АГРОХИМИЯ, 2007, № 3, с. 61-67
Экотоксикология
УДК 631.8:632.122.1:633"321"
СОДЕРЖАНИЕ И РАСПРЕДЕЛЕНИЕ КАДМИЯ, СВИНЦА И НИКЕЛЯ В РАСТЕНИЯХ ЯРОВОЙ ПШЕНИЦЫ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ УРОВНЯ МИНЕРАЛЬНОГО ПИТАНИЯ И ЗАГРЯЗНЕНИЯ ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ
© 2007 г. В. В. Говорима, Н. Г. Ракипов, Кео Сопхеак Лин, Н. К. Сидоренкова
Российский государственный аграрный университет - МСХА им. К.А. Тимирязева 127550 Москва, Тимирязевская ул., 49, Россия Поступила в редакцию 08.08.2006 г.
Представлены результаты вегетационного опыта с яровой пшеницей сорта Лада, выращенной в условиях имитации загрязнения почвы кадмием, свинцом и никелем. Показано, что на содержание и распределение тяжелых металлов (ТМ) в растениях оказывали влияние не только их концентрация в среде выращивания, но и обеспеченность основными элементами питания. Наблюдались существенные различия в распределении ТМ между основной и побочной продукцией.
ВВЕДЕНИЕ
В последние годы в научной литературе приводятся многочисленные данные о величине накопления тяжелых металлов в почвах и сельскохозяйственных растениях разных видов, оценке продукции растениеводства с точки зрения санитарно-гигиенического состояния в условиях активного поступления в окружающую среду элементов-ксенобиотиков как результат рассеивания промышленных выбросов через атмосферу и загрязненных промышленных вод. Такие процессы ведут к значительному превышению концентраций элементов в почвах и растениях по сравнению с их уровнем в экологически оптимальных условиях. Эта проблема будет привлекать к себе внимание до тех пор, пока использование такой продукции в пищу человека и на корм животных не будет вызывать серьезных опасений. Так, например, по имеющимся данным в растениеводческой продукции некоторых районов Подмосковья концентрация кадмия, никеля, свинца и хрома превышает их ПДК [1-4]. Как правило, в большинстве работ рассматриваются изменения относительного содержания тяжелых металлов [5, 6]. Наименее изучены, на наш взгляд, остаются вопросы, связанные с обеспеченностью основными элементами питания - азотом, фосфором и калием на урожайность сельскохозяйственных культур, поступление и распределение тяжелых металлов в основной и побочной продукции в условиях загрязнения ими почв. Это связано, очевидно, с особенностями накопления тяжелых металлов растениями разных видов, с типом почв, на которых они выращивались, с физиологической ролью изучаемых элементов и с их влиянием на биохимические процессы, протекающие в растениях. Известно
также, что лишь при оптимальном содержании всех биогенных элементов в среде выращивания растения способны проявлять в максимальной степени свои биологические свойства: высокую продуктивность и качество, оптимальное соотношение элементов в продукции, устойчивость к тяжелым металлам.
Цель данных исследований заключалась в установлении степени накопления кадмия, свинца и никеля яровой пшеницей в зависимости от концентрации этих элементов в почве, обеспеченности ее основными элементами питания и взаимного влияния этих двух факторов.
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ
Опыты проводили методом почвенной культуры в сосудах Митчерлиха с яровой пшеницей сорта Лада. Использовали дерново-подзолистую среднесуглинистую почву из учхоза "Михайлов-ское" Подольского района Московской области. Почва имела следующую агрохимическую характеристику: рНкс1 5.9, гумус по Тюрину - 2.0 %, общий азот - 0.08%, Нг - 2.2 мг-экв/100 г, P2O5 и K2O по Кирсанову - 200 и 180 мг/кг почвы, Ni - 2.88 (1 н. HCl) и 2.01 (CH3COONH4 с рН 4.8), Cd - 0.11 (1 н. HCl) и 0.04 (CH3COONH4 с рН 4.8), Pb - 3.5 (1 н. HCl) и 0.95 (CH3COONH4 с рН 4.8) мг/кг почвы. Имитацию загрязнения почвы тяжелыми металлами создавали путем внесения кадмия в количестве 0, 4, 8 и 12 мг в форме Cd(NO3)2 ■ 6H2O, свинца - 0, 100, 200 и 300 мг в форме Pb(NO3)2 и никеля - 0, 10, 20 и 30 мг/кг почвы в форме NiSO4 ■ ■ 7H2O. Разные уровни основного минерального питания создавали внесением азота, фосфора и калия в виде водных растворов мочевины, одно-
Таблица 1. Влияние тяжелых металлов на биомассу яровой пшеницы сорта Лада при разном уровне минерального питания, г/сосуд
Вариант Зерно Солома
0 NPK 1.0 NPK 1.5 NPK 0 NPK 1.0 NPK 1.5 NPK
1. Контроль 14.1 17.1 21.0 18.0 26.6 33.0
2. СО* 14.9 17.5 17.0 21.5 30.2 32.8
3. СО* 11.7 15.3 15.8 19.2 24.1 30.0
4. С^ 11.0 13.2 13.6 17.7 24.5 27.0
НСР05 для СО (А) 0.9 2.1
для №РК (В) и (АВ) 1.4 2.4
5. РЬШ0 15.8 17.0 18.6 21.2 27.2 31.5
6. РЬ200 16.4 16.9 18.0 24.0 29.5 31.4
7. РЬз00 16.0 18.6 19.5 24.6 29.5 33.5
НСР05 для РЬ (А) 0.9 2.6
для №РК (В) и (АВ) 1.1 3.0
8. №ш 13.8 16.2 17.0 21.7 27.6 31.1
9. №20 14.9 16.7 18.4 21.2 30.0 32.2
10. №30 14.5 17.0 18.1 21.1 30.3 30.8
НСР05 для № (А) 1.6 3.1
для №РК (В) и (АВ) 1.9 3.6
замещенного фосфата калия и хлористого калия. Уровень 1NPK соответствует 150 мг N, 100 мг P2O5 и 100 мг К20 на кг почвы [7]. В сосудах, содержащих 5 кг воздушно-сухой почвы, выращивали по 15 растений. Опыт проводили в 3-кратной повторности. В образцах зерна и соломы после сухого озоления и растворения золы смесью соляной и азотной кислот определяли содержание кадмия, свинца и никеля атомно-абсорбционным методом на спектрофотометре PC-5100 "Perkin-Elmer". Статистический анализ данных проводили при помощи прикладной программы STRAZ.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Результаты действия возрастающих концентраций тяжелых металлов в почве на интенсивность накопления биологической массы основной продукции - зерна и побочной - соломы в зависимости от уровня минерального питания приведены в табл. 1. Полученные данные показывают, что с повышением уровня минерального питания достоверно нарастала как масса зерна, так и масса соломы. Однако по мере повышения концентрации в почве кадмия происходило достоверное уменьшение массы зерна на всех уровнях минерального питания. Так, на фоне без удобрений повышение уровня загрязнения почвы кадмием с 0 до 12 мг/кг почвы вызвало снижение массы на 22%, на фоне 1.0 №РК - на 23%, а на фоне 1.5 №РК -на 35% по сравнению с контролем.
На изменение массы побочной продукции - соломы увеличение концентрации кадмия в почве оказывало существенное влияние только на уровне 1.5 №РК: при внесении Cd12 масса ее снижалась на 18%. При относительно невысоком уровне загрязнения почвы Cd4 на фоне 0 №РК и 1.0 №РК отмечено даже некоторое положительное влияние на массу соломы. Такой стимулирующий эффект небольших концентраций тяжелых металлов в субстрате на рост и развитие растений отмечался также и в работах других авторов, причем механизмы этого явления еще недостаточно изучены [8, 9].
При имитации загрязнения почвы свинцом масса зерна варьировала в значительных пределах в зависимости как от степени загрязнения почвы свинцом, так и от уровня основного минерального питания. Каждое повышение уровня №РК сопровождалось существенным изменением массы зерна и соломы по сравнению с контролем: в варианте со свинцом РЬ200 на фоне 0№РК масса зерна возрастала на 16%, при внесении ШРК и РЬ300 - на 9%. Существенное увеличение биомассы яровой пшеницы связано, очевидно, с положительным влиянием азота, входящего в состав азотнокислого свинца, как основного лимитирующего урожай фактора на дерново-подзолистых почвах. Расчеты показали, что в варианте РЬ300 вносилось около 40 мг N на сосуд. На уровне 1.5 №РК масса соломы не изменялась, а зерна снижалась на 14% при РЬ200 по сравнению с контролем, что явилось взаимодействием как суммарной
Таблица 2. Влияние уровня минерального питания на содержание кадмия в растениях яровой пшеницы сорта Лада, мг/кг сухой массы
Доза Cd, мг/кг почвы Зерно Солома
0 NPK 1 NPK 1.5 NPK 0 NPK 1 NPK 1.5 NPK
0 0.07 ± 0.01 0.22 ± 0.01 0.15 ± 0.03 0.09 ± 0.01 0.21 ± 0.01 0.35 ± 0.02
4 0.80 ± 0.01 3.93 ± 0.04 3.57 ± 0.02 0.32 ± 0.01 4.78 ± 0.13 4.53 ± 0.04
8 1.65 ± 0.01 4.36 ± 0.02 4.02 ± 0.13 0.85 ± 0.06 11.01 ± 0.10 9.07 ± 0.40
12 2.50 ± 0.19 4.73 ± 0.06 4.05 ± 0.03 1.22 ± 0.03 16.0 ± 2.6 13.75 ± 0.16
высокой концентрации всех солей, так и ингиби-рующего действия свинца. Таким образом, действие свинца на массу зерна было неоднозначно.
На фоне имитации загрязнения почвы никелем эффективность основного минерального питания заметно снижалась по сравнению с контрольными вариантами. В пределах изучаемых доз никеля (10-30 мг/кг почвы) не наблюдалось их существенного влияния на массу зерна на фоне 0 №Рк и 1.0 №РК. Однако на повышенном уровне минерального питания (1.5 №РК) загрязнение почвы никелем вызвало снижение на 13-19% по сравнению с контролем. На накопление массы соломы существенным было только положительное влияние уровня минерального питания.
По данным [10], содержание кадмия в зерне пшеницы из незагрязненных районов составляет в среднем от 0.022 до 0.10 мг/кг сухой массы. В контрольном варианте нашего опыта содержание кадмия в зерне составило 0.07 мг/кг сухой массы (табл. 2). Увеличение содержание кадмия в растениях при внесении основных элементов питания, очевидно, связано с влиянием физиологически и химически кислых солей (с помощью которых создавались уровни минерального питания) на почвенно-поглощающий комплекс. На всех уровнях №РК наблюдалось увеличение содержания кадмия в зерне по мере повышения его концентрации в почве: при 0 №РК - в 11, 23 и 36 раз; при 1 №РК - в 18, 20 и 22 раза; при 1.5 №РК -в 24, 27 и 27 раз соответственно. В соломе при 0№РК концентрация этого элемента повышалась в 3.5, 9, 13 раз; при 1 №РК - в 23, 52, 76 раз; при 1.5 №РК - в 13, 26 и 39 раз по сравнению с контролем. Таким образом, наблюдались значительные колебания в содержании кадмия в зерне, в зависимости как от уровня содержания кадмия в почве, так и от уровня минерального питания.
Общей закономерностью является, во-первых, увеличение содержания кадмия при повышении общего уровня питания основными элементами, причем в соломе это происходило гораздо интенсивнее, чем в зерне. Во-вторых, без №РК содержание кадмия в зерне было примерно в 2 раза выше, чем в соломе, на фоне №Рк закономерность обратная: в соломе выше, чем в зерне.
Расчеты выноса кадмия растениями подт
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.