- 0.1; содержание N-N0., - 0.8, Р2О5 - 3.2, К2О -24.8 мг/100 г.
Опыт 2 проводили на каштановой среднемощ-ной среднесолонцеватой среднесуглинистой на лёссовидном суглинке (АО "Прогресс" Зимовни-ковского р-на Ростовской обл.): рН 7.8, содержание гумуса - 2.6%, фракций физической глины - 47,7%, ила - 29.5%; СаСО3 - 0.1%. Состав обменных оснований (мг-экв/100 г): Са2+ - 20.2, Mg2+ - 4.5,
- 2.4; содержание N-N0., - 0.6, Р2О5 - 1.2, К2О -38.0 мг/100 г.
В вегетационных опытах изучали влияние на растения различных доз ТМ при раздельном и со-
вместном их внесении в почву. Дозы внесения Cu, Zn и Pb соответствовали уровню загрязнения ими почв Ростовской обл. [3]. Металлы вносили в форме ацетатов. Повторность опыта трехкратная. После месячного компостирования производили посев тест-культуры, в качестве которой был выбран ячмень двурядный (Hordeum sativum distichum) сорта Одесский 100.
В период вегетации влажность почвы поддерживали на уровне 60% НВ. Сосуды с почвой выдерживали под открытым небом в течение 2 лет. Перед закладкой опыта, а также спустя 1 и 2 года инкубации непосредственно после уборки урожая из сосудов были отобраны и проанализированы пробы почв. Ячмень убирали в фазе восковой спелости зерна.
Общее содержание ТМ в почве определяли методом кислотного разложения (HF + HClO4). Соединения металлов из почвы экстрагировали параллельно растворами 1 н. аммонийно-ацетатного буфера (CH3COONH4) - ААБ рН 4.8 и 1 н. HCl. Кис-лоторастворимыми соединениями считали сумму обменных и специфически сорбированных форм соединений ТМ [3]. Раствор ААБ извлекает только обменные формы металлов. Далее соединения ТМ, извлекаемые HCl-вытяжкой, считаем подвижными, ААБ-вытяжкой - обменными.
Пробы растений подвергали сухому озолению при 450°С, остаток растворяли смесью концентрированных кислот HNO3+HCl. Концентрацию Cu, Zn и Pb в растениях определяли методом ААС [4].
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Оценка экологического состояния системы почва-растение сопряжена с нормированием содержания металлов в почвах, которое непосредственно связано с содержанием ТМ в выращиваемых на них растениях.
Общее содержание Cu, Pb и Zn составляло в среднем в исходных незагрязненных черноземах обыкновенных и каштановых почвах 44, 25 и 67 мг/кг соответственно, что более чем в 2 раза превышает кларки для Cu и Pb и в 1.3 раза выше кларка для Zn. Основная часть металлов (88-95% от общего содержания) в почве находится в прочно связанном состоянии, преимущественно в составе силикатных минералов.
Содержание обменных соединений металлов, извлекаемых ААБ-вытяжкой, в исследуемых почвах (0.3 мг/кг Cu, 0.6 мг/кг Pb и 0.5 мг/кг Zn) и их количество в растениях ячменя было низким (табл. 1). Содержание Cu в зерне и соломе ячменя было недо-
статочным, количество Zn соответствовало нижней границе оптимальной концентрации для растений. Содержание РЬ в зерне ячменя, выращенного на незагрязненной почве контрольного варианта, было на уровне действующих в РФ ПДК для продовольственного сырья и пищевых продуктов (ПДК РЬ в зерне - 0.5 мг/кг) [5].
Установлено несоответствие между современными санитарно-гигиеническими нормами по содержанию РЬ в сельскохозяйственных растениях и реальным содержанием элемента в растениях Нижнего Дона. Аналогичная ситуация наблюдается и в других регионах [6, 7]. Содержание РЬ в сельскохозяйственных растениях, произрастающих на незагрязненных черноземах выщелоченных и опод-золенных лесостепного Зауралья, превышает 0.5 мг/кг [8, 9]. По существующим в РФ нормам такие растения и почвы должны быть классифицированы как загрязненные свинцом, так как одним из основных критериев нормирования содержания металлов в почвах является их содержание в растениях. Однако природное содержание элемента в растениях изменяется в широких пределах - от 0.1 до 10 мг/кг [10]. Содержание РЬ в зерновых злаковых культурах разных стран мира находится в пределах от 0.01 до 10 мг/кг. За уровень ПДК РЬ в зерновых злаковых культурах в США, Англии и Франции принимается 1.5-2.0 мг/кг. Судя по состоянию растений ячменя, выращенных в данном опыте на черноземе обыкновенном Ростовской обл. [11], допустимый уровень содержания РЬ в зерне превышает 0.5 мг/кг. Несоответствие отечественных нормативов содержания металлов в почвах и в растениях свидетельствует о том, что они нуждаются в уточнении.
Результаты опыта показали, что с увеличением содержания ТМ в почве увеличивается аккумуляция их растениями (табл. 1), но оценки качества почв и растений при этом не соответствуют друг другу. Например, при внесении в почву 100 мг Zn /кг содержание металла в зерне классифицируется как превышающее допустимый уровень, а загрязнение почвы подвижными формами элемента диагностируется только при дозе 300 мг Zn/кг. Для Си ситуация противоположная: загрязнение почв по подвижным формам металла диагностируется при добавлении его в дозе 100 мг/кг, но при этом растения считаются незагрязненными.
Это указывает на необходимость нормирования содержания металлов в почвах с учетом региональных особенностей агроландшафтов. В качестве региональных уровней ПДК РЬ в черноземе и каштановой почве, обеспечивающих качество зерновых (ячменя), Закруткин [6] предлагает принять
Таблица 1. Содержание тяжелых металлов в зерне и соломе ярового ячменя при моноэлементном загрязнении чернозема обыкновенного и каштановой почвы, мг/кг
Чернозем обыкновенный Каштановая почва
Доза внесения металла, 1-й год после 2-й год после 1-й год после 2-й год после
мг/кг внесения внесения внесения внесения
1 2 1 2 1 2 1 2
Zn
Без Zn (контроль) 24.5 20.4 21.2 17.3 22.4 17.6 15.9 18.5
23* 26.5 47.4 20.2 27.7 28.3 40.2 19.3 27.1
50 42.2 54.4 26.4 49.9 51.7 66.8 25.1 48.2
75 50.5 70.0 39.8 55.1 52.6 71.4 34.7 49.1
100** 69.9 77.9 53.4 73.5 80.8 103.6 57.9 70.6
300*** 88.4 107.9 69.5 87.6 95.5 116.1 67.3 88.7
НСР05 3.9 3.3 1.2 Си 8.2 1.5 5.3 2.1 8.4
Без Си (контроль) 1.0 1.2 0.8 0.6 2.1 2.0 1.2 1.4
3* 1.9 2.0 1.5 1.0 4.0 5.8 2.1 3.5
10 2.6 2.0 1.9 1.2 5.6 8.2 2.8 5.5
30 4.5 3.0 2.2 2.0 6.7 8.8 4.3 4.8
55** 7.5 4.7 4.5 3.8 7.4 11.9 5.2 7.2
100*** 9.1 7.7 5.9 5.0 9.7 16.0 6.2 9.8
НСР05 0.5 1.7 0.3 РЬ 0.5 0. 4 0. 8 0.6 0.3
Без РЬ (контроль) 0.5 1.2 0.3 1.0 0.6 1.0 0.3 0.7
6* 0.5 1.0 0.3 1.0 0.8 1.3 0.5 1.0
25 0.7 2.2 0.4 1.7 0.6 1.4 0.2 1.1
32** 1.7 2.7 0.6 1.7 2.3 3.3 1.8 1.8
55 2.1 3.8 1.5 2.4 2.6 4.3 1.5 3.0
100*** 3.9 4.7 2.1 2.9 3.9 5.8 2.1 4.8
НСР05 0.3 1.0 0.3 1.1 0.4 0.3 0.3 0.8
Примечание. В графе 1 - зерно, 2 - солома. То же в табл. 2, 3. * Соответствует отечественным ПДК по подвижным формам. ** Соответствует отечественным ПДК по валовому содержанию. *** Соответствует зарубежным ПДК по валовому содержанию
соответственно 37 и 30 мг/кг. Разработка подходов к определению региональных нормативов содержания химических элементов в почвах Нижнего Дона на ландшафтно-геохимической основе была предпринята Дьяченко [12]. Бесспорно, что важными условиями расчета адекватной величины ПДК различных химических элементов для почв является учет буферной способности почв по отношению к этим элементам [13], а также учет влияния этих элементов на качество растений.
Растения также обладают физиолого-г
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.