Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 ТЯЖЕЛЫЕ МЕТАЛЛЫ В СИСТЕМЕ ПОЧВА-РАСТЕНИЕ 8
1.1. Биофильность тяжелых металлов и их физиологическая роль как микроэлементов 8
1.2. Тяжелые металлы в почвах и растениях 10
1.3. Техногенное загрязнение и его влияние на содержание тяжелых металлов в растениях 15
1.4. Влияние содержания тяжелых металлов в почве на микробиологические процессы и мобилизацию минеральных форм азота 17
ГЛАВА 2 ФАКТОРЫ ПОЧВООБРАЗОВАНИЯ, ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ 21
2.1. Факторы почвообразования и почвенный покров зоны проведения исследований 21
2.2. Современное состояние загрязненности почв обследуемой зоны 26
2.3. Объекты исследования 30
2.4. Методы исследования 32
ГЛАВА 3. ВЛИЯНИЕ СОДЕРЖАНИЯ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В ПОЧВЕ НА ИХ КОНЦЕНТРАЦИЮ В СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ КУЛЬТУРАХ 36
3.1. Особенности биологического поглощения тяжелых металлов растениями 36
3.2.Влияние загрязнения почв тяжелыми металлами на уровни их содержания в сельскохозяйственных культурах 42
3.2.1. Особенности биологического поглощения свинца картофелем и корнеплодами моркови 43
3.2.2. Особенности биологического поглощения цинка картофелем и корнеплодами моркови 46
3.2.3. особенности биологического поглощения меди картофелем и корнеплодами моркови 51
3.2.4. Особенности биологического поглощения кобальта картофелем и корнеплодами моркови 54
3.2.5. Особенности биологического поглощения хрома картофелем и корнеплодами моркови 58
3.2.6. Особенности биологического поглощения железа картофелем и корнеплодами моркови 61
3.2.7. Особенности биологического поглощения кадмия картофелем и корнеплодами моркови 65
ГЛАВА 4 ВЛИЯНИЕ УРОВНЯ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ НА МОБИЛИЗАЦИЮ МИНЕРАЛЬНЫХ ФОРМ АЗОТА 68
4.1. Влияние тяжелых металлов на мобилизацию подвижных форм азота в черноземе обыкновенном 68
4.2.Динамика накопления нитратного азота для различных типов почв в условиях наведенного загрязнения тяжелыми металлами 76
Глава 5 ВЛИЯНИЕ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ И ПОДВИЖНЫХ ФОРМ МИНЕРАЛЬНОГО АЗОТА В ПОЧВЕ НА СОДЕРЖАНИЕ NH4+, N02 И N03 В КАРТОФЕЛЕ И ОВОЩАХ 85
5.1. Влияние минеральных форм азота в почве на концентрацию nh4+, n02t1 n03' в клубнях картофеля 87
5.2. Влияние содержания минеральных форм азота в почве на концентрацию nh4+, n02' и n03" в моркови и других корнеплодах 92
5.3. Влияние содержания тяжелых металлов в растении на поступление нитратного азота в клубнях картофеля и корнеплодах моркови 94
Глава 6 СИНЕРГИЧЕСКОЕ И АНТАГОНИСТИЧЕСКОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В РАСТЕНИЯХ 101
6.1 Проявления синергизма и антагонизма тяжелых металлов в клубнях картофеля 101
6.2. Проявления синергизма и антагонизма тяжелых металлов в корнеплодах моркови 104
6.3. Теоретические предпосылки к возможному снижению концентрации высокотоксичных тяжелых металлов за счет применения микроэлементов 106
ВЫВОДЫ 109
ПРЕДЛОЖЕНИЕ ПРОИЗВОДСТВУ 111
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 112
- Тяжелые металлы в почвах и растениях
- Факторы почвообразования и почвенный покров зоны проведения исследований
- Особенности биологического поглощения тяжелых металлов растениями
Введение к работе
Техногенное воздействие ведет к перераспределению химических элементов в масштабе всей планеты. Как следствие, в крупных промышленных центрах происходит локализация многих тяжелых металлов. По прогнозу А.И. Обухова и А.А. Поповой (1992), в нашей стране через 20 лет произойдет значимое увеличение содержания кадмия в почве. В 2005 году мы стоим «на пороге» этого увеличения.
В Алтайском крае особенно неблагоприятная обстановка по кадмию складывается в Рубцовском районе, где по данным Г.Г.Морковкина (2002) содержание кадмия в 2,45 раза больше медианного фонового значения.
Находясь в биологическом круговороте, попадая в системы почва-растение, почва-растение-человек, почва-растение-животное-человек, тяжелые металлы влияют на качество сельскохозяйственных растений, что отражается напрямую или опосредованно на здоровье людей.
Также потенциально опасными для здоровья человека являются высокие содержания нитратного азота в растениях. Поступление нитратов вызывает у человека (особенно у детей) метгемоглобинемию. Под влиянием микрофлоры и тканевых ферментов нитраты могут восстанавливаться до нитритов, обладающих высокой канцерогенностью (Кузина и др., 1985).
С другой стороны, многие тяжелые металлы являются микроэлементами, жизненно важными для нормального развития растений и почвенных микроорганизмов. А нитратный азот преобладает в азотном питании растений в условиях Западной Сибири (Кочергин,1965; Кондратьева, 1978; Гамзи-ков, 1984; Бурлакова, 1984) и без него невозможно получение высокого урожая.
Для предотвращения негативного воздействия токсикантов, необходимо изучение особенностей биологического накопления тяжелых металлов и нитратного азота различными сельскохозяйственными культурами, выяснения характера их накопления в растениях. Представляет интерес изучение
нитрификационной способности почв в присутствии тяжелых металлов — как неизбежных «спутников» техногенеза.
Цель исследований: Установить влияние различных уровней загрязнения почв тяжелыми металлами и минеральных форм азота на накопление их в клубнях картофеля и овощах.
Задачи исследований:
Изучить степень загрязнения тяжелыми металлами почв исследованного района.
Определить степень загрязнения изучаемых сельскохозяйственных культур тяжелыми металлами.
Определить обеспеченность почв подворий Рубцовского района подвижными формами азота.
Изучить влияние тяжелых металлов на процессы аммонификации и нитрификации в различных почвах.
Выявить особенности аккумуляции тяжелых металлов и накопления минерального азота изучаемыми сельскохозяйственными культурами.
Установить характер проявления связи между содержанием тяжелых металлов в почвах и азота нитратов в почве, и их накоплением в растениях.
Выявить характер проявлений связи между поглощенными растениями токсичными тяжелыми металлами и микроэлементами.
Научная новизна:
Изучены особенности аккумуляции тяжелых металлов в клубнях картофеля, в корнеплодах моркови, а также в кожуре изученных сельскохозяйственных культур.
Выявлены стимулирующее влияние содержания в почве хрома на накопление аммонийного азота и его ингибирующее действие на образование нитратов.
Установлено различное накопление тяжелых металлов и минеральных форм азота в клубнях картофеля и корнеплодах моркови.
Показаны возможные синергические и антагонистические связи в зависимости от содержания в растениях тяжелых металлов и нетоксичных микроэлементов. Так, с увеличением в клубнях картофеля содержания цинка, уменьшается содержание кадмия.
Защищаемые положения. 1. Загрязнение почв тяжелыми металлами ведет к накоплению их в сельскохозяйственных культурах, снижая качество клубней картофеля и корнеплодов моркови. 2. Загрязнение черноземных почв кадмием, свинцом, цинком и смесью этих металлов стимулирует нит-рификационный процесс, что может привести к повышенному накоплению нитратов в сельскохозяйственных культурах.
Практическая значимость работы. 1. На основе особенностей поглощения тяжелых металлов разными культурами, возможен дифференцированный подход к выращиванию на почвах, загрязненными определенным тяжелым металлом культуры, поглощающей этот металл в меньшей мере. 2. На основе антагонистического взаимодействия цинка и кадмия предложен подход к проблеме возможного улучшения качества сельскохозяйственных культур. При выращивании картофеля на почвах, загрязненных кадмием, возможно снижение его поступления в клубни за счет внесения цинковых удобрений; возможно применение Сг (VI) как ингибитора нитрификации в почве, но это требует дальнейшей проверки в полевых опытах.
Автор благодарна сотрудникам кафедры агрохимии и почвоведения к.с.-х. н. Е.В. Райхерту, к. с.-х. н. В.И. Овцинову, В.В. Тонких за помощь в техническом оформлении работы.
Особую признательность автор выражает научным руководителям - заведующей кафедрой почвоведения и агрохимии, заслуженному деятелю науки РФ, доктору сельскохозяйственных наук, академику, профессору Лидии Макаровне Бурлаковой и доценту, кандидату сельскохозяйственных наук СИ. Завалишину за внимание, консультации и поддержку на протяжении всей работы над диссертацией.
Тяжелые металлы в почвах и растениях
Почва — важная составляющая часть биосферы, она выступает как природный буфер, контролирующий перенос химических элементов и соединений в атмосферу, гидросферу и растения (Орлов, Малинина, и др., 1991).
В Алтайском крае первые исследования о влиянии микроэлементов (в том числе и тяжелых металлов) на урожайность сельскохозяйственных культур проводил Я.Г.Баркан (1967,1969). М.А .Мальгин (1978) установил уровни содержания и закономерности распределения ТМ в почвах и растениях Горного Алтая. В.В. Тригуб, М.А. Мальгин и А.В. Пузанов (2002) изучали распределение свинца в почвах Горного Алтая и бассейна Верхнего Алея. Закономерностям пространственного распределения микроэлементов в почвах Алтайского края посвящена работа С.Ф. Спициной(1990). Сотрудниками ИВЭП М.А. Мальгиным, А.В. Пузановым, О.А. Ельчининовой и др.(1993) проведено исследование почв Юго-Западной части Алтайского края и предгорий Алтая на содержание в них тяжелых металлов. Установлено, что концентрация большинства тяжелых металлов в почвах мало отличается от уровней, характерных для незагрязненных территорий.
Химическая гетерогенность лито-, педо-, гидро- и тропосферы хорошо известна. Почвообразующие породы по среднему содержанию в них меди различаются в 34-68 раза, цинка - 25-170раз, кобальта - в 2000 раз, марганца - в 20 раз, молибдена - в 35 раз(Ковальский,1982). В некоторых случаях почвообразующие породы могут значительно влиять на химический состав почв. Эволюция почвы может сопровождаться как аккумуляцией, так и потерей некоторых элементов почвообразующей породы. Большая роль в изменениях состава почв принадлежит биологическим и климатическим факторам.
Различия в содержании химических элементов в почвах очень велики. По данным Зборищука и Зырина(1978) при среднем содержании меди в почвах, равном 30 мг/кг, уровень ее колеблется в различных типах почв приблизительно в 200 раз(от1 до200 мг/кг), а при учете рудных провинций - в-тысячи раз. Подобная картина наблюдается и для других химических элементов. Так, среднее содержание цинка в почве составляет величину 70 мг/кг, но в различных типах почв и отдельных образцах эта величина может меняться более, чем в 30 раз (например, содержание цинка в черноземах может колебаться отЗО до 91 мг/кг). Такие же соотношения характерны для содержания в различных типах почв кобальта, марганца, молибдена и др. (Ковальский, Андрианова, 1970).
В зависимости от концентрации химических элементов в почве, могут возникнуть физиологические формы в популяциях растительных видов, характеризующиеся изменением некоторых функций. Например, в Армении, в условиях молибденовой биогеохимической провинции обнаружено 3 физиологические формы в популяции тимьяна кочи (Thymus Kotschyanus), как и у ромашки девичьей (Pyzethrum parthenifolium). Эти формы характеризуются способностью концентрировать молибден. В популяции тимьяна кочи у 58% растений наблюдается концентрирование молибдена, превшающее его содержание в соответствующей почве, и у 9% - одинаковое в растении и почве.
В популяции ромашки девичьей повышенное содержание молибдена, по сравнению с почвой, наблюдается у 31% растений, пониженное - у 61%, равное с содержанием в почве - у 8% растений (Петрунина,1974).
В Актюбинской области Северного Казахстана есть геохимическая провинция, обогащенная никелем, источником которого являются горные породы - серпентины, богатые этим элементом. В почвах было обнаружено от 133 до 2400 мг никеля на 1 кг почвы, что в 12-52 раза больше содержания этого элемента в эталонной черноземной почве. Пастбищные растения содержали в 15-26 раз больше никеля, чем в соседних районах.
Рассматривая механизм поглощения тяжелых металлов из почвы в растения, можно говорить о барьерном (не концентрирующем) и безбарьерном (концентрирующем) типах накопления элементов. Барьерное накопление характерно для большинства высших растений и не характерно для мохообразных и лишайниковых. Это одно из свойств высокоорганизованных растений и, вероятно, может являться одной из важных характеристик уровня развития. Так, в работе М.А. Тойкка и Л.Н. Потехиной(1980) в качестве растения-концентратора кобальта назван сфагнум(2,66 мг/кг);меди(10,0 мг/кг)- береза, костяника, ландыш; мар ганца( 1100 мг/кг)- черника. Lepp и со-авт.(1987)выявили высокие концентрации кадмия в спорофорах гриба Amanita muscaria, растущего в березовых лесах. В спорофорах гриба содержание кадмия составляло 29,9 мг/кг сухой массы, а в почве, на которой они выросли - 0,4 мг/кг.
Факторы почвообразования и почвенный покров зоны проведения исследований
Район исследований занимает обширную территорию Алтайского края. Согласно почвенно-географическому районированию (Почвы Алтайского края, 1959), он расположен на левобережье реки Оби в зоне черноземов умеренно-засушливой и засушливой степей в подзоне южных черноземов.
В геоморфологическом отношении район исследования расположен в пределах центральной ступени аккумулятивной равнины Алтая (Занин, 1958). Равнинная часть Алтайского края относится к Обь-Иртышской синек-лизе, выполненной толщей мезокайнозойских отложений песчано-глинистого состава, с преобладанием глин (Бейром и др., 1958). Палеозойский фундамент лежит на глубине 1000-1400 м. В северо-восточном направлении глубина залегания палеозойского фундамента сокращается до 400-500 м. В верхнечетвертичное время восточный склон Обь-Иртышской синеклизы претерпел поднятие, в результате чего образовалось Приобское плато и Бий-ско-Чумышская возвышенность (Герасимов, 1940).
Материнскими породами служат, преимущественно, лессовидные суглинки мощностью около 20 м, переходящие в слоистую толщу из песков, суглинков и глин, а так же древнеаллювиальные отложения (Почв Алтайского края, 1959).
Подзона южных черноземов в пределах изучаемой территории представляет собой волнистую равнину с террасированными склонами. Она расчленена ложбинами древнего стока, на которых имеются различные понижения и озерки (Бурлакова и др., 1988). Грунтовые воды залегают на глубине 10 м, а на террасированных склонах 5-3 м и ближе, часто высокоминерализиро ванные. В составе солей преобладают гидрокарбонаты, а в некоторых случаях (при повышенной минерализации)- сульфаты с участием гидрокарбонатов и даже хлоридов. Режим глубины залегания грунтовых вод, в основном, связан с таянием снега и выпадением дождей. Наибольший подъем грунтовых вод наблюдается весной, летом идет их интенсивное испарение и снижение уровня. К концу осени - началу зимы уровень грунтовых вод стабилизируется и в течение зимы остается неизменным.
Климат подзоны теплый засушливый. Продолжительность периода с устойчивым снежным покровом 155-160 дней, абсолютный минимум температуры воздуха достигает -50 градусов по Цельсию. Безморозный период длится 115-120 дней. Сумма активных температур равна 2000-2200 градусов по Цельсию, сумма осадков за период активной вегетации составляет 140-175 мм, гидротермический коэффициент (ГТК) равен 0,6-0,8 (Агроклиматические ресурсы..., 1971), что определяет непромывной тип водного режима с дефицитом влаги в вегетационный период.
Естественная растительность подзоны представлена разнотравно-типчаково-ковыльными ассоциациями с преобладанием в травостое зерновидных злаков (Stipa capillata, St.Rubens, Festuca sulcata) с примесью разнотравья (Pencedanum Morisonii, Galium verum, Medicago falcata, Artemisia glauca и др.). По западинам и пологим ложбинам встречаются в довольно большом количестве березовые, реже осиновые колки. По опушкам колков развиты разнотравно-злаковые и злаково-разнотравные луга. На более низких террасах древних ложбин и приозерных впадин центральную часть колков нередко образуют влажные ивняки, окруженных каймой из берез. На плоских равнинах террас, по озерным и ложбинным депрессиям большие площади заняты растительными комплексами лугово-галофитной и лугово-болотной (тростниковые заросли) растительности (Александрова, Базилевич и др., 1958).
Почвенный покров зоны исследований, территориально относящийся к зоне черноземов умеренно-засушливой и засушливой степей, представлен, в основном, черноземами южными. В пониженных элементах рельефа, в аккумулятивных ландшафтах, распространены интразональные почвы каштановые, лугово-каштановые, солонцы и солончаки.
Черноземы южные распространены на плоских водораздельных плато, высоких и низких террасах, высоких наклонных равнинных поверхностях.
Почвы склонов водоразделов характеризуются малой мощностью гумусового горизонта, высоким залеганием карбонатов (глубина вскипания), слабощелочной и щелочной реакцией, слабой гумусированностью. Как правило, эти почвы слабо- и среднеэродированные, среднесуглинистого гранулометрического состава с пониженной емкостью поглощения.
Почвы понижений (аккумулятивных ландшафтов) с признаками развития лугового процесса почвообразования характеризуются более высокой мощностью гумусового горизонта, большим содержанием гумуса, как правило, более выщелочены, с глубоким залеганием карбонатов или отсутствием таковых.
Почвы верхней трети склонов и вершин водоразделов, как правило, эродированы в слабой степени. Мощность гумусового горизонта и содержание гумуса в них несколько выше, чем в почвах склонов. Карбонаты расположены глубже по профилю, а реакция среды верхних горизонтов близкая к нейтральной.
Особенности биологического поглощения тяжелых металлов растениями
Реакции растений на изменение концентрации элементов, в том числе тяжелых металлов, в почве многообразны. Работы многих исследователей свидетельствуют, что между химическим составом растений и элементным составом среды существует устойчивая связь, а основная масса химических элементов поступает в растения из почвы (Ковалевский, 1969; Добровольский, 1983; Растения в экстремальных..., 1983; Ильин, 1985, 1991; Алексеев, 1987; Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989).
В литературе имеется много противоречивых данных относительно зависимости между содержанием тяжелых металлов в почвах и растениях. Ряд авторов (Седов, Иванов, Повамяева, 1989; Ковалевский, 1991) отмечают, что возрастание количества тяжелых металлов в растениях пропорционально их содержанию в почве. Другие исследователи (Растения в экстремальных ..., 1983; Ильин, 1991; Гамзикова, 1992) показывают, что строгой зависимости от их содержания в почве нет, т.к. растения обладают избирательным накоплением элементов.
Распределение химических элементов по органам и частям растений может быть самым разнообразным. Но по мнению большинства авторов по степени концентрации тяжелых металлов в тканях растений, основные органы располагаются в ряд: КОРНИ ЛИСТЬЯ СЕМЕНА (ПЛОДЫ) (Ильин, Степанова, 1979, 1982; Austenfeld, 1979; O.Purves, 1977).
Главный путь поступления тяжелых металлов в растение — поглощение корнями, которое может быть пассивным (неметаболическим) и активным (метаболическим).
Пассивное поглощение происходит путем диффузии ионов из внешнего раствора в эндодерму корней. При активном поглощении необходимы затраты энергии метаболических процессов, и оно направлено против химических градиентов. Данные зарубежных источников (Loneragan, 1975; Moore, 1972) подтверждают положение о том, что при обычных концентрациях в почвенном растворе поглощение химических элементов корнями растений контролируется метаболическими процессами внутри самих корней.
Корневая система растений проявляет большую активность в переводе тяжелых металлов, связанных с различными компонентами почвы, в подвижное состояние. Наиболее доступны растениям те металлы, которые адсорбированы на глинистых минералах (монтмориллонит и иллит), тогда как фиксированные на оксидах и связанные с микроорганизмами оказываются менее доступными. Обнаруживаемое в ряде случаев падение концентрации химических элементов в растворе вблизи поверхности корней отражает более высокую скорость поглощения корнями, по сравнению с их диффузионным и конвективным переносом в почве (Mengel, Kirkby, 1978).
Многие растения обладают способностью концентрировать определенные элементы (Ильин, 1985; Гармаш и др., 1987). По данным В.М. Зубковой и др. (1994) в садовых участках Ярославской области в товарной части корнеплодов больше накапливается хрома, в зеленых культурах - никеля, свинца и хрома. Накопление кадмия в концентрациях выше ПДК в столовой свекле наблюдается при его содержании в почве 2 мг/кг при рН 6,2 и 1 мг/кг при рН 5, а в моркови — при содержании 4 мг/кг в почве.
Одной из задач данной работы является изучение особенностей накопления тяжелых металлов в таких корнеплодах, как столовая свекла, морковь, редька, а так же в клубнях картофеля и репчатом луке.
