АГРОХИМИЯ, 2007, № 9, с. 58-63
Экотоксикология
УДК 631.416.4:632.122.1:631.445.124
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ КАЛИЯ И ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В СИСТЕМЕ
ТОРФЯНАЯ ПОЧВА-РАСТЕНИЕ
© 2007 г. М. А. Ефремова, А. Н. Губин, |В. Н. Ефимов
Санкт-Петербургский государственный аграрный университет 196600 Санкт-Петербург, Пушкин, Петербургское шоссе, 2, Россия E-mail: marina_efremova@mail.ru Поступила в редакцию 18.01.2007 г.
Процессы взаимодействия K-Cu, K-Ni в системе торфяная почва-растение при внесении возрастающих доз калийных удобрений (0, 200, 400, 600 мг К20/кг почвы) и двух степенях загрязнения почвы тяжелыми металлами с высокой точностью описываются экспоненциальными уравнениями. Взаимодействие между К и Cu более активно протекает в почве, чем в системе почва-растение, различия в поведении Ni менее четко выражены. Можно предположить, что прочность связи Ni с твердой фазой почвы приблизительно в 7 раз больше, чем Cu. Отмечены два интервала концентрации калия в торфяной низинной почве, различающиеся по эффективности воздействия на накопление Cu и Ni растениями. По отношению к степени загрязнения почвы тяжелыми металлами высота растений овса и ее прирост на единицу валовой концентрации макроэлемента в почве являются более чувствительными показателями, чем воздушно-сухая масса растений.
ВВЕДЕНИЕ
Поведение тяжелых металлов в системе почва-растение в значительной мере обусловлено их физико-химическими свойствами, среди которых важную роль играет способность к ионному обмену. Емкость почвенно-поглощающего комплекса (ППК) определяет величину вклада обменной сорбции металлов в удержание их почвой по сравнению с другими механизмами поглощения. В этом смысле особый интерес представляет торфяная низинная почва, которая по своим характеристикам является многокомпонентным высокодисперсным сильнонабухающим ионообменником. Сорб-ционная емкость торфяных почв определяется количеством функциональных групп и составляет в среднем 180-360 мг-экв/100 г почвы (-СООН), 320620 мг-экв/100 г почвы (-ОН) [1].
Тяжелые металлы присутствуют в почве в микроконцентрациях и их ионообменное поглощение должно контролироваться макроэлементами почвы. Механизм конкурентного взаимодействия между макро- и микроэлементами почвы может проявляться не только на границе раздела "твердая фаза-почвенный раствор", но и на границе "почвенный раствор-корневая система растений"[2].
С точки зрения ионного обмена одним из самых химически активных металлов системы почва-растение является калий. Принимая во внимание значительный уровень его концентрации в почве и необходимость дополнительного внесения элемента в почву с целью улучшения минерального питания растений, можно ожидать, что
калий может оказывать существенное влияние на распределение тяжелых металлов в системе почва-растение. На мелиорированной торфяной низинной почве концентрация калия часто оказывается лимитирующим фактором по отношению к росту растений. Для оптимизации ростовых процессов при этом используют высокие дозы калийных удобрений, 120-150 кг К20/га, превышающие дозы под аналогичные сельскохозяйственные культуры на минеральных почвах [3].
Цель работы - определение эффективности взаимодействия калия и тяжелых металлов, меди и никеля, в системе торфяная низинная почва-растение при изменении концентрации макроэлемента в почве.
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ
В условиях вегетационного опыта овес (Avena sativa L.) Астор выращивали на торфяной низинной почве, искусственно загрязненной тяжелыми металлами (ТМ) Cu, Ni (табл. 1). Почва для эксперимента была отобрана на территории Волосовского р-на Ленинградской обл. (массив Литошицкого болота) и характеризовалась низкой зольностью (7.2%), среднекислой реакцией среды (рНКс1 4.8), гидролитической кислотностью (57 мг-экв/100 г почвы), относительно высокой суммой обменных оснований (180 мг-экв/100 г почвы). Содержание подвижного фосфора и обменного калия составило соответственно 305 и 108 мг/кг почвы, что отражало низкую степень обеспеченности растений макроэлементами. Валовое содержание К20 - 756 мг/кг почвы. Зарегистрирована низкая валовая фоно-
Таблица 1. Содержание ТМ в системе торфяная низинная почва-растение
Концентрация калия в почве, мг/кг Содержание в почве ТМ Концентрация ТМ в растениях, мг/кг
валовая концентрация, мг/кг подвижные соединения, мг/кг подвижность, %
Cu
756 100 6.7 6.7 17.7
956 То же 7.0 7.0 17.7
1156 » 9.0 9.0 21.1
1356 » 16.9 16.9 24.5
756 200 12.5 6.3 21.1
956 То же 12.8 6.4 21.1
1156 » 14.1 7.1 21.1
1356 » 27.3 13.7 27.9
Ni
756 150 15.9 10.6 18.5
956 То же 16.9 11.3 15.5
1156 » 17.4 11.6 19.5
1356 » 18.4 12.3 22.9
756 300 45.0 15.0 45.4
956 То же 45.3 15.1 43.9
1156 » 45.9 15.3 46.4
1356 » 49.9 16.6 49.9
вая концентрация изучаемых ТМ в торфяной низинной почве, мг/кг: Си 1.3, № 9.4.
Зольность торфяной почвы определяли путем прокаливания ее в муфеле. Обменная кислотность измерена потенциометрически, при соотношении почва : раствор = 1 : 25 (ГОСТ 26483-85); гидролитическая кислотность - по методу Каппена (ГОСТ 26212-91), сумма обменных оснований - по Каппену-Гильковицу (ГОСТ 26487-85), содержание подвижного фосфора и обменного калия - по Кирсанову (ГОСТ 26207-91) с дальнейшей фотоколориметрией и пламенной фотометрией соответственно.
Эксперимент проводили по общепринятой методике [4]. Перед закладкой опыта воздушно-сухую почву просеивали через сито диаметром 1 мм. ТМ были внесены в почву в двух концентрациях, превышающих ПДК приблизительно в 30 и 70 раз, в виде водных растворов солей С^04 • 5Н20 и №С12 • 6Н20 согласно схеме опыта (табл. 1); минеральные удобрения - в виде аммиачной селитры и суперфосфата простого №100Р100, калий - в составе К^04 в трех дозах: 200, 400, 600 мг/кг. Опыт проведен в трех по-вторностях в сосудах емкостью 200 мл, масса воздушно-сухой почвы - 70 ± 5 г/сосуд.
После увлажнения почвы до 70% ПВ в сосуды помещались предварительно пророщенные семена овса по 5 шт./сосуд. Влажность почвы поддерживали на одинаковом уровне в течение всего опыта. Уборку растений проводили через 50 сут в начале фазы выметывания, измеряли их воздушно-сухую массу (m), высоту по наиболее длинному листу (L).
Подвижные соединения ТМ определены по окончании опыта в вытяжках ацетатно-аммоний-ного буфера (ААБ) c рН 4.8 для Cu и с рН 4.6 для Ni при соотношении почва : раствор = 1 : 20 методом пламенной атомно-абсорбционной спектрометрии [5]. Время выдержки суспензии 20 ч. Валовое фоновое содержание ТМ в почве измеряли после сухого озоления торфяной почвы в муфельной печи при t = 550°C в течение 3 ч с последующей экстракцией 1 н. HNO3. При подготовке проб к измерению в них концентраций ТМ растительные или почвенные образцы из трех повтор-ностей объединяли в одну общую пробу, измельчали, тщательно перемешивали и методом конверта отбирали усредненный образец.
Степень подвижности ТМ в системе почва-растение вычисляли из соотношения подвижной фракции металла и его валовой концентрации в почве и выражали в процентах. Валовую концентрацию калия в почве опыта определяли суммированием его валового фонового содержания и внесенного в почву в виде соли. При этом доля валового фонового содержания макроэлемента в общем расчетном его содержании в почве колебалась в диапазоне 55.8-79.1%. Валовая концентрация в почве тяжелых металлов была условно принята равной величине их искусственной добавки, так как доля валового фонового содержания микроэлементов в общем расчетном их количестве незначительна и составляла 0.65-1.28% (Cu), 3.04-5.9% (Ni).
Коэффициенты накопления (КН) металлов растениями овса рассчитаны из отношения концентрации элемента в растениях к его валовой концентрации в почве.
Математическую обработку полученных данных проводили с использованием компьютерной программы "Excel 2003".
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
При увеличении концентрации калия в почвах, загрязненных медью или никелем, масса и высота растений овса существенно возрастали. Высота растений оказалась более чувствительным критерием для оценки отзывчивости растений на загрязнение почвы тяжелыми металлами. При увеличении концентрации Ni в торфяной почве в 2 раза высота овса уменьшилась на 11.7%, масса -на 7.5% (рис. 1а). В вариантах с Cu высота расте-
т, ] 0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
(а) Ь, см
47 г
42
□ Си 100 мг/кг
□ Си 200 мг/кг 37
32
756 956 1156 1356
К20, мг/кг почвы
НСР
27
05
756 956 1156 1356 НСР05 К20, мг/кг почвы
т, ] 0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
(б)
756 956 1156 1356 НСР05 К20, мг/кг почвы
Ь, см 47 г
42
□ № 150 мг/кг 37
□ № 300 мг/кг
32 27
756 956 1156 1356 НСР05 К20, мг/кг почвы
Рис. 1. Зависимость биометрических показателей растений овса от валовой концентрации калия в торфяной низинной почве, загрязненной медью (а) и никелем (б): т - биомасса 1-го растения, Ь - высота растения.
0
ний в случае увеличения концентрации тяжелого металла в почве снижалась на 7.7%, масса овса практически не изменялась (рис. 16).
Данные по массе и высоте овса были обработаны в рамках прямолинейных зависимостей:
т = т0 + а Ск, (1)
Ь = Ь0 + Ь Ск, (2)
Таблица 2. Параметры уравнений (1) и (2)
Вариант т0 а Ь0 Ь
Си100 -0.176 0.0005 22.5 0.016
Си200 -0.174 0.0005 27.5 0.008
№150 -0.157 0.0005 20.34 0.018
№300 -0.227 0.0005 19.68 0.014
где т - масса растений овса при определенной валовой концентрации калия в почве, г/сосуд; т0 -масса растений овса в условиях отсутствия калия в почве, г/сосуд; а - постоянная, отражающая прирост массы растений на единицу концентрации валового калия в почве (г/сосуд)/(мг/кг); Ск -валовая концентрация калия в почве, мг/кг; Ь -высота растений овса при определенной валовой концентрации калия в почве, см; Ь0 - высота овса при отсутствии калия в почве, см; Ь - постоянная, характеризующая прирост высоты растений на единицу валовой концентрации калия в почве, см/(мг/кг).
Расчетные данные показали, что в условиях загрязнения торфяной низинной почвы и №, и Си прирост массы растений овса составил 0.0005 г/сосуд на единицу валовой концентрации калия в почве, независимо от содержания токсиканта в почве (табл. 2). Отсутствие калия в почвенном с
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.