Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Условия и методы проведения исследований 9
Глава 2. Источники поступления и содержание тяжелых металлов в почвах и растениях 24
2.1. Источники поступления и пределы содержания тяжелых металлов в почвах 27
2.2. Биологические особенности культур в накоплении тяжелых металлов. 38
Глава 3. Онтогенетический ход накопления сухой массы и распределения в растениях тяжелых металлов при различной концентрации их в почве 51
3.1. Динамика накопления сухой массы и продуктивность культур в зависимости от содержания ТМ в почве 51
3.2. Влияние концентрации тяжелых металлов в почве на динамику содержания, накопления и распределения их в растениях 66
Глава 4. Влияние загрязнения почв тяжелыми металлами на динамику поглощения макро- и микроэлементов растениями. антагонизм и синергизм ионов 104
4.1. Динамика накопления и содержание в растениях азота, фосфора и калия 104
4.2. Изменение содержания и коэффициентов поглощения Zn, Си, Cd, Mn, Pb, Ni при загрязнении почвы тяжелыми металлами 151
Глава 5. Известкование кислых почв и элементный состав растений 165
Глава 6. Влияние азотных удобрений на динамику содержания и накопления тяжелых металлов растениями при загрязнении почвы цинком, кадмием и свинцом 205
6.1. Азотные удобрения и динамика кадмия в системе почва-растение 206
6.2. Азотные удобрения и динамика свинца в системе почва - растение 226
6.3. Динамика содержания Си, Ni, Zn и Мп в почве и растениях при внесении азотных удобрений и загрязнении почвы Cd и РЬ 241
6.4. Динамика содержания Zn и роль азотных удобрений в накоплении его растениями при загрязнении почвы ТМ 269
6.5. Влияние азотных удобрений при загрязнении почвы ТМ на урожайность культур, вынос и соотношение элементов в урожае 285
Глава 7. Влияние фосфорных удобрений на содержание, вынос тм растениями и продуктивность культур в условиях загрязнения почвы 299
Глава 8. Влияние калийных удобрений на продуктивность и химический состав растений при загрязнении почвы тяжелыми металлами 313
Глава 9. Влияние органических удобрений при совместном и раздельном их внесении с минеральными и известью на продуктивность культур и содержание тм в почве и растениях 328
9.1. Влияние органических и минеральных удобрений на содержание тяжелых металлов в почве при антропогенной нагрузке 330
9.2. Влияние органических и минеральных удобрений при длительном их внесении на химический состав растений. Баланс Zn, Cd, Pb, Ni, Си, Мп в полевом севообороте при различных системах удобрения 348
9.3. Влияние органических удобрений на элементный состав сельскохозяйственных растений при повышенных концентрациях тяжелых металлов в почве 369
Глава 10. Влияние загрязнения почвы тм на показатели качества получаемой продукции 380
Выводы и предложения 387
Список литературы 392
Приложения 440
- Биологические особенности культур в накоплении тяжелых металлов.
- Влияние концентрации тяжелых металлов в почве на динамику содержания, накопления и распределения их в растениях
- Изменение содержания и коэффициентов поглощения Zn, Си, Cd, Mn, Pb, Ni при загрязнении почвы тяжелыми металлами
- Известкование кислых почв и элементный состав растений
Введение к работе
Реализация потенциальных возможностей сельскохозяйственных культур возможна при строгом обеспечении оптимального уровня их сбалансированного питания элементами с учетом почвенно-климатических условий, биологических особенностей, технологических условий выращивания, а также целого ряда других факторов. Несмотря на значимость проблемы минерального питания, теоретические основы и технологические приемы питания растений, способные обеспечить получение стабильно высокой продуктивности, до настоящего времени разработаны недостаточно. Одной из причин этого является непостоянство экологических условий.
Решение многих экологических вопросов становится в последнее время не просто актуальным, а необходимым условием для сохранения жизни на Земле.
Человечество стоит перед проблемой предвидеть ближайшие и отдаленные последствия своего вмешательства в природные процессы, добиваясь наибольшего положительного эффекта использования ресурсов биосферы, вводя рациональную технологию, многократно используя и возвращая в биохимические циклы природы и хозяйства побочные продукты и отходы индустрии, горного дела, городского хозяйства, земледелия.
Человек и все антропогенные системы являются гетеротрофными образованиями, потребляющими энергию и биомассу, создаваемую почвенно-растительными экосистемами. Научное понимание и рациональное использование взаимоотношений автотрофных и гетеротрофных компонентов в биосфере лежат в основе успешного управления циклическими биохимическими процессами, в первую очередь, через почвенный процесс.
Резкое уменьшение объёмов применения минеральных и органических удобрений, известкования почв, недооценка других агрономических мероприятий вызвало в настоящее время падение плодородия почв практически во всех земледельческих районах России. Формирование урожаев сельскохозяйствен-
5 ных культур за счет потенциального плодородия почв приводит к ухудшению их гумусного состояния, водно-физических и физико-химичес-ких свойств, увеличению площадей пашни с очень низким содержанием подвижных форм макро- и микроэлементов.
Наиболее опасной формой деградации почв является загрязнение их тяжелыми металлами или другими химическими элементами, техногенное поступление которых в окружающую среду, оказывает негативное воздействие на почву и растения, приводит к нарастанию экологических последствий и представляет угрозу для здоровья человека.
Почвы обладают буферностью и поэтому относительно устойчивы к антропогенному воздействию, однако, именно загрязнение почв и их многоплановая деградация существенно скажется в дальнейшем, поскольку восстановление почвенного плодородия - процесс длительный и сложный, поэтому одной из актуальных проблем является проблема динамики токсичных соединений, изучение законов их сорбции, миграции и аккумуляции в почве. Здоровье человека, болезни, скрытые мутации в значительной мере зависят от присутствия, концентрации, соотношения и взаимодействия таких соединений с почвами, почвенными организмами и растениями.
Практически любой из химических элементов, в зависимости от концентрации во внешней среде, а точнее - от поступившей дозы и соотношения с другими элементами и соединениями, может оказывать и положительное, и отрицательное действие на обмен веществ в живых организмах.
По мере того, как накапливаются факты такого действия на растительный, животный мир и человека, всё острее встает вопрос о создании продуктов питания и кормов с заданным элементным составом.
В первую очередь, актуальность этого направления продиктована ростом неблагоприятных изменений условий жизни, неумелым вмешательством человека в круговорот химических элементов в биосфере.
Теоретической основой для получения нормированной по определенным
химическим элементам продукции растениеводства является всестороннее изучение значения химических элементов во всех звеньях пищевой биогеохимической цепи, миграция их в системе почва - растение - животное - человек. Установлено, что неадекватное нормальному поступление биофильных макро- и микроэлементов в живой организм, избыточное поступление элементов-ксенобиотиков, как и аномальное соотношение между химическими элементами в его питании, ведет к нарушению функций, необратимым физиологическим изменениям в организме и даже его гибели. Прежде всего, это касается таких биофильных элементов как азот, магний, кальций, фосфор, железо, марганец, цинк, медь, кобальт, селен, молибден, хром и элементов-ксенобиотиков - никель, свинец, кадмий, ртуть.
Вместе с тем, техногенные потоки таких опасных загрязнителей, как тяжелые металлы, становятся соизмеримыми с количествами, естественно участвующих в биогенном круговороте веществ, а иногда и превышающими последние, причем в ближайшем будущем предполагается тенденция их увеличения.
В научной литературе наиболее широко представлены результаты исследований по влиянию концентраций тяжелых металлов на метаболизм, рост и репродуктивные функции культурных растений, возможные механизмы защиты растений от поступления тяжелых металлов (Аристархов А.Н., Глазовская М.А., Зырин Н.Г., Ильин В.Б., Ладонин В.Ф., Милащенко Н.З., Минеев В.Г., Овчаренко М.М., Остромогильский А.Х., Потатуева Ю.А., Черных Н.А., Шиль-ников И.А., Ягодин Б.А.). Вопросы, касающиеся действия основных агрохимических приёмов окультуривания почвы, еще недостаточно изучены, что доказывается противоречивостью экспериментальных данных и различиями в их интерпретации.
К настоящему времени имеются лишь фрагментарные и разрозненные сведения по интенсивности поглощения биогенных и токсичных элементов, представленные для всего периода роста растений, и соотношениям потребляемых элементов во время вегетации.
Поэтому в настоящее время наряду с решением вопросов охраны биосферы и, в частности, почвенного покрова от загрязнения тяжелыми металлами большой интерес представляет оптимизация питания сельскохозяйственных культур биогенными макро- и микроэлементами, с учетом усиления деятельности физиологических барьеров, препятствующих поступлению токсических веществ в растения, особенно в те их органы, которые идут в пищу человеку и на корм животным; выявление способов снижения транслокации тяжелых металлов в растения; поиск надежных методов для диагностики уровня загрязнения почв тяжелыми металлами и прогноза использования таких почв под сельскохозяйственные угодья.
В Ярославской области, также как и в других областях Центрального Нечерноземья, в связи с наличием крупных предприятий машиностроения, нефтехимической промышленности, лакокрасочного и асбесто-технического производств, ГРЭС и ТЭЦ имеет место локальное загрязнение почв тяжелыми металлами, на что указывает высокий процент их потенциально доступных форм. Приоритетными загрязнителями в области являются медь, цинк, свинец, кадмий.
Поэтому при разработке ландшафтных систем земледелия необходимы знания эколого-агрохимических функций разных видов растений, т.к. физиологические особенности культуры и наличие у растительного организма механизмов защиты от неблагоприятных факторов внешней среды играют важнейшую роль при определении размеров поглощения. Актуальным также является вопрос о возможности повышения устойчивости сельскохозяйственных культур, и в первую очередь, возделываемых на технические цели, к загрязнению почв тяжелыми металлами путем оптимизации питания растений, в т. ч. с использованием различных видов удобрений и их доз.
Учитывая важность исследований устойчивости растений к загрязнению почв тяжелыми металлами для принятия решений в области сельского хозяйст-
8 ва, промышленности, медицины данная проблема наряду с теоретической имеет важное практическое значение.
Цель настоящих исследований заключалась в теоретической разработке и научном обосновании количественных и качественных показателей потребности растений в отдельных элементах, повышении устойчивости сельскохозяйственных культур к загрязнению почвы тяжелыми металлами путем оптимизации их питания, в агроэкологической оценке различных видов удобрений, в т.ч. в условиях техногенной нагрузки на почву.
Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:
Провести эколого-агрохимическую и санитарно-гигиеническую оценку состояния агроценозов пахотных почв Ярославской области.
Оценить толерантность растений, в первую очередь, возделываемых для технических целей, к различным уровням загрязнения почвы кадмием, свинцом и цинком.
Изучить динамику поступления биогенных элементов и тяжелых металлов в растениях на почвах, загрязненных кадмием, свинцом и цинком в зависимости от биологических особенностей культур.
Выяснить селективность поглощения элементов растениями при повышении концентрации Cd, Pb, Zn в почве и роль различных органов в формировании механизма устойчивости растений к тяжелым металлам.
Исследовать антагонистически-синергические взаимодействия микро-и макроэлементов при их транслокации в растения на почвах, загрязненных тяжелыми металлами.
Изучить влияние известкования различных органических и минеральных удобрений на количественный и качественный состав растений в условиях техногенной нагрузки на почву.
Дать балансовую оценку состояния и прогноза загрязнения почв тяжелыми металлами при длительном применении органических и минеральных удобрений.
Биологические особенности культур в накоплении тяжелых металлов.
А.П. Виноградов (1935) указывал, что нельзя отрицать физиологической роли ни одного из известных элементов периодической системы Д.И. Менделеева для тех или иных организмов, тем более что большая часть этих элементов обнаружена во всех звеньях пищевой цепи.
При возрастающей экологической нагрузке на почву вследствие техногенного загрязнения, в т.ч. тяжелыми металлами большое значение имеет изучение физиолого-агрохимических основ устойчивости растений к присутствию в среде токсичных концентраций ТМ с целью усиления деятельности физиологических барьеров, препятствующих поступлению их в растения. Живые организмы избирательно используют химические элементы, накапливая один из них и элиминируя другие, нередко независимо от их содержания в окружающей среде. Роль растений важна как в геохимическом круговороте элементов, так и в поступлении загрязняющих веществ в пищевые цепи (Ягодин, 1995; 1998). Высшие растения благодаря различным морфологическим и физиологическим свойствам способны накапливать различные количества тяжелых металлов и проявлять различную устойчивость к их концентрации в почве (Ковда, Золотарева, Скрипчинский, 1979; Алексеева-Попова, Ильинская, 1983; Гураль-чук, 1990; 1994; Краснова, 1990; Черных, 1991; Тощев, Загарская, Коноплев, 2001).
Наши исследования, проведенные с культурами, отобранными на 194 садовых участках, находящихся в зоне техногенной нагрузки, показали, что растения, принадлежащие к различным семействам, резко отличались по своей способности накапливать ТМ (табл. 7). Даже внутри одного семейства растения очень различались по содержанию ТМ. Так, в семействе розоцветные содержание меди в клубнике в 3,5 раза было выше, чем в малине. В ней содержалось также максимальное количество никеля и хрома. Наибольшая аккумуляция свинца отмечена у смородины, кадмия и цинка у малины.
В литературе имеется множество примеров лабильности концентраций ТМ в семенах и плодах растений (Бамберг, 1956; Ягодин и др., 1989; 1992; Торшин, 1998). Изучение нами в условиях 1996-1998 г.г. химического состава основных культур, возделываемых в Ярославской области, также показало значительную вариабельность содержания изучаемых тяжелых металлов: по меди в 2-12 раз, цинку - 3-14, ртути - более чем в 8 раз, кадмию - более чем в 33 раза (табл. 8). Самая большая вариабельность характерна для свинца. Размах колебаний в первую очередь определялся принадлежностью растений к различным биологическим группам.
По этому показателю особо выделяются так называемые огородные культуры, что может быть связано, в том числе и с апоплазматическим поступлением ТМ в корнеплоды и клубни при увеличении их концентрации в почве. По сравнению со средними данными, приводимыми Кабата-Пендиас, Пендиас (1989) и Ягодиным и др. (1989), нами обнаружено большее содержание меди в капусте (в 1,4 раза); свинца в зерне пшеницы (в 1,3 раза); ртути в корнеплодах свеклы, а также мышьяка в зерне овса (в 4 раза). Почти в 2 раза меньше по сравнению со средними литературными данными содержалось меди в зерне ячменя и овса; в 10 раз кадмия в корнеплодах моркови.
Содержание различных ТМ также зависело от видовых особенностей растений: меди и свинца больше накапливалось в корнеплодах по сравнению с клубнями картофеля и зерном злаков. Максимальное количество цинка зафиксировано в зерне пшеницы и ржи, мышьяка - в корнеплодах свеклы, в кочанах капусты. По среднему содержанию кадмия изучаемые культуры различались в меньшей степени. Очевидно, что колебания элементного химического состава растений вызваны действием совокупности различных факторов в каждом конкретном случае. Условно эти факторы можно подразделить на три большие группы: генетические, экологические и возрастные (Ильин, 1985).
Исследования, устанавливающие различия химического состава органов запасания ассимилятов по микроэлементам и тяжелым металлам между видами культур гораздо многочисленнее, чем между сортами одного и того же вида. В основном они касаются зерновых культур (Соколова, Яцюк, 1964; Гризо, Пыльнев, Шилова, 1980; Clark, 1983).
Наши исследования показали большое разнообразие элементного химического состава клубней различных сортов картофеля (табл. 9). Четыре сорта, выращенные на дерново-подзолистой почве колхоза «Прогресс», Ярославского района, Ярославской области заметно различались по содержанию в клубнях меди (0,8-2,9 мг/кг), цинка (4-Ю мг/кг), свинца (0,4-0,9 мг/кг) железа (11-33 мг/кг сухого вещества). Меньшим содержания кадмия в клубнях выделялся сорт "Луговской", несколько больше хрома накапливалось в клубнях сорта "Невский". При этом сортовые различия по накоплению ТМ в ботве были не столь существенны. По содержанию меди, кадмия и никеля выделялся сорт "Санте", свинца - "Луговской", хрома - "Романо".
Влияние концентрации тяжелых металлов в почве на динамику содержания, накопления и распределения их в растениях
Чтобы установить участие микроэлементов и тяжелых металлов в метаболических процессах, необходимо изучить вопросы аккумуляции и перераспределения элементов по фазам развития в разных органах растений.
Поступление элементов в растение связано, как уже отмечалось, с биологическими особенностями самого растения, климатическими условиями, свойствами почвы и т.п. Для основных элементов питания установлены критические периоды потребления. Поглощение и реутилизация микроэлементов и особенно ТМ изучены недостаточно. Особенность различных растений поглощать ТМ весьма изменчива. Однако при рассмотрении в целом способность к биоаккумуляции элементов обнаруживает некоторые общие тенденции. Такие элементы, как Cd, имеют сильную степень накопления, Zn, Hg, Си, Pb - среднюю; Mn, Ni, Сг - слабую (Каба-та-Пендиас, Пендиас, 1989).
Характер распределения и накопления микроэлементов заметно варьирует для разных элементов, видов растений и периодов роста (Власюк, Карась, 1965; Дьери, Зырин, 1965; Чернявская, Фареник, Гончаренко, 1965; Мишин, 1967; Терентьева, Дорожкина, 1967; Грибовская, Гринкевич, 1970; Мокриевич и др., 1973; Зимаков, Захарова, Лазарев, 1986; Леонова, 1999; Панин, Касымова, 1999; Лукин, Явтушенко, Солдат, 2000). Существуют высказывания о том, что большинство микроэлементов интенсивно поступает в растения до начала цветения, по мере дальнейшего развития, к периоду созревания процесс поглощения постепенно затухает (Терентьева, Дорожкина, 1967).
Это представление недостаточно обосновано; некоторые микроэлементы поглощаются растениями на протяжении всего периода вегетации и концентрируются в отдельных органах, даже в больших количествах к концу вегетации, к моменту созревания. Так, некоторые авторы считают Zn очень подвижным элементом, другие же полагают, что он обладает умеренной подвижностью (Райсманс, 1958; Па-рибок, Кузнецова, 1964; Косицын, 1965; Чернявская и др., 1965; Терентьева, Дорожкина, 1967).
В действительности при оптимальном поступлении цинка некоторые виды растений перемещают заметные количества этого элемента из старых листьев в генеративные органы, но в условиях дефицита Zn эти же виды мобилизовали только небольшие количества или вообще не мобилизовали цинк из старых листьев. Суммируя различные данные, можно полагать, что Zn, очевидно, концентрируется в зрелых листьях. Однако Шеффером и др. (1978) отмечалось, что наибольшие концентрации Zn в листьях, листовых влагалищах и междоузлиях ячменя наблюдались всегда в фазу интенсивного роста, что указывает на большие флуктуации содержания Zn в растении на протяжении вегетативного периода.
Способность картофеля, цикория и льна поглощать цинк и свинец в одних и тех же почвенных и погодных условиях показана в наших исследованиях, приведенных в таблицах 21-23. С течением времени в растениях происходило постепенное повышение содержания цинка: у картофеля до фазы цветения (табл. 21), у цикория до смыкания ботвы в междурядьях (табл. 22), у льна - до фазы ранней желтой спелости (табл. 23). При этом основная тенденция такова, что чем выше концентрация Zn в почве, тем больше его содержание в растениях. Так, при первом определении цинка в растениях картофеля и цикория при внесении его в дозах 75, 150, 300 и 500 мг/кг содержание в целом растении возрастало по сравнению с фоном соответственно в 1,1; 1,2; 1,3; 1,6 и 1,1; 1,3; 1,9; 2,0 раза; при втором - 1,1; 1,2; 1,3; 1,8 и 1,5; 2,0; 2,3; 2,4 раза, в т.ч. в клубнях - в 1,1; 1,2; 1,4; 2,0 и в корнеплодах -1,2; 2,3; 2,4; 2,7 раза; перед уборкой - в 1,2; 1,5; 1,7; 2,2 и 1,2; 1,5; 1,9; 1,9 раза, в т.ч. в клубнях - 1,1; 1,3; 1,5; 1,9 и корнеплодах - 1,0; 2,1; 2,1; 2,4 раза. Распределение цинка между продуктивными и вегетативными органами зависело от биологических особенностей культур. Наибольшее количество цинка обнаружено в семенах льна. В зависимости от варианта опыта оно превосходило содержание в соломке в 3,6-4,2 раза, возрастая с увеличением количества вносимого в почву цинка (табл. 23). На высокое содержание цинка в семенах льна указано в обзорной работе Ягодина и др. (1992).
В продуктивных органах картофеля и цикория содержание цинка значительно ниже, чем в ботве (табл. 21, 22). В свою очередь соотношение в содержании элемента между ботвой и корнеплодами цикория более широкое, чем между ботвой и клубнями картофеля. В зависимости от периода роста оно составило 3,9-7,1. При этом необходимо отметить более значительное повышение содержания Zn в корнеплодах при его внесении в почву в дозе 150 мг/кг. Дальнейшее повышение содержания цинка в почве сопровождалось более существенным увеличением его содержания в ботве по сравнению с корнеплодами.
Изменение содержания и коэффициентов поглощения Zn, Си, Cd, Mn, Pb, Ni при загрязнении почвы тяжелыми металлами
Взаимодействия между элементами, наблюдаемые в растениях показывают, насколько сложны эти процессы, так как они могут быть то антагонистическими, то синергическими, что связано, вероятно, со специфическими реакциями у отдельных генотипов или видов растений.
При изучении микроэлементов наибольшее число антагонистических реакций наблюдалось для Fe, Мп, Си, Zn, которые, очевидно являются ключевыми элементами в физиологии растений (Пейве, 1974; Mengel, Kirkby, 1978; Bo-wen, 1979; Welch, 1979). Функции этих микроэлементов связаны с процессами поглощения и с энзиматическими реакциями. Среди остальных микроэлементов в антагонистических отношениях к этой четверке часто примыкают Сг, Мо и Se.
Синергическое взаимодействие между микроэлементами обычно не наблюдается. Синергизм Cd с такими микроэлементами, как Pb, Fe и Ni, может быть артефактом, возникающим вследствие разрушения физиологических барьеров под действием стресса, вызванного избыточными концентрациями тяжелых металлов. Кроме того, некоторые реакции, происходящие в среде, окружающей корни, и влияющие на потребление микроэлементов корнями, по-видимому, не связаны непосредственно с метаболическими взаимодействиями, однако эти два типа реакций нелегко различить. Как уже отмечалось, различные культуры в идентичных условиях различались не только количеством органического вещества, но и содержанием тяжелых металлов в различных органах растений (табл. 47).
Так, корнеплоды цикория в условиях одного и того же года содержали кадмия меньше, чем семена льна, в 2,1 раза и клубни картофеля - в 1,6 раза. Меньше, чем в репродуктивных органах картофеля и генеративных льна в них также обнаружено меди, цинка и никеля. Минимальным содержанием свинца и марганца отличались клубни картофеля. Солома льна значительно уступала по содержанию свинца, меди, цинка, никеля, марганца, ботве картофеля и цикория, которая в свою очередь накапливала значительное количество цинка, никеля и марганца. В суммарном количестве определяемых в семенах льна микроэлементов и тяжелых металлов наибольшую долю составляли в оба года исследований Zn; Мп и Си; в соломе и корнях - Мп и Zn.
В клубнях картофеля по доле в суммарном содержании определяемых элементов они располагались в ряд: в 1998г. - Zn Мп Си Ni Pb Cd, в 1997г. - Zn Си Мп Pb Ni Cd. В корнеплодах цикория доля марганца составляла почти половину суммарного количества определяемых элементов. Избирательная способность растений потреблять элементы из почвы, обусловлена определенной направленностью в синтезе органических и минеральных соединений. Сбалансированность химического состава растений - основное условие их нормального роста и развития. При загрязнении почвы ТМ возможны химические стрессы у растений. Для оценки взаимодействия между микроэлементами и ТМ, степени загрязнения почвы рассчитывали коэффициенты превышения их накопления по органам по сравнению с фоновым содержанием (акропетальные коэффициенты) и коэффициенты относительного поглощения (Черных, Овчаренко, 2002). В растительных тканях отмечалось разнообразное взаимодействие кадмия, свинца и цинка между собой и с другими химическими элементами (табл.48).
В литературе имеются данные, показывающие, что избыток кадмия нарушает метаболизм металлов, действие цинксодержащих и других металло-ферментов, что может вызвать перераспределение цинка и других металлов в организме (Hirschberg et al., 1985). В наших исследованиях при кадмиевой нагрузке на почву в условиях более сухого года увеличивалось на 30%, а более влажного - уменьшалось на 20% содержание свинца в семенах льна. Содержание никеля и марганца в зависимости от лет проведения исследований изменялось в обратном порядке. В более сухой год оно снижалось на 60 и 30%, а в более влажный - увеличивалось на 40 и 10%, соответственно. Под действием кадмия содержание цинка в семенах увеличивалось в различные по погодным условиям годы не более чем на 10%. Существенное увеличение содержания меди (на 30%) отмечено в более влажный по погодным условиям 1998 год.
В оба года исследований загрязнения почвы кадмием приводило к увеличению содержания в соломе льна свинца и меди на 10-30, цинка - 10%. Содержание никеля в отличие от семян снижалось в более влажный и увеличивалось в более сухой годы на 20%. Содержание марганца в соломе снижалось в оба года исследований на 10%. Загрязнение почвы кадмием не повлияло на содержание в корнях льна свинца, цинка; уменьшало содержание марганца в оба года исследований; увеличивало содержание меди и никеля в более сухой год и уменьшало количество последнего в более влажный. Более однозначно, при кадмиевой нагрузке на почву изменялись относительные коэффициенты содержания ТМ в растениях: в оба года исследований в целом растении увеличивалось содержание свинца, меди, цинка; никеля и марганца - в сухой год уменьшалось, во влажный - Ni не изменялось; марганца -увеличивалось (табл. 49).
Известкование кислых почв и элементный состав растений
Среди факторов, определяющих химический состав растений, большая роль принадлежит свойствам почвы (Боратыньский, Зентецкая, 1976; Влияние свойств..., 1978; Кулаковская, 1980; Ильин, 1985; Гудков, 1989; Минеев и др., 1993; Хомяков, 2000). При этом многие авторы отмечают наибольшее значение в формировании микроэлементного состава растений рН почвы (Бамберг, 1956; Choi et al., 1999; Divale, Chavan, 1999; Romkens et al., 1999; Rupa, Toriar, 1999; Choudhury, Khanif, 2000).
Реакция среды в почве - один из основных показателей уровня плодородия почв для большинства сельскохозяйственных культур, т.к. она является своего рода интегральным показателем целого комплекса свойств, от которого зависит формирование урожая: содержание доступных для растений форм азота, фосфора, калия, многих микроэлементов, подвижность алюминия, избыточное количество которого может оказывать большее отрицательное действие на растения, чем ионы водорода; количественный и качественный состав микробного сообщества, продукты метаболизма которого существенно влияют на продуктивность растений (Известкование..., 1976; Кириенко, 1977; Шильников, Лебедева, 1987; Небольсин и др., 1997, 2000).
При повышении кислотности изменяется растворимость и мобильность отдельных биофильных элементов, что отражается на питательном режиме растений. На 30-40% уменьшается эффективность минеральных удобрений, проявляется фитотоксичность алюминия, марганца и других элементов, изменяются состав и свойства гумуса и т.д. Агрономическое значение известкования общеизвестно, однако, не в меньшей степени играет роль его природоохранное значение (Алексеев, 1987; Шильников и др., 1995, 1996; Тяжелые металлы..., 1997; Алиев, 2001). При оптимизации реакции среды в почве улучшаются ее азотный и фосфатный режимы, поэтому на известкованных почвах можно на 15-20% снижать дозы азотных и фосфорных удобрений. Экологическая роль известкования проявляется в активизации деятельности полезных микроорганизмов, особенно азотфиксирующих и нитрифицирующих бактерий, улучшении развития клубеньковых бактерий, что в итоге усиливает азотное питание растений. Повышение рН почвы способствует переводу трудно растворимых почвенных соединений фосфора в усвояемые формы.
Многие авторы отмечают, что для дерново-подзолистых почв, загрязненных тяжелыми металлами, уменьшение почвенной кислотности, достигаемое известкованием, является существенным фактором снижения их транслокации в растения (Алексеев, 1978, 1987; Овчаренко, 1995; Шильников, Аканова, 1995; Кузьмич и др., 2000; Impens et al., 1991).
В кислотном интервале рН подвижность многих тяжелых металлов повышена и уменьшается по мере нейтрализации кислотности среды. При известковании наблюдается увеличение катионной поглотительной способности почв. Содержащиеся в кислых почвах в подвижном состоянии железо, алюминий, марганец при нейтрализации кислотности превращаются в нерастворимые гид-роксиды, хорошо адсорбирующие другие тяжелые металлы из почвенного раствора. Однако имеется ряд металлов, подвижность которых с ростом рН почвы возрастает. К ним относятся молибден и хром, которые способны в слабокислой и щелочной среде образовывать растворимые соли молибденовой и хромовой кислот. Молибден и хром в этих случаях шестивалентны и входят в состав анионов (Алексеев, 1987; Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989; Минеев, 1990; Ильин, 1991; Соколов, Черников, 1999). Защитное действие извести обусловлено следующими моментами: 1. Известкование изменяет состав поглощенных катионов в твердой фазе почвы, в частности, водород в значительной степени замещается кальцием. При этом происходит нейтрализация среды и образование коллоидов гидроксидов большинства тяжелых металлов, находящихся в почвенном растворе. Несколько возрастает катионная поглотительная способность почвы. 2. Интенсифицируется деятельность микрофлоры, существенно возрастает ее биомасса, усиливается биологическое поглощение металлов. 3. Известкование обогащает почву кальцием, который способствует коагуляции почвенных коллоидов, улучшает структуру почвы, активизирует процессы окисления, влияет на окислительно-восстановительный потенциал. 4. Увеличение концентрации кальция в почвенном растворе создает условия для проявления антагонизма ионов. Так, при известковании кислых почв кадмий, ртуть, свинец, кобальт, никель и другие переходные металлы образуют практически нерастворимые гид-роксиды Ме/ОН/г и карбонаты Ме/СОз, произведения растворимости которых находятся в пределах 10"12 - 10"17. Ограниченная подвижность и доступность металлов растениям приводит в этих условиях к снижению их содержания в продукции, но одновременно увеличивает степень загрязнения почвы в силу ослабления миграционных потоков (Ягодин и др., 1993; Овчаренко, 2001). К настоящему времени, вследствие небольшого числа работ, посвященных изучению влияния внешних факторов на процессы трансформации тяжелых металлов в почве, не сформировалось определенной концепции о характере эволюции почв в условиях антропогенной нагрузки. Необходимы дополнительные исследования свойств почв и, в первую очередь, физико-химических, для оценки особенностей их функционирования и сопряженных с ними экосистем. Плодородие почв или величина урожая (фитомассы), который почва способна производить в течение вегетационного периода, во многом зависит от строения и свойств почвенного поглощающего комплекса (ППК). Гедройц, рассматривая почвенно-поглощающий комплекс (ППК), характеризовал его как составляющую минеральной и органической части в почвенном растворе, который является главной средой жизнеобеспеченности растений и протекания всех химических и биологических реакций (Гедройц, 1955). Основной характеристикой почвенного раствора является концентрация водородных ионов. Роль реакции среды и почвенного кальция в снижении токсичности тяжелых металлов до сих пор остается открытой. Даже данные одних и тех же авторов бывают весьма противоречивы (Тяжелые металлы..., 1997; Овчаренко, 2001). Так, Овчаренко М.М. (2001) указывает на то, что детоксикационный эффект химических мелиорантов, главным образом, связан с изменением реакции среды. Действие же иона кальция, как элемента, способного противодействовать поступлению в растения кадмия, цинка и свинца, оказалось в несколько раз слабее и неустойчиво во времени. Однако еще Петров-Спиридонов А.Е. (1965), Магницкий К.П. (1969), Wallace A., Folich Е. (1966) отмечали, что, несмотря на небольшую потребность некоторых растений в кальции для нормального роста при хорошо сбалансированном питании, этот элемент необходим в большом количестве для предотвращения вредного влияния избытка магния, меди, железа, марганца, цинка и других ионов.
