АГРОХИМИЯ, 2015, № 5, с. 74-82
Экотоксикология
УДК 631.81.033:632.122.1:58.006
НАКОПЛЕНИЕ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В ПОЧВЕ И ЛИСТОВОМ АППАРАТЕ РАСТЕНИЙ ДЕНДРАРИЯ БОТАНИЧЕСКОГО САДА МОРДОВСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА им. Н.П. ОГАРЕВА*
© 2015 г. С.В. Пугаев, А.С. Лукаткин
Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарева 430005 Саранск, ул. Большевистская, 68, Россия Е-та11: aslukatkin@yandex.ru
Поступила в редакцию 06.10.2014 г.
Изучено содержание кислоторастворимых и подвижных форм ряда тяжелых металлов (ТМ) и степень их подвижности в почве дендрария Ботанического сада МГУ им. Н.П. Огарева, а также особенности накопления и поглощения металлов листовым аппаратом разных групп древесных растений. Показано влияние растений на содержание подвижных форм и подвижность ТМ в почве, видоспецифичный характер поглощения ТМ листьями и хвоей. Выявлены корреляционные связи среди форм металлов в почве, между содержанием металлов в листьях аборигенных и интродуци-рованных видов.
Ключевые слова: тяжелые металлы, почва, листовой аппарат растений, дендрарий, Ботанический сад МГУ им. Н.П. Огарева.
ВВЕДЕНИЕ
В условиях антропогенного воздействия в растения попадает повышенное количество тяжелых металлов (ТМ), которые оказывают заметное влияние на физиологические процессы [1-4].
Защитные свойства растений по отношению к токсическому действию ТМ базируются на клеточно-молекулярных механизмах, которые формируются двумя путями: превентивным (внешним) и внутриклеточным [4-6]. Внешние механизмы контроля поглощения ТМ связаны со свойствами почвы и почвенных микроорганизмов (в том числе микоризных грибов), а также с выделением корнями хелатирующих лигандов или органических кислот [5, 7], связывающих металлы. В связи с видоспецифичностью корневых выделений и прикорневой микрофлоры отмечены различия в содержании форм соединений ТМ в зависимости от места отбора проб в почве и видов деревьев [8]. Таким образом, между растениями и почвой происходит активное взаимодействие по формированию пула ТМ, опосредованное корневыми выделениями растений сложного видоспе-
* Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки России (проект № 6.783.2014К).
цифического состава, богатой микрофлорой и другими почвенными факторами [9].
Устойчивость древесных растений к ТМ является одним из условий, определяющим возможность их использования в антропогенно измененных ландшафтах, в том числе при озеленении урбанизированной среды.
В предыдущих сообщениях [10-12] авторы показали взаимное влияние лиственных и хвойных деревьев и кустарников, с одной стороны, и почвы, с другой, на накопление ТМ при длительном произрастании в Ботаническом саду МГУ им. Н.П. Огарева. Возникает вопрос об особенностях такого влияния древесных растений разных жизненных форм, длительное время произрастающих на близком расстоянии друг от друга и имеющих определенные анатомо-мор-фологические различия, главные из которых -размеры и строение листовой поверхности, корневой системы, объемы листового опада (хвои), продолжительность жизни и т. п. [13]. Эта работа обобщает данные, опубликованные ранее в цикле работ [10-12].
Цель работы - дать сравнительную характеристику накопления ТМ листовым аппаратом лиственных и хвойных деревьев и кустарников, аборигенных и интродуцированных, и выявить
особенности влияния растений на содержание и подвижность ТМ в почве подкроновых участков.
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ
В работе анализировали 34 вида растений разных форм из Ботанического сада Мордовского государственного университета им. Н.П. Огарева, в том числе: лиственные деревья - 20 видов [10], лиственные кустарники - 8 видов [12], хвойные деревья и кустарники - 6 видов [11]. Из них 22 вида - интродуценты, 12 - представители аборигенной флоры.
Общая характеристика почвенного покрова ботанического сада дана в [10, 14]. Растительные образцы и пробы почвы (слой 0-20 см) из-под крон растений отбирали одновременно в августе-сентябре, когда листовой аппарат накапливал максимальное количество поллютантов, высушивали до воздушно-сухого состояния и хранили в бумажных коробках до определения ТМ. Различные формы ТМ в почве, листьях и хвое определяли на пламенном фотометре «Квант» атомно-абсорбци-онным методом, детально описанным в [10].
Расчет коэффициентов биологического поглощения (КБП, относительные единицы) и подвижности ТМ в почве (СП, %) производили согласно методике [15]. Все определения сделаны не менее чем в трех повторностях. Статистическую обработку проводили с использованием программы
БТАТ-3 по стандартным биометрическим методикам [16]. Данные в таблицах представлены в виде средних величин и их стандартных ошибок, достоверность различий рассчитывали по ¿-критерию Стьюдента при Р = 0.05.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Содержание ТМ в листовом аппарате древесных растений. При анализе листьев и хвои растений разных жизненных форм обнаружено, что величины содержания ТМ варьировали, но при сравнении со средними для дендрария различия большей частью были недостоверными (табл. 1). Сравнение разных форм растений между собой показало более специфическую аккумуляцию ТМ: у хвойных растений отмечено самое низкое содержание РЬ (значимо различалось с суммарными величинами для дендрария), Сё и Си, но самое высокое содержание Zn. В листьях деревьев наблюдали максимальное содержание Сё, в листьях кустарников - Мп. При сравнении аборигенных и интродуцированных групп растений оказалось, что они не различались по содержанию почти всех ТМ, кроме Мп, аккумуляция которого в листовом аппарате первых была в 2 раза больше.
Коэффициенты вариации содержания ТМ в листовом аппарате указывали на степень разнообразия в исследованных группах. Следует отметить, что у хвойных растений они были наименьшими в сравнении с другими группами растений и со средними для дендрария. Для отдельных ТМ
Таблица 1. Среднее содержание ТМ в листовом аппарате растений разных жизненных форм, мг/кг воздушно-сухой массы
Растения Статистика Сё РЬ Си Мп Zn Бе
Лиственные деревья [10] М ± т 0.119±0.042 1.96±0.16 4.28±0.38 46±15 15.6±2.3 154±25
V, % 158 36 40 141 64 72
Лиственные кустарники [12] М ± т 0.083±0.029 2.19±0.21 5.13±0.64 82±26 18.3±4.1 156±35
V, % 98 27 35 89 63 64
Хвойные растения [11] М ± т 0.059±0.008 1.50±0.12* 3.68±0.41 70±10 27.9±3.8 146±19
V, % 35 20 27 36 33 31
Дендрарий в целом, п = 34 М ± т 0.100±0.026 1.93±0.11 4.37±0.29 59±12 18.4±1.9 153±17
V, % 150 34 38 107 60 64
Аборигенные виды, п = 12 М ± т 0.114±0.04 2.18±0.23 4.69±0.50 86±27 18.2±2.6 178±37
V, % 130 36 37 110 49 72
Интродуциро-ванные виды, п = 22 М ± т 0.092±0.033 1.78±0.11 4.20±0.35 44±6 18.5±2.6 139±16
V, % 166 27 39 65 66 54
Различия со средними АГРОХИМИЯ № 5
величинами для дендрария достоверны при Р -2015
0.05.
Таблица 2. Содержание тяжелых металлов в листьях древесных растений подклассов отдела цветковые (Magnoliophyta) дендрария Ботанического сада МГУ им. Н.П. Огарева, мг/кг воздушно-сухой массы
Подклассы цветковых Статистика Cd Pb Cu Mn Zn Fe
Гамамелидиды (Hamamelididae), n = 7 M ± m 0.039±0.006 2.24±0.22 4.94±0.72 79±29 19.5±2.2 216±18*
V, % 44 26 38 99 30 22
Дилленииды (Dilleniidae), n = 5 M ± m 0.34±0.12 1.91±0.18 4.45±0.17 75±55 18.4±7.6 63±26*'**
V, % 83 21 9 164 92 92
Розиды (Rosidae), n = 11 M ± m 0.061±0.013 1.90±0.27 4.21±0.67 34.8±8.6 12.6±1.6* 160±40
V, % 70 48 52 82 41 83
Астериды (Asteridae), n = 4 M ± m 0.096±0.054 2.23±0.19 4.69±0.89 61±24 21.8±7.9 180±33
V, % 113 17 38 80 73 37
Цветковые (Magnoliophyta) в целом, n = 28 M ± m 0.109±0.031 2.03±0.13 4.52±0.33 56±13 16.4±2.0 154±20
V, % 151 33 39 121 63 31
* Различия со средними для всего дендрария достоверны при Р = 0.05. ** Различия со средними для отдела цветковые достоверны при Р = 0.05.
(в целом для дендрария) повышенная вариабельность содержания (>100%) была характерна для Cd и Mn, главным образом за счет лиственных деревьев. Такая же особенность содержания Cd и Mn была характерна для аборигенных растений, для интродуцентов - только Cd.
Исследованные виды отдела цветковых (Magnoliophyta) принадлежали к 4 подклассам. Сравнение их величин аккумуляции ТМ в листьях показало значительные различия: повышенное накопление Cd характерно для Dilleniidae, Fe -для Hamamelididae; в свою очередь, пониженное накопление Cd выявлено у Hamamelididae, Zn и Mn - у Rosidae, Fe - у Dilleniidae (табл. 2). Для других ТМ существенных различий не выявлено. Растения подкласса Asteridae проявляли типичный для всего отдела цветковых (Magnoliophyta) характер накопления ТМ листьями.
Значимые величины коэффициентов парной и множественной корреляции содержания ТМ отмечены для ряда пар металлов, накопленных в листьях деревьев и кустарников (у хвойных не обнаружено): между Cd-Zn, Pb-Cu, Fe-Pb, Cu-Fe, Mn-Zn [10, 12]. В целом для дендрария в листовом аппарате растений выявлено несколько пар металлов со значимыми величинами коэффициентов парной корреляции содержания ТМ (табл. 3). При этом среди аборигенных и интродуцированных растений количество таких коррелирующих пар
ТМ оказалось в 2 раза меньше, чем для дендрария в целом. Для нескольких пар металлов (Сё^п, мп^п, Zn-Mn, Си-Мп) коэффициенты корреляции увеличивались при переходе от линейной функции регрессии к квадратичной. Очевидно, взаимосвязи содержания этих пар ТМ в листовом аппарате растений дендрария наиболее адекватно выражены уравнениями более высокого порядка, чем линейные. Аборигенные виды, в отличие от интродуцентов, имели более высокие величины коэффициентов корреляции содержания ТМ в листовом аппарате.
Содержание ТМ в почве. Анализ кислотораство-римых форм (КРФ) металлов в почве дендрария под кронами растений разных жизненных форм не показал достоверных различий со средними для дендрария (табл. 4). В то же время выявлена тенденция к увеличению содержания КРФ Сё и Zn в почве под хвойными растениями. Высокая вариабельность отмечена для содержания КРФ Zn в дендрарии, а также (для отдельных форм растений) для Си и Бе под лиственными кустарниками и для Zn - под хвойными растениями.
Содержание КРФ ТМ в поч
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.