Введение к работе
Актуальность проблемы. В современных условиях, вследствие антропогенного воздействия, сохранить почву в нативном состоянии практически невозможно. Поэтому нормирование содержания тяжелых металлов (ТМ), имея широкий диапазон возможных вариантов, предполагает подходы, обеспечивающие удовлетворительное решение задачи ограничения загрязнения почвы в почвенно-экологическом и агрохимическом аспектах. Послужить этому могут данные об активности биоценоза, позволяющие сделать заключение о его самозащитной способности и о подвижности соединений ТМ (в том числе микроэлементов), которые дают общее представление о самоочищающей способности абиотической части почвы.
Поэтому весьма актуален выбор надежных методов определения запаса подвижных форм ТМ в черноземных карбонатных почвах Ростовсхой Области. Выбор адекватных методов оценки позволит установить степень негативного воздействия ТМ на микробиологическую активность почвы и устойчивость растений, произрастающих на почвах, подверженных "техногенному стрессу".
Цель и задачи исследований. Целью исследований явилась характеристика методик определения запаса подвижных форм ТМ и микроэлементов черноземов Ростовской области и изучение роли генетических особенностей этих почв при обосновании подходов к нормированию содержания ТМ.
Задачи исследований:
-
Выполнить сравнительную оценку методов определения ПОДВИЖНЫХ форм ТМ в черноземных карбонатных почвах Ростовской области.
-
Оценить приемлемость стандартного метода извлечения подвижных форм ТМ ацетатно-аммонийным буферным раствором (ААБ) рН 4,8 при определении их содержания в черноземных карбонатных почвах.
-
Выбрать методику определения подвижных форм ТМ адекватную объекту изучения - чернозему обыкновенному карбонатному.
Научная новизна работы. Вскрыты процессы вторичного осаждения ТМ при извлечении их подвижных форм стандартным экстрагентом - ААБ рН 4,8 из черноземных карбонатных почв. Реализован дифференцированный подход к оценке подвижности, и, как следствие, токсичности ТМ в черноземных карбонатных почвах, заключающийся в использовании системы вытяжек с целью выбора наиболее приемлемой для определения уровня подвижных форм ТМ как в почвах с фоновым содержанием металлов, так и в почвах, подверженных техногенезу.
Практическая значимость. Предложено использование зытяжки "аце-татно-аммонийный буферный раствор + 1% ЭДТА" для характеристики запаса подвижных форм ТМ и микроэлементов в черноземе обыкновенном карбонатном.
Апробация работы. Основные результаты исследований доложены: на II Всероссийском съезде почвоведов России (г. Санкт-Петербург, 1996); на международной конференции "Проблемы антропогенного почвообразования" (г. Москва, 1997); на IV международной конференции по биогеохимии тяжелых элементов (Калифорнийский университет, Беркли, 1997); на VII ежегодном международном съезде европейского общества токсикологии и химии окружающей среды (Амстердам, 1997). По материалам диссертации опубликовано 11 печатных работ, в том числе 3 работы
- 2 -за рубежом.
Объем и содержание работы. Диссертация изложена на 143 страни цах машинописного текста, состоит из введения, 5 глав, выводов предложений. Работа содержит 16 таблиц, 89 рисунков. Список литера туры включает 134 наименования, в т.ч. 24 иностранных автора.
I. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ 1.1. объекты исследований
Объектами исследований являлись черноземы обыкновенные карбо натные юго-западной части Ростовской области. Для этого были выбран: почвы стационарных реперных участков проектно-изыскательного центр (ПИЦАХС) "Ростовский". Для лабораторных и вегетационных опытов был отобрана почва в учебно-опытном хозяйстве "Донское" ДонГАУ.
Приводим краткую характеристику объектов исследований:
-
Учхоз "Донское" Октябрьского района - чернозем обыкновенный карбонатный, среднесуглинистый, мощный на лессовидных суглинках;
-
Заповедник учхоза "Донское" Октябрьского района - чернозем обыкновенный карбонатный, среднесуглинистый, мощный на лессовидных суглинках;
-
ОПХ ВНИИ "Сорго" Зерноградского района - чернозем обыкновенный карбонатный, тяжелосуглинистый, среднемощный на лессовидных суглинках;
-
Колхоз "Краснокутский" Веселовского района - чернозем обыкновенный карбонатный, тяжелосуглинистый, маломощный на лессовидных суглинках;
-
Колхоз "Равнополье" Куйбышевский район - чернозем южный, среднемощный на лессовидных суглинках;
-
Колхоз "Ленинское знаня" Азовского района - чернозем обыкновенный карбонатный, тяжелосуглинистый, маломощный на лессовидных суглинках;
-
Колхоз "Родина" Матвеево-Курганского района - чернозем обыкновенный карбонатный, тяжелосуглинистый, среднемощный на лессовидных суглинках;
-
Совхоз "Советский Дон" Усть-Донецкого района - чернозем обыкновенный карбонатный, среднесуглинистый мощный на лессовидных суглинках.
1.2 Методика исследований При проведении исследований нами, применительно к. исследуемы почвам, была модифицирована схема вытяжек, предложенная Г.А. Соловь евым (1991).
-
1 н. НС1;
-
ацетатно-аммонийный буферный раствор (ААБ) с рН 4,8;
-
1%-ный раствор ЭДТА в ацетатно-аммонийном буфере (рН 4,8 Окончательное определение количественного содержания проводи
лось на атомно-абсорбционном спектрофотометре в пламени ацети лен-воздух.
При изучении влияния различных форм ТМ на ферментативную актив ность почв при разных уровнях загрязнения в исследуемую почву (чер нозем обыкновенный карбонатный) вносили соли Си, Zn, Pb и Cd по еле
- З -дующей схеме:
1) контроль; 2) 1 ПДК; 3) 2 ПДК; 4) 5 ПДК; 5) 10 ПДК.
При изучении поступления Си, Zn и РЬ из почвы в растения (яровой ячмень "Одесский 100") был заложен вегетационно-полевой опыт. В исследуемую почву вносились сопи ТМ в форме ацетатов. Методика опыта основана на назначении концентраций элементов-загрязнителей исходя из их фонового содержания: Си и Zn по подвижным формам, извлекаемых ААБ (Си =0,1 мг/кг, Zn = 0,3 мг/кг) РЬ по валовому содержанию (РЬ -22 мг/кг). Первый опытный вариант количественно соответствовал зарубежным ПДК изучаемых металлов по подвижной форме, последний уровень загрязнения соответствовал зарубежным ПДК по валовым формам. Эксперимент был проведен по следующей схеме:
1) ЗОф.Си + 80ф.2п + Іф.РЬ
-
ЮОф.Си + 150#.Zn + 1,5ф.РЬ
-
бООф.Си + 150ф.гп + 1,5ф.РЬ 4)1000ф.Си + ЮООф.гп + 5ф.РЬ 5) контроль.
Минерализацию проб растений проводили методом сухого озоления согласно ГОСТ 26657-85. После этого проводили кислотную экстракцию ГМ (Zn, Си, РЬ) из золы стандартным методом.
Проведенные нами исследования показали, что не всегда наблюда-этся связь между содержанием подвижных форм ТМ в почвах агроценозов л загрязнением сельскохозяйственной продукции. Одной из причин такого несоответствия может быть недостаточная приемлемость метода, ког-ца определение содержания подвижных форм ТМ согласно стандартным методикам в конкретной почве без учета ее особенностей может в опреде-пенных случаях привести к необъективной оценке загрязнения.
В связи с этим целью наших исследований была оценка экстрагиру-ощей способности ацетатно-аммонийнои вытяжки при определении запаса подвижных форм ТМ в черноземе обыкновенном карбонатном. Данная вытяжка на карбонатных почвах не отражает весь запас подвижных соединений ТМ в почве и не учитывает возможных процессов вторичного осаж-цения, происходящих при их экстракции.
На основании изложенных представлений об эффектах, происходящих з почвенных системах при изучении их загрязнения, нами была сделана юпытка количественно оценить процессы вторичного осаждения путем сравнения величины извлечения из почвы подвижных форм ТМ (Zn, Си, Pb, Mn, Ni) ААБ с рН 4,8 в статических и динамических условиях.
Для этого проведен эксперимент, при постановке которого использованы два почвенных объекта исследования. Первый объект (контроль) - чернозем обыкновенный карбонатный с фоновым содержанием ТМ. Второй эбъект - чернозем обыкновенный карбонатный с высоким уровнем загрязнения Си, Zn, РЬ. Результаты представлены в таблицах 1,2 и на рис. 1-4.
Как видно из данных табл. 1-2 первая вытяжка извлекает из іарбонатньїх почв наибольшее количество Zn, Си, Mn, Ni, РЬ как из
Таблица 1 Десорбция тяжелых металлов из чернозема обьпсновенного карбонатного
Таблица 2 Десорбция тяжелых металлов из чернозема обыкновенного карбонатного
Рис. 1. Динамика Си. Контрольный образец
N вытяжки Рис. 2. Статика Си. Контрольный образец
-Ряд!)
Рис.3. Динамика. Си. Загрязненная почва.
-Ряді
Рис. 4. Статика. Си. Загрязненная почва.
N вытяжки
- б -
почвы контрольного образца с фоновым содержанием элементов, так и из почвы с высоким содержанием 2п, Си, РЬ. В дальнейшем их содержание снижается, особенно сильно в статических условиях. Особенно наглядно это отображают изотермы десорбции Си (рис. 1-4). В статических условиях изотерма десорбции ближе подходит к оси абсцисс. В динамических условиях изотерма имеет вид ломаной линии и отображает, с нашей точки зрения, десорбцию легкорастворимых форм элементов. В некоторых случаях последние вытяжки цикла извлекают примерно равные количества металлов и изотерма десорбции переходит в прямую линию. Это указывает на то, что последние вытяжки растворяют более прочно сорбированные ІШК формы металлов.
Так как ацетатно-аммонийный буфер широко используется в практике изучения текущих почвенно-агрохимических свойств, а результаты исследований, полученные с применением этого экстрагента, не всегда корректны, по нашему мнению представляется необходимым выбор метода определения уровня подвижных форм ТМ, адекватного свойствам чернозема обыкновенного карбонатного.
В условиях степной зоны почвообразования процессы трансформации ТМ имеют ряд специфических особенностей, обусловливающих их подвижность и доступность растениям. Особенности почвенной биогеоценоти-ческой системы могут быть охарактеризованы соотношением и взаимодействием химических форм металлов в почве. В связи с этим основное внимание было сосредоточено на изучении динамики трансформации форм Си, Zn, Pb, Cd в почве посредством нескольких вытяжек, различающихся экстрагирующей способностью.
В нашем эксперименте количественные содержания Си в вытяжках существенно различались. Данные представлены в табл. 3.
Для оценки применимости вытяжек на черноземных карбонатных почвах была сделана попытка оценить их экстрагирующую способность при помощи статистического анализа. Этот подход основывался на возможности с достаточно высокой точностью установить количественную зависимость между извлечением ТМ вытяжками и связыванием металлов различными почвенными компонентами.
Между количеством ионов Си в вытяжке ААБ + 1% ЭДТА И содержанием гумуса установлена обратная корреляционная зависимость (г = -0,7). Это указывает, по-видимому, на достаточно прочную фиксацию Си органическим веществом (рис. 5). Прямая корреляционная зависимость (г = 0,7) получена между содержанием Си в вытяжке и суммой поглощенных оснований. На основе представленных результатов можно предположить, что вытяжкой ААБ + 1% ЭДТА десорбировались обменные формы элемента, связанные с минеральной частью ППК.
Количество Си в вытяжке 1 н. НС1 было меньше - 7,8-8,1 мг/кг. Наблюдается обратная зависимость количеств Си, извлекаемых 1 н. НС1 с содержанием гумуса (г = -0,51), суммой поглощенных оснований (г = -0,57) и содержанием в почве Р2О5 (г = -0,55). Вероятно данная вытяжка извлекает прочно сорбированные формы Си, с чем и связан знак
CD-JOlW^tOCOP
Ш-ЛМЛ ^UMP
ro~jc\oif>-u>toi-»
CO-~3<7\Ln,f*.OJN)l-»
fll И
Ю Н> М О І-1 h-» о
oooooooo
oooooooo
о о
П) t3
s ffi
ООІЛІлОООО
WO0J-J*.H>O*>-
at -~j *> ь" en w en cji
oooooooo
coa j о oi о о ui
о p.
MOJMOJtONJtOtO
wtauosjvflutyi
-Jb»-OvDffl^-J№
MU1WOW(»UlO
о-
оош^оишо
OOOKOCOCTvO OOOOOOOO
tnOOI>UIHlOU
oooooooo
-JO3C0--J-O-0-~0C0
*»OvON)l->0(7lCn
oooooooo
w я о
о p
X 4
я о
В) X
я s о
ж s
к; a о
^3
I
Рис. 5. Зависимость извлечения Си ААБ+1%ЭДТА от содержания в почве гумуса
1,2
ААБ+1%ЭДТА, Ід мгікг
Рис. 6. Зависимость содержания Zn в ААБ+1%ЭДТА от содержания в почве гумуса
0,5 1
ААБ+ГЛЭДТА
1,5
Рис. 7. Зависимость содержания РЬ в ААБ рН 4,8 от содержания подвижного фосфора
-0,3 -0,2 ' -0,1 о о,-
P20S, Ig мг\кг
0,2
0,3
Рис. 8. Зависимость содержания Cd в ААБ рН 4,8 от содержания в почве подвижного фосфора
2 OI
о О
-0,8 -0,6 -0,4 -0,2 О
lg Mrtttr
Рис. 9. Зависимость содержания Cd в ААБ рН4,8 от - содержания в почве К20
а га
о" 2
-0,3 -0,25 -0,2 -0,15 -0,1 -0,05
С S
-0,8 -0,6 -0,4 -0,2 0
Ід міЛкг
Рис.10. Зависимость содерания Cd в ААБ+1%ЭДТА от содержания в почве подвижного фосфора
-as-
- 10 -корреляционной зависимости.
По сравнению с вытяжками ААБ + 1% ЭДТА и 1 н. НС1 ацетатно-ам-монийный буфер показал слабую экстрагирующую способность. Количество Си в этой вытяжке находилось в пределах: 0,15-0,60 мг/кг.
Количество Zn, извлекаемого ААБ с рН 4,8 составило 0,17-0,25 мг/кг (табл. 3).
Количество Zn в вытяжке 1 н. НС1, характеризующей потенциальный запас элемента в почве, составило 5,6-20,0 мг/кг. Количество Zn, извлекаемого ААБ + 1% ЭДТА, составило 6,3-29,5 мг/кг. Между количеством Zn в вытяжке ААБ + 1% ЭДТА и содержанием гумуса наблюдается сильная корреляционная зависимость (г = 0,8), (рис. 6). Такая же зависимость (г = 0,8) прослеживается и с карбонатами.
Вытяжка ААБ с рН 4,8, извлекающая металлы в первую очередь из жидкой фазы почвы, показала довольно высокую экстрагирующую способность по отношению к РЬ в сравнении с солянокислой вытяжкой. Если при экстракции Zn и Си 1н. НС1 извлекала в 20-30 раз больше элементов, чем ацетатно-аммонийная вытяжка, то по РЬ экстракция составила: ААБ с рН 4,8 = 0,45 - 1,71 мг/кг; 1 н. НС1 = 2,3 - 3,0 мг/кг.
Известно, что существует определенная зависимость между содержанием в почве ТМ и фосфатным режимом, поэтому нами изучена количественная зависимость между количеством извлекаемого РЬ и содержанием подвижного фосфора. Корреляционная зависимость между содержанием РЬ в вытяжке ААБ рН 4,8 и содержанием подвижного фосфора (г = 0,7), (рис. 7). Расчет корреляции дает основание полагать, что формы фосфатов РЬ в исследуемых почвах характеризуются как легкорастворимые. Количество РЬ в вытяжке ААБ + 1% ЭДТА (6,1 - 9,7 мг/кг) связано сильной корреляционной зависимостью с суммой поглощенных оснований (г =0,6). В таком случае можно предположить наличие обменных форм РЬ. Количество РЬ в вытяжке ААБ + 1% ЭДТА (6,1 - 9,7 мг/кг) связано сильной корреляционной зависимостью с суммой поглощенных оснований (г = 0,6). В связи с чем можно предположить наличие обменных форм РЬ.
Количество Cd в вытяжке ААБ с рН 4,8 составило 0,1-0,4 мг/кг и довольно тесно коррелирует с содержанием подвижного фосфора (г = 0,8), (рис. 8), содержанием подвижного калия (г = 0,6), (рис. 9), и суммой поглощенных оснований (г = 0,6). Вероятно, что последнее обусловливает способность Cd занимать обменные позиции в минеральной части ППК.
Количество Cd в вытяжке 1 н. НС1 находилось почти в тех же пределах, что и в случае использования вытяжки ААБ - 0,2-0,5 мг/кг.
Экстракция Cd ААБ + 1% ЭДТА, как и по другим металлам, показала количественное преобладание металла, перешедшего в данную вытяжку -0,6-1,0 мг/кг. Здесь наблюдается довольно тесная корреляционная зависимость с содержанием подвижного фосфора (г = 0,6), (рис. 10). Этот факт дает основание полагать, что ионы Cd, как и РЬ, склонны к образованию легкорастворимых фосфатов. В исследуемых почвах с фоновым содержанием Cd наблюдается слабая зависимость между содержанием в почве карбонатов и количеством экстрагируемого элемента: ААБ рН 4,8 (г = 0,4); ААБ рН 4,8 + 1% ЭДТА (г = 0,5).
При изучении влияния ТМ на микробиологическую активность чернозема обыкновенного карбонатного при различных уровнях загрязнения определяли целлюлозоразлагающую и уреазную активность почвы. Загрязненную ТМ (Си, Zn, Pb, Cd) почву компостировали в сосудах и определяли указанные виды микробиологическую активность через 30 и 45 дней инкубации.
Результаты исследований показали, что как через 30, так и через 40 дней инкубации загрязнение чернозема ТМ приводит к существенному
Извлечение ТМ различными экстрагентами из чернозема обыкновенного карбонатного
Таблица 4
Варианты| опыта
Вал
ААБ рН 4,8
"Г
1 н.НСІ
Т
ААБ + 1% ЭДТА
13,5
26,8
56,7
168,3
302,6
6,5
46,4
98,6
460,0
987,0
8,7
37,6
78,6
327,4
415,9
.0,5 0,8 1,4 3,3 5,8 рганизмов. В случае внесения РЬ и Cd в возрастающих дозах целлюлозолитическая способность почвы уменьшается постепенно. При внесении Си и Zn уже в варианте загрязнения уровня 1 ПДК установлено резкое падение скорости распада клетчатки в срок наблюдения 30 и 45 дней.
Согласно данным нашего эксперимента, для оценки ингибирующего
- 12 -действия металлов на интенсивность разложения льняного полотна ножно предложить ряд: Pb < Cd < Си < Zn. Отличие полученного нами убывающего ряда токсичности от общепринятого, вероятно, связано как с особенностями поведения ТМ в черноземе обыкновенном карбонатном, так и с возможной противоречивостью действующих ПДК, не учитывающих генезис почвы.
С использованием статистических процедур нами установлено достоверное снижение активности уреазы при уровне загрязнения 5 ПДК и 10 ПДК Zn, РЬ, Си. При компостировании почвы с внесением Cd происходило усиление расщепления мочевины. По-видимому, в данном случае Cd стимулирует, возможно косвенно, биохимические процессы преобразования органической части почвы.
В процессе эксперимента нами не отмечено явления адаптации микроорганизмов на протяжении всего эксперимента, что обусловлено, по-видимому, самой моделью эксперимента, отличающейся от условий, свойственных агроландшафту.
Существенный спад микробиологической активности чернозема обыкновенного карбонатного наблюдается с внесением Си в количестве 5 ПДК.
Установлены корреляционные зависимости между микробиологической активностью почвы и содержанием Си в вытяжках. Этот факт дает основание предположить, что запасы Си, извлекаемые из почвы вытяжками оказывают ингибирующее воздействие на почвенные микроорганизмы. Более тесная связь с активностью целлюлозоразлагающих микроорганизмов наблюдается с вытяжкой ААБ + 1% ЭДТА (г = -0,98), с активностью фермента азотного обмена г = -0,91.
Действие Zn уже в варианте 1 ПДК существенно снизило целлюлозо-литическую способность и уреазную активность почвы.
Согласно данным табл. 4 количество извлекаемого Zn очень тесно коррелирует с целлюлозолитической способностью и уреазной активностью почвы по всем исследуемым вытяжкам, что может служить подтверждением его высокой токсичности.
Подобные статистические зависимости прослеживаются и по действию РЬ как на целлюлозоразлагающую способность, так и на уреазную активность чернозема обыкновенного карбонатного.
Целлюлозоразрушающая активность почвы характеризуется тесной корреляционной зависимостью с содержанием Cd по всем исследуемым экс-трагентам.
V. ПОСТУПЛЕНИЕ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В РАСТЕНИЯ Основываясь на представлениях о протекании загрязнения в природных биогеоценотических системах, был проведен вегетационный опыт в котором изучалось действие полиметального загрязнения на развитие ярового ячменя. Уровни искусственного загрязнения почвы были назначены в четырех градациях. Минимальная градация загрязнения количественно соответствовала отечественным ПДК по подвижным формам изучаемых металлов (Си, Zn, РЬ), последняя, максимальная из примененных в эксперименте - зарубежным ПДК этих элементов по валовым формам. В эксперименте установлена обратная зависимость между содержанием не-
- 13 -таллов в растениях ячменя и величиной урожая.
Полученные данные позволяют сделать заключение о различных проявлениях механизмов защитных физиологических барьеров ячменя (табл. 5).
Как видно из данных табл. 5, при экстракции Си из почвенного образца контрольного варианта, наблюдается ее количественное преобладание в вытяжке 1н. НС1, характеризующей потенциальный запас этого элемента в почве. С увеличением концентрации Си в модельной почвенной системе наблюдается возрастание количеств Си в вытяжке ААБ +1% ЭДТА. На уровне градаций, превышающих отечественные ПДК по валовым формам (3-й и 4-й варианты), содержание Си в вытяжках было ниже зарубежных и отечественных ПДК по валовым формам, но более чем в 20 раз превышало отечественные ПДК подвижной Си. Видимо, вносимая в почву в виде сухого порошка ацетатов Си, не будучи еще полностью сорбированной почвой при растворении попадает непосредственно в почвенный раствор, что обусловливает ее высокие концентрации в вытяжках. Ацетатно-аммонийная вытяжка, характеризующаяся меньшей экстрагирующей способностью относительно двух других, на уровне загрязнения, близком к зарубежным ПДК, извлекла количество Си в 2 раза большее значения ПДК.
Таблица 5 Поступление металлов из почвы в растения, мг/кг
1 Г '
Вариант | Содержание в почве |Содержание в растениях
опыта | | 1 1 -[
| ААБ рН 4,8 |1 н. НС1|ААБ+1%ЭДТА| солома | зерно
і . і і і 1 :
0,55 0,55 0,58 0,67 1,40 По накоплению Си уровни содержания металла в зерне и соломе возрастают пропорционально градациям загрязнения Си почвы. Это обусловлено, по-видимому, бу-
- 14 -ферными свойствами почвы по отношению к техногенному загрязнению ТМ, а также действием защитных физиологических барьеров растений.
Особенности поведения Си в растениях связаны, по-видимому, с тем, что Си участвует во многих важных физиологических процессах.
. В результате математической обработки установлены некоторые зависимости между содержанием Си в растениях ячменя и ее содержанием в исследуемых почвенных вытяжках. Между количеством Си, извлекаемой ацетатно-аммонийным буфером, и ее содержанием в растениях ячменя наблюдается слабая корреляционная зависимость (г = 0,30). При сопоставлении данных о накоплении Си растениями и количествами Си, извлекаемыми вытяжками 1 н. НС1 и ААБ + 1% ЭДТА, можно отметить, что зависимости были сходными статистически (г = 0,40).
Столь слабая зависимость связана с незначительным варьированием количеств Си в растениях ячменя в вариантах опыта.
При изучении степени влияния накапливаемых растениями количеств Си на их морфо-биометрические показатели применение математико-ста-тистических методов позволило установить достоверное угнетение роста и развития. Высота растений: изменение сопряженности на 76 % обусловлено действием избыточных ионов Си в растениях (г = -0,87), длина колоса - на 79 % (г = -0,89), число колосков в колосе - на 85 % (г = -0,92), число зерен в колосе - на 69 % (г = -0,83); масса зерна изменяется под действием избыточных количеств Си в растениях - на 66 % (г = -0,81); масса соломы: на 56 % (г = -0,75).
Изучение поведения Zn в системе почва - растение позволило установить, что с увеличением содержания Zn в почве стабильно увеличивается его количество по всему ряду исследуемых вытяжек (табл. 5).
Содержание Zn в соломе ячменя характеризуется стабильным преобладанием над его количеством в зерне. Согласно данным выполненной нами статистической обработки, различия между содержанием Zn в соломе в контрольном и первом опытном варианте находятся в пределах случайных колебаний на 5% и 1% уровнях значимости. Установленная высокая достоверность столь малых различий может быть объяснена действием защитного биологического механизма, препятствующего потоку металлов в растения. Одним из вариантов осмысления может быть предположение, что отечественные ПДК несколько заниженные.
Распределение Zn в зерне ячменя имеет аналогию с Си, но различия между содержанием металла В зерне и соломе не столь велики, как в отношении Си. Вариабельность содержания Zn в зерне, не связанную с градациями загрязнения почвы по вариантам опыта, полагаем возможным отнести на счет вариабельности поведения системы "поллютанты - почва - растение - репродуктивные органы" в связи с разнообразием свойств изучаемых экосистем.
По результатам математической обработки количество Zn, извлекаемого ацетатно-аммонийным буфером, и его содержание в растениях ячменя характеризуется сильной корреляционной зависимостью (г = 0,93). Зависимости между количеством Zn в вытяжках 1н. НС1, ААЕ + 1% ЭДТА и его накоплением в растениях тоже характеризуются как сильные (г = 0,90 и г = 0,94 соответственно). Вероятно, в изучаемой модельной системе Zn легкодоступен растениям в силу того, что металл был вне-
- 15 -сен в почву в виде сухих легкорастворимых солей, и, прежде чем он был сорбирован почвой при растворении во время полива, интенсивно поглощался растениями. В то же время можно вести речь о надежности биологического барьера на границе корни - стебель поскольку возрастание концентраций Zn в соломе ячменя далеко непропорционально концентрациям металла, созданным искусственно в модельной системе. В отношении последнего варианта опыта следует отметить ослабление действия защитного механизма. Здесь содержание Zn в соломе резко превысило этот показатель предыдущего варианта.
Накопление Zn растениями ячменя влечет за собой ингибирование роста и развития, что выявлено при сопоставлении количества металла в растениях и соответствующих морфо-биометрических показателей. Получены тесные зависимости, знак которых свидетельствует о том, что увеличение содержания Zn в растении приводит к ингибированию развития последних: высоты растений - на 81% обусловлено накоплением Zn (г = -0,90), уменьшение длины колоса - на 64% (г = -0,80), уменьшение числа колосков в колосе - на 64% (г = -0,80), число зерен в колосе - на 64% - (г = -0,80), масса зерна - на 81% (г = -0,90), масса солокы - на 92% (г = -0,96).
Содержание РЬ во веек исследуемых почвенных вытяжках возрастает пропорционально градациям его внесения в почву. Поскольку в настоящее время гигиенические нормативы содержания подвижных форм РЬ не разработаны, оценивать полученные результаты несколько затруднительно по сравнению с Си и Zn. В то же время, рассматривая отечественные ПДК валового содержания в почве, следует отметить превышение этого норматива в случае экстракции РЬ ацетатно-аммонийным буфером из почвенных образцов четвертого варианта, где производилось внесение уксуснокислого РЬ в количестве 5 фонов по валовому содержанию, характерному для чернозема обыкновенного карбонатного. По данным вытяжки ААБ рН 4,8 + 1% ЭДТА превышение норматива наблюдается уже на третьем варианте (2,5 фона), а по солянокислой - даже на втором (1,5 фона). Солянокислая вытяжка на четвертом варианте извлекла количество РЬ в 1,5 раза превышающее зарубежные ПДК по валовым формам. Таким образом относительно подвижности РЬ по результатам экстракции можно предположить, что в изучаемых условиях металл доступен растениям в значительных количествах. Это можно подтвердить результатами определения содержания РЬ в растениях ячменя.
Уровни содержания РЬ в соломе ячменя возрастают прямопропорцио-нально заданным в опыте вариантам градаций загрязнения почвы. Этот факт можно объяснить двумя причинами: во-первых, возможно, меньшей, по сравнению с Си и Zn, буферной способностью исследуемой почвы по отношению к техногенному РЬ, и во-вторых, что вероятнее, - недостаточной способностью ризосферных барьеров переводить формы РЬ> поступающего в растения, в малоподвижные соединения. Разработанные отечественные ПДК ТМ в сельскохозяйственной продукции допускают содержание РЬ в зерне 0,3 мг/кг. На контрольном варианте содержание РЬ в зерне ярового ячменя составило 0,55 мг/кг. Если предположить, что имеющиеся гигиенические нормативы сильно занижены, адекватно оценить данную ситуацию очень сложно. Уровни содержания РЬ в зерне характе-
ризуются варьированием, непропорциональным принятым в опыте количественными градациями вносимого в почву РЬ. Особенности накопления РЬ в зерне ячменя можно отнести к подтверждению установленных фактов о существовании защитных биологических барьеров, препятствующих избыточному поступлению токсикантов в репродуктивные органы. Стандартная статистическая процедура дала HCPos между средними третьего и четвертого опытного варианта указывающую на ослабление на последнем уровне загрязнения действия защитного биологического барьера "стебель - репродуктивные органы", препятствующего потоку токсикантов.
Содержание РЬ в растениях ячменя характеризуется тесными корреляционными зависимостями по всем исследуемым почвенным вытяжкам: ацетатно-аммонийный буфер (г = 0,95), ацетатно-аммонийный буфер с 1% ЭДТА (г = 0,95} и солянокислая вытяжка (г = 0,95).
В данном случае можно предположить, что наряду с достаточной подвижностью РЬ в самом растении, элемент довольно легко поступает в растение из всех извлекаемых почвенными вытяжками форм несмотря на их различную экстрагирующую способность. Полученные статистические зависимости свидетельствуют, что механизм, препятствующий избыточному поступлению РЬ в растения, срабатывает недостаточно. Об этом свидетельствуют полученные зависимости по ингибированию роста и развития растений. Факториальный признак (содержание РЬ в растении) обусловливает изменчивость результативных признаков: высоты растений -на 49% (г = -0,70), длина колоса на - 44% (г = -0,66), уменьшение числа колосков в колосе - на 34% (г = -0,58), числа зерен в колосе -на 46% (г = - 0,68), массы зерна - на 50% (г = -0,71), массы соломы - на 79% (г = - 0,89) .
ВЫВОДЫ
-
Изучение экстрагирующей способности ААБ рН 4,8 ТМ из чернозема обыкновенного карбонатного позволило установить наличие процессов вторичного осаждения металлов на почвенных коллоидах.
-
Характеристика запаса подвижных форм ТМ в черноземных почвах возможна с использованием вытяжки ААБ + 1% ЭДТА. Количество ТМ, извлекаемых этой вытяжкой, характеризуется корреляционными зависимостями среднего и высокого уровня с агрохимическими показателями почв. Количество Zn, извлекаемое этой вытяжкой, тесно коррелирует с содержанием гумуса (г= 0,8), количество Cd в вытяжке характеризуется средней корреляционной зависимостью с содержанием подвижного фосфора (г= 0,5), РЬ и Си - с суммой поглощенных оснований (г= 0,6 и г= 0,7 соответственно).
-
Согласно полученным экспериментальным данным вытяжка ААБ + 1% ЭДТА часто характеризуется более высокой экстрагирующей способностью по сравнению с ААБ рН 4,8 и 1н. НС1. При этом получены тесные корреляционные зависимости между содержанием металлов в вытяжке и их количеством в растениях (по Zn г = 0,94; по РЬ г = 0,95), что свидетельствует о доступности растениям запаса металлов, извлекаемого этой вытяжкой.
-
Количество металлов в вытяжке 1н. НС1 часто характеризуется отрицательными корреляционными зависимостями с агрохимическими пока-
- 17 -зателями почвы: например, количество Си й 1н. НС1 имеет отрицательную корреляционную зависимость с гумусом (г= -0,51), с суммой поглощенных оснований (г= -0,57), с количеством подвижного фосфора (г= -0,55), что свидетельствует об извлечении вытяжкой металла из проч-носвязакных ІШК соединений. Это дает основание полагать о неадекватности данного экстрагента объекту исследований. В то же время значительная часть экстрагента идет на разрушение карбонатов, что, в свою очередь, снижает селективные свойства вытяжки на черноземных карбонатных почвах.
-
Количества Си и Zn, определяемые вытяжкой ААБ рН 4,8 в черноземных почвах, изученных на стационарных участках, не имеют корреляционной зависимости с агрохимическими показателями почв. Последнее подтверждает слабую экстрагирующую способность вытяжки ААБ рН 4,8.
-
В модельном эксперименте, в котором изучалась микробиологическая активность чернозема обыкновенного карбонатного при различных уровнях загрязнения ТМ, в течение всего периода наблюдения (30...45 дней) отмечалось стабильное ингибирование микробиологической активности почвы. За период наблюдений не отмечалось явления адаптации почвенных микроорганизмов к загрязнению почвы ТМ. Снижение целлюло-зоразлагающей активности под действием высоких доз Си составило 54%, уреазной активности 60% по сравнению с контролем; целлюлозоразлагаю-щей активности при внесении Zn - 99%, максимальное угнетение фермента уреазы - 63%. Максимальное снижение целлюлозоразлагающей активности под действием РЬ составила 34%, уреазы - 54%. Под действием Cd максимальное снижение целлюлозоразлагающей активности составило 41%, уреазной активности - 58%.
-
При сравнении равных доз металлов по токсичности в отношении действия на микробиологическую активность чернозема обыкновенного карбонатного установлен следующий ряд: Zn > Си > Cd > РЬ.
-
При выращивании ярового ячменя на искусственно загрязненной почве Zn, Си, РЬ (в вегетационном опыте) ингибирующее влияние металлов проявилось в снижении биологической продуктивности растений: по массе зерна - на 51,0%, по массе соломы - на 26,5%.
ПРЕДЛОЖЕНИЕ ПРОИЗВОДСТВУ При определении запаса подвижных форм тяжелых металлов и микроэлементов в черноземе обыкновенном карбонатном предлагается использовать вытяжку ААБ рН 4,8 + 1% ЗДТА.
