АГРОХИМИЯ, 2010, № 12, с. 52-57
Экотоксикология
УДК 581.13:581.522:633.853.494:632.122.1:631.445.24
ПРОДУКЦИОННЫЙ ПРОЦЕСС И ФИТОРЕМЕДИАЦИОННЫЙ ПОТЕНЦИАЛ РАСТЕНИЙ РАПСА ПРИ РАЗЛИЧНЫХ УРОВНЯХ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ДЕРНОВО-ПОДЗОЛИСТОЙ ПОЧВЫ ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ
© 2010 г. Е.И. Кошкин, И.В. Андреева, И.В. Вагун
Российский государственный аграрный университет-Московская сельскохозяйственная академия
им. К.А Тимирязева 127550 Москва, ул. Тимирязевская, 49, Россия E-mail: vagun@timacad.ru
Поступила в редакцию 19.05.2010 г.
В вегетационном опыте исследовали особенности накопления кадмия, цинка и свинца растениями ярового рапса на загрязненной тяжелыми металлами среднеокультуренной дерново-подзолистой почве. Аккумуляция элементов напрямую зависела от их содержания в почве. При высоких дозах загрязнения в побегах особенно значительно накапливался цинк, накопление кадмия было меньшим, свинец практически не накапливался. Выявлено отрицательное влияние изученных тяжелых металлов на продуктивность рапса и структуру урожая, особенно на число семян с 1-го растения.
Ключевые слова: продукционный процесс, фиторемедиационный потенциал, рапс, загрязнение тяжелыми металлами, дерново-подзолистая почва.
ВВЕДЕНИЕ
Изучение поведения поллютантов, в том числе тяжелых металлов (ТМ), в экосистемах особенно актуально, поскольку они представляют серьезную экологическую проблему [1]. В результате многочисленных исследований в растениях выявлены три защитных механизма на пути проникновения ТМ в растение: на границе почва-корень, корень-стебель, стебель-зерно. Полученные данные могут быть использованы в системе мероприятий для получения качественной продукции на загрязненных почвах [2, 3].
Виды растений обладают разной устойчивостью к действию ТМ: растения-аккумуляторы обладают высокой степенью устойчивости к ТМ и способны транспортировать их в надземные органы. Это позволяет использовать такие растения для фитореме-диации, т.е. очищения почвы от загрязнения. Рапс (Brassica napus L. ssp. oleífera) может оказаться одним из перспективных видов для этой цели [4-8], поскольку относится к семейству Brassicaceae, насчитывающих наибольшее количество видов природных металлофитов [9].
Кроме того, рапс является одной из перспективных масличных культур в мировом земледелии. По объемам производства маслосемян за последние 30 лет он переместился с 5-го на 3-е место после сои и хлопчатника [10]. Повышен-
ный интерес в России к рапсу определяется хорошей приспособленностью этой культуры к умеренному климату, где невозможно возделывание таких теплолюбивых масличных культур как соя, хлопчатник и арахис, а также высокой продуктивностью новых пищевых сортов (безэруковых, низкоглюкозинолатных). В России имеется значительный спрос на рапсовое масло, что составляет порядка 20% от объемов производства растительного масла в стране [11]. Все это предопределяет увеличение площадей под посевами рапса [12].
Цель работы - изучение накопления кадмия, свинца и цинка в надземных органах растений рапса при различных уровнях искусственного загрязнения дерново-подзолистой почвы этими элементами для оценки возможности его использования в качестве фиторемедианта.
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ
Вынос ТМ яровым рапсом сорта Подмосковный изучали в вегетационном опыте, заложенном в 2008 г. в сосудах на дерново-подзолистой сред-несуглинистой почве. Расположение вариантов -рендомизированное, повторность опыта - четырехкратная. Растения убирали в фазе полной спелости. Схема опыта: контроль без загрязнения, РЬ в дозах 50, 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400 мг/кг почвы, Сё
ПРОДУКЦИОННЫМ ПРОЦЕСС И ФИТОРЕМЕДИАЦИОННЫИ ПОТЕНЦИАЛ...
Таблица 1. Агрохимические показатели почвы
53
РНКС1 н, 5, Гумус ^бщ К20обм Р о 2 5 подв Фоновое содержание ТМ, мг/кг
ммоль/100г мг-экв/100г % мг/кг гп РЬ Сё
6.1 0.63 15.5 1.9 0.12 116 142 41.4±0.19 13.3±0.17 Следы
Таблица 2. Содержание ТМ в семенах, масса семян с 1-го побега, вклад семян в вынос ТМ побегом при разном уровне загрязнения почвы
Вариант, мг ТМ/кг почвы
Содержание элемента в семенах, мг ТМ/кг абсолютно сухой массы
Масса семян, г/растение
Вклад семян в вынос ТМ побегом, % от выноса побегом
Вынос ТМ, % от содержания ТМ в почве
Без загрязнения (контроль) 50 100 150 200 250 300 350 400 НСР05
Без загрязнения (контроль) 1 2 4 6 8 10 12 14
НСРП5
РЬ
0.06 0.17 0.38 0.58 0.57 0.61 0.72 0.88 0.99 0.12
0.03 0.21 0.81 0.92 1.32 1.75 2.07 2.98 3.60 0.42
Сё
2.41 2.32 1.97 1.85 1.83 1.73 1.56 1.45 1.19 0.11
2.41 2.00 1.99 1.77 1.75 1.72 1.75 1.64 1.52 0.04
гп
4.4 3.8 4.1 4.7
4.3 2.1 2.0
3.4 3.4
5.3
8.5 11.0
8.6 5.7
6.7
5.8 7.8
8.4
0.022 0.015 0.014 0.013 0.010 0.017 0.016 0.009 0.008
0.00 0.45 0.65 0.43 0.62 0.51 0.56 0.48 0.42
Без загрязнения (контроль) 100 2.41 70 0.75
100 157 2.36 14 1.7
200 229 1.74 17 0.90
300 319 1.56 16 0.83
400 428 1.32 14 0.81
500 567 1.01 10 0.93
600 716 0.73 2.6 2.9
700 967 0.46 1.7 3.1
800 1070 0.34 0.87 4.5
НСР05 69 0.09 - -
в дозах 1, 2, 4, 6, 8, 10, 12, 14 мг/кг, гп в дозах 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800 мг/кг.
Все изученные металлы относятся к 1-му классу гигиенической опасности, их валовое фоновое содержание (в контроле) было меньше ПДК (ОДК), в
опытных вариантах возрастало до 13- (РЬ), 7- (Сё) и 4-кратного (гп) превышения ПДК (ОДК). При этом максимальное загрязнение почвы ТМ достигало среднего для гп, высокого для РЬ и очень высокого для Сё уровня.
54
КОШКИН и др.
(а)
И м а о
° £ О ЁГ
з-ч
3025 20 15105-
К
РЬ
С<1
о-
1 Я1000-
з§
о й 800
и .Р.
(в)
н V
600400500-
о-
0.40.30.20.10
п
(д)
О 100200300400200400600800 2 6 10 14
о о о
2.5 2.4 2.34
К
РЬ
(б) Ъл
сл
В 2.2Н
2.1-
2.08 I 40-
м Ег
В
30-
с н
§ а
I 20т
(г)
ю-
дй 3в @ 1
й я
н
О &
и
я
и
и
1-
(е)
п
0 100200300400200400600800 2 6 10 14
Доза ТМ, мг ТМ/кг почвы
К - Контроль
Рис. 1. Зависимость числа семян в стручке (а), массы 1000 семян (б), числа семян с 1-го растения (в), числа стручков с 1-го растения (г), величины Кхоз (д) и семенной продуктивности (е) от вида и содержания ТМ в почве.
В качестве минерального удобрения использовали НАФК (2.8 г/сосуд) в соотношении №Р:К = = 1:1:1 при массе абсолютно сухой почвы в сосуде 4.42 кг. ТМ вносили на фоне полного минерального удобрения в виде растворов солей ZnSO4, СёС12, РЬ(СН3СОО)2.
Агрохимические показатели почвы определяли по общепринятым методикам (табл. 1). Валовое содержание ТМ определяли атомно-адсорбционным методом на спектрофотометре КВАНТ-2 АТ после разложения образцов смесью HNO3 и Н202 в автоклавном модуле для химической пробоподготовки МКП-04.
Реакция почвы была близкой к нейтральной, почва характеризовалась средней обеспеченностью азотом и калием и повышенной - фосфором. Фоновое содержание ТМ не превышало ПДК. Данные по
урожайности и содержанию ТМ обработаны методом дисперсионного анализа [13].
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Угнетение роста и развития растений рапса происходило уже при минимальном содержании ТМ в почве (табл. 2): уменьшались накопление биомассы и особенно семенная продуктивность, что можно объяснить снижением величины хозяйственного коэффициента (Кхоз) в вариантах загрязнения РЬ и Zn. Вместе с тем действие Сё практически не меняло этот показатель (рис. 1). Снижение семенной продуктивности на 50% и более наблюдали при дозе 400 мг РЬ/кг, Zn - 500 мг/кг, максимальная доза Сё уменьшила этот показатель на 37%. Цинк, как менее токсичный для растений элемент, негативно
ПРОДУКЦИОННЫЙ процесс и фиторемедиационный потенциал.
55
Контроль РЬ100 РЪ2(Ю РЬ300 РЪ^о % (в)
100
Контроль Хп
Контроль Сс^ С(16 С(110 С(114
Рис. 2. Изменение массы 1000 семян (♦), числа семян с 1-го растения (•), числа семян на стручок (▲) и числа стручков на 1-м растении (■) в зависимости от дозы РЬ (а), 2п (б) и Сё (в), % к контролю.
действовал только в высоких концентрациях [14]. При этом содержание РЬ в семенах возрастало в сравнении с контролем в 16.5, гп - в 5.7 и Сё - в 14.0 раз.
Продуктивность растений. Семенная продуктивность единичного растения зависит от массы 1000 семян и их количества на растении. Показано, что наибольшая масса 1000 семян была в контрольном варианте, увеличение дозы ТМ в почве уменьшало этот показатель, что было особенно заметно при действии РЬ и гп. Действие Сё привело к незначительному уменьшению массы 1000 семян. Изменение числа семян с 1-го растения имело в целом ту же тенденцию. Снижение фертильности пыльцы не наблюдали даже при максимальных концентрациях ТМ. Высокое содержание РЬ и Сё может привести к снижению фертильности пыльцы более чем на 10% [15]. Но растение рапса формирует большое число цветков, и в течение онтогенеза даже в оптимальных условиях большая часть завязей опадает. Таким образом, уменьшение числа семян с 1-го растения происходит в основном из-за снижения числа завязей и семяпочек.
Величина массы 1000 семян оказалась более стабильным показателем, чем число семян с 1-го растения (рис. 2). Максимальные дозы РЬ, Сё и гп снижали ее по отношению к контролю соответственно на 11, 3.9 и 13%, а число семян - на 44, 34 и 84%.
Данные изменения происходили на фоне накопления кадмия, свинца и цинка в надземной биоАГРОХИМИЯ № 12 2010
массе, что характерно для исследованных ТМ [16]. При этом величина содержания ТМ в семенах сильно коррелировала с их содержанием в почве. В отношении кадмия подобную закономерность наблюдали ранее на горохе [17].
Вынос ТМ надземной биомассой и семенами -интегральный показатель, учитывающий как их накопление, так и величину биомассы соответствующих органов. В опыте наблюдали достоверную связь между содержанием ТМ в побеге и величиной их выноса надземной биомассой (рис. 3).
Вынос ТМ. Вынос свинца надземной биомассой был максимальным в варианте РЬ300, при больших концентрациях он уменьшался из-за значительного снижения накопления биомассы. Вынос кадмия увеличивался до концентрации Сё10, в вариантах Сё12 и Сё14 не наблюдали его существенного увеличения, что можно объяснить значительным уменьшением накопления биомассы, хотя концентрация кадмия в органах растения увеличи
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.