АГРОХИМИЯ, 2015, № 8, с. 73-80
Экотоксикология
УДК 546.815:632.122.1(470.13)
ПОВЕДЕНИЕ СВИНЦА В СИСТЕМЕ ПОЧВА-РАСТЕНИЕ В УСЛОВИЯХ ЕВРОПЕЙСКОГО СЕВЕРО-ВОСТОКА
© 2015 г. Г.Я. Елькина
Институт биологии Коми научного центра 167982 Сыктывкар, ул. Коммунистическая, 28, Россия E-mail: elkina@ib.komisc.ru
Поступила в редакцию 16.03.2015 г.
Выявлено, что поведение свинца в системе почва-растения в условиях искусственного загрязнения определяется количеством элемента, спецификой культур и продолжительностью последействия. Наибольшая токсичность и транслокация свинца в растения больше максимально допустимого уровня отмечена при непосредственном внесении элемента в почву в количестве 34 мг Pb/кг. По истечении 4-х лет токсичность свинца не проявлялась. В низких концентрациях свинец оказывал стимулирующее действие на рост и развитие однолетних трав, особенно гороха. В связи со значительным увеличением подвижности элемента в загрязненных почвах показана необходимость оценки экологического состояния почв по наличию подвижных форм свинца.
Ключевые слова: свинец, система почва-растение, европейский Северо-Восток.
ВВЕДЕНИЕ
По степени токсического действия на окружающую среду свинец относится к тяжелым металлам (ТМ) 1-го класса опасности. В то же время встречаются данные о положительном влиянии элемента на живые организмы, хотя роль свинца в их метаболизме не установлена [1-3].
В литературе приводятся разные уровни токсичности элемента для растений: от 50 до 2000 мг/кг [4, 5], что обусловлено разными свойствами почв и неодинаковой чувствительностью растений к воздействию элемента. На дерново-подзолистых почвах ингибирование роста растений ячменя наблюдали при внесении свинца в дозе 125250 мг/кг [6], гибель растений наступала при дозе 500 мг/кг [7], вики и люпина - 100 мг/кг [8]. В условиях климатической камеры существенных различий в развитии растений овса, кроме максимальной дозы 3000 мг/кг, не отмечено [9]. В песчаной культуре снижение биомассы этой культуры наблюдали при внесении 400 мг РЬ/кг [10].
В ряде работ [11-16] описано стимулирующее действие свинца на растения при относительно невысоких его концентрациях в почвах и инги-бирование - при высоком содержании элемента. Действие иона свинца при этом в значительной мере зависело от примененной соли. Меньшая токсичность и положительный эффект отмечены
при использовании азотнокислого свинца. Однако при его применении возникает необходимость уравновесить действие азота на растения, что в свою очередь нарушает сбалансированность элементов в сравниваемых вариантах и не позволяет в полной мере вычленить влияние ионов свинца и азота на растения. Кроме того, в приведенных экспериментах в основном изучали достаточно высокие дозы свинца, минимальные из них были близки к ПДК (32 мг РЬ/кг) или превышали ее.
С учетом разнонаправленного действия свинца, неодинаковой толерантности растений на почвах с различной буферностью необходимо включение в эксперименты более широкого спектра концентраций элемента, в том числе и низких (близких к фоновым), и изучение реакции растений на почвах разного типа. Ввиду того, что загрязнение ТМ в основном носит накапливающийся характер, при котором токсичные элементы включаются в процесс химических превращений, стабилизирующих их соединения, в методологическом плане желательно использовать почвы, в которых произошла трансформация загрязняющих и сопутствующих элементов, а также проводить более длительные эксперименты.
Цель работы - изучение действия и последействия свинца на продуктивность однолетних и многолетних трав и его транслокацию в растения на подзолистых почвах.
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ
Исследование проводили на легко суглинистой подзолистой почве со следующей агрохимической характеристикой: рН 5.3-5.7, содержание гумуса - 1.8-1.9%, суммы обменных оснований -5.8-6.1 мг-экв/100 г, гидролитическая кислотность - 2.6-3.7 мг-экв/100 г, азот гидролизуе-мый - 3.0-4.9 мг/100 г, содержание подвижных фосфора и калия (по Кирсанову) - 25.8-28.5 и 11.7-12.2 мг/100 г соответственно, свинца -1.5 мг/кг (1 M HCl).
Влияние свинца на растения первоначально изучали в мелкоделяночном эксперименте с контрастными уровнями загрязнения (опыт 1). На делянки с минимальным загрязнением свинец внесли в виде Pb(CH3COO)2 в количестве 100 мг Pb/м2 (0.34 мг Pb/кг почвы). Такое количество свинца, согласно расчетам, поступает в почву с удобрениями и мелиорантами за 10-15 лет их применения. Вторая доза была больше первой в 10 раз, третья - в 100 раз. Количество свинца при максимальном загрязнении превышало предельно допустимую концентрацию (ПДК). Площадь делянок - 1 м2, повторность четырехкратная. В 1-й год возделывали однолетние травы (горох и овес в смешанном посеве), на 2-3-й годы - клевер (последействие 2, 3), на 4-й - овес (последействие 4). В контроле под однолетние травы вносили N60P60K60, под клевер - N30P30K30.
Позднее исследования были продолжены в микрополевом опыте (опыт 2). Разные по содержанию свинца образцы почвы были получены путем смешивания загрязненной почвы опыта 1 с почвой контрольных делянок. Доля загрязненной почвы от 1-го варианта к 10-му последовательно увеличивалась от 1 до 10 кг/10 кг почвы. Тщательно перемешанную почву помещали в полиэтиленовые сосуды без дна (диаметр - 20, высота -30 см), которые зарывали в траншеи. Эксперимент выполняли в 4-х повторностях в течение 2-х лет. В сосуды высевали по 15 семян гороха и овса, оставляя впоследствии по 10 растений каждого вида. Учет биомассы и отбор растительных проб (отдельно для гороха и овса) осуществляли в фазе образования бобов гороха и фазе колошения овса в контроле.
Валовое содержание свинца в почвах (после разложения смесью азотной, фтористоводородной и хлорной кислот) определяли методом атомной абсорбции на приборе фирмы "Hitachi" (модель 180-80 Z). В почвах наряду с валовым содержанием анализировали подвижные формы, переходящие в 1 М HCl, ацетатно-аммоний-
ный буфер рН 4.8 (вытяжка Н.К. Крупского и А.М. Александровой). Определение свинца в растениях осуществляли после разложения смесью азотной кислоты и пероксида водорода на СВЧ-минерализаторе "Минотавр-1" методом спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой (ПНДФ 16.1:2.3: 3.11-98). Анализы выполняли в экоаналитической лаборатории Института биологии. Полученные данные обработаны методами статистического анализа с использованием стандартных программ Microsoft Excel.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Опыт 1. Продуктивность растений является интегральным показателем оценки действия ионов ТМ. Влияние свинца на биомассу определялось спецификой растений, количеством поступившего в почву элемента и длительностью последействия (табл. 1). В минимальной дозе (0.34 мг Pb/кг) свинец оказал стимулирующее действие: наземная биомасса трав была больше, чем в контроле. При этом биомасса гороха увеличилась в больше (на 24%), чем овса (на 10%). Начиная с дозы 1000 мг/м2 (3.4 мг Pb/кг) отмечено снижение продуктивности в сравнении контролем на 22%. При максимальном загрязнении (34 мг Pb/кг) биомасса бобового растения была на 36%, а злакового - на 28% меньше, чем в контроле. Общая биомасса трав составляла 71% от контроля.
На продуктивность растений оказало влияние снижение всхожести семян, особенно гороха. При поступлении в почву 3.4 мг Pb/кг почвы количество всходов гороха было меньше на 23%, при дозе 34 мг Pb/кг - на 40%; количество проростков овса уменьшилось соответственно на 8 и 17%. Большая уязвимость бобового растения связана с тем, что семенная кожура семян Pisum sativum хорошо проницаема для Pb2+, вследствие чего семена теряют способность прорастать [17].
В период вегетации растения в вариантах 2-го и 3-го уровня загрязнения отставали в росте. Высота растений гороха в фазе бутонизации при 2-м уровне загрязнения свинцом была меньше на 3.0 ± 0.5, при 3-м - на 4.0 ± 0.7 см по сравнению с контролем. Высота растений овса в фазе трубкования была меньше соответственно на 2.0 ± 0.5 и 3.0 ± 0.5 см. В то же время оба вида растений при минимальной дозе загрязнителя (0.34 мг Pb/кг) опережали в росте контрольные растения на 3.0-4.0 см.
Снижение всхожести семян и ингибирование роста растений были причинами уменьшения
Таблица 1. Влияние свинца на биомассу растений, г воздушно-сухой массы/м2 (опыт 1)
Уровень загрязнения Вариант, мг Pb/м2 Однолетние травы (действие) Клевер, последействие 1 Клевер, последействие 2 Овес, последействие 3
общая горох овес
0 Контроль 263 25 238 620 1048 62
1 100 (0.34*) 293 31 262 536 992 64
2 1000 (3.4) 206 23 183 376 929 62
3 10000 (34) 188 16 172 364 868 44
НСР05 28 55 107 7
* В скобках - среднее поступление в почву, мг Pb/кг.
биомассы однолетних трав при поступлении в почву >3.4 мг РЬ/кг почвы. На серой лесной почве [9] негативное действие ацетата свинца на рост и развитие овса проявлялось при более высокой (>300 мгРЬ/кг), чем в исследованиях автора, концентрации. Это связано с тем, что подзолистые почвы по сравнению с серыми лесными имеют меньшую буферную способность и устойчивость к загрязнению.
Загрязнение вызывало значительную транслокацию свинца в растения. При максимальном количестве свинца в почве (44 мг РЬ/кг с учетом валового содержания и внесения уксуснокислой соли) поступление элемента в наземную биомассу овса достигло 6.19, гороха - 6.60 мг/кг воздушно-сухой массы, превысив максимально допустимый уровень (МДУ) для кормовых растений. В контроле его содержание было низким и составляло соответственно 0.12 и 0.13 мг/кг.
По данным некоторых авторов, количество свинца в биомассе клевера, произраставшего на дерново-подзолистой почве, при более высокой, чем в исследовании автора настоящей работы, дозе (60 мг РЬ/кг) увеличивалось с 0.7-0.8 до 3.03.4 мг/кг [18], при загрязнении почвы 125 мг РЬ/кг накопление элемента в листьях и стеблях ячменя достигало 10.8 мг/кг [8].
Продуктивность клевера, подсеянного под однолетние травы, на загрязненных свинцом делянках была меньше на 14-41%. Сказалось ин-гибирующее действие свинца и на всхожести его семян: число растений было на 20-38% меньше, чем в контроле. На 2-й год жи
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.