Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Аккумуляция тяжелых металлов в агроландшафтах Самарского Заволжья

ВАК РФ 03.02.08, Экология (по отраслям)

Автореферат диссертации по теме "Аккумуляция тяжелых металлов в агроландшафтах Самарского Заволжья"

На правах рукописи

ЬТОВ ДМИТРИЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

АККУМУЛЯЦИЗГТЯЖЕЛЬІХ МЕТАЛЛОВ В АГРОЛАНДШАФТАХ САМАРСКОГО ЗАВОЛЖЬЯ

Специальность 03.02.08 - экология (биология)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

1 2 [.¡др Ж

Тольятти-2012

005012151

005012151

Работа выполнена на кафедре химии и защиты растений Самарской государственной сельскохозяйственной академии

Научный руководитель кандидат биологических наук, доцент

Троц Наталья Михайловна

Официальные оппоненты: доктор биологических наук, профессор

Прохорова Наталья Владимировна;

доктор биологических наук, профессор Кулагин Андрей Алексеевич

Ведущая организация Ульяновский НИИ сельского хозяйства

Россельхозакадемии

Защита диссертации состоится 30 марта 2012 года в 1500 часов на заседании диссертационного совета Д 002.251.01 при Институте экологии Волжского бассейна РАН по адресу:

445003, Самарская область, г. Тольятти, ул. Комзина, д. 10.

Тел. (8482) 489977; факс (8482) 489504; E-mail: ievbras2005@mail.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института экологии Волжского бассейна РАН, с авторефератом - в сети интернет на сайте ИЭВБ РАН по адресу: 11йр/Л¥\у\УлеуЬга5.ги

Автореферат разослан 20 февраля 2012 г.

Учёный секретарь диссертационного совета, кандидат биологических наук

A.J1. Маленев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследований. В условиях возрастающего антропогенного воздействия человека на биосферу особую опасность для агробиоценозов представляют тяжелые металлы (ТМ). Попадая в почву и растения, они накапливаются в агросистемах и включаются в метаболические циклы живых организмов, образуя высокотоксичные канцерогенные соединения, загрязняющие продукты питания и окружающую среду.

В связи с этим исследования, направленные на изучение особенностей накопления и миграции тяжелых металлов в агроландшафтах, а также поиск технологических приемов снижения их поступления в биологический кругооборот, представляют особую актуальность.

Цель и задачи исследований. Выявление особенностей аккумуляции ТМ (Сё, РЬ, Zn, Си, Со, Мп) в почвах и в фитомассе основных сельскохозяйственных растений Самарского Заволжья.

В задачи исследований входило:

1. Изучить особенности накопления валовых и подвижных форм ТМ в пахотном горизонте основных подтипов черноземов Северной, Центральной и Южной агроклиматических зон.

2. Изучить характер поступления ТМ в фитомассу и особенности их локализации растительными организмами в различных почвенно-климатических условиях.

3. Выявить влияние систем обработки почвы на характер накопления ТМ в почве и растениях.

4. Изучить влияние минеральных удобрений на специфику накопления и миграцию ТМ в системе « почва-растение ».

5. Установить коэффициенты аккумуляции и объемы выноса ТМ из почвы с надземной фитомассой.

Научная новизна. Впервые в условиях Самарского Заволжья изучено влияние систем обработки почвы на особенности накопления валовых и подвижных форм Сё, РЬ, 2п, Си, Со, Мп в пахотном горизонте чернозема типичного. Исследована металлоаккумулятивная способность озимых и яровых зерновых культур при разной степени рыхления почвы и особенности локализации микроэлементов в органах растений. Установлены оптимальные приемы обработки почвы, позволяющие существенно снизить уровень концентрации металлотоксикантов в агроландшафтах. Изучено влияние минеральных удобрений на характер накопления и мобильность ТМ в почве, и специфику их поступления в биомассу основных сельскохозяйственных культур. Впервые определены индексы содержания тяжелых металлов в фитомассе новых для региона растений: озимой тритикале и сое. Определены коэффициенты накопления ТМ и их выноса с надземной фитомассой.

Уточнены особенности аккумуляции валовых и подвижных форм Сй, РЬ, Zn, Си, Со, Мп в пахотном горизонте основных подтипов чернозема Самарского Заволжья и зональные особенности поступления ТМ в фитомассу ведущих зерновых, зернофуражных, зернобобовых, крупяных и пропашных культур.

Основные положения, выносимые на защиту:

- максимальные объемы накопления валовых и подвижных форм ТМ-в агроландшафтах Самарского Заволжья имеет чернозем выщелоченный и чернозем типичный, а минимальные - чернозем южный;

- накопление и локализация ТМ в ведущих сельскохозяйственных культурах определяется видовыми особенностями растений и почвенно-климатическими условиями зоны их возделывания;

- глубокая отвальная вспашка (25-27 см), снижает поступление Сё, РЬ, Ъл, Мл в растения в 1,2-2,7 раза, а Си и Со - в 2,5-4,0 раза;

- внесение расчетных доз минеральных удобрений на 5,6-30,9% уменьшает суммарный объем аккумуляции ТМ в фитомассе растений.

Теоретическое значение работы. Материалы, отраженные в диссертации, вносят определенный вклад в теоретические разработки по особенностям аккумуляции и миграции тяжелых элементов в системе «почва-растение», влиянию агротехнических приемов возделывания культур и почвенно-климатических условий на динамику поступления Сё, РЬ, Ъл, Си, Со и Мп в ткани сельскохозяйственных растений.

Практическая ценность работы. Производству рекомендованы системы обработки почвы, позволяющие существенно снизить накопление ТМ в верхнем горизонте почвы и их миграцию в растения. Полученные данные могут быть использованы при мониторинговых исследованиях в агроландшафтах, разработке практических рекомендаций по применению удобрений, составлению рекомендаций по размещению и районированию культур в конкретных почвенно-климатических условиях.

Экспериментальный материал используется в учебном процессе ФГБОУ ВПО «Самарская государственная сельскохозяйственная академия» студентами биологических, агрономических и экологических специальностей и слушателями факультета повышения квалификации. Они также могут быть использованы специалистами и руководителями подразделений Россельхознадзора и сельхозтоваропроизводителями.

Публикация результатов исследований. По материалам исследований диссертации опубликовано 8 печатных работ, в том числе 3 статьи в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на VI Международной научно-практической конференции «Тяжелые металлы и радионуклиды в окружающей среде» (Республика Казахстан, г. Семей, 2010), на Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых, посвященной 115-летию Т.С. Мальцева «Развитие научной, творческой и инновационной деятельности молодежи» (г. Курган, 2010), на Всероссийской научно-практической конференции «Особенности развития агропромышленного комплекса на современном этапе» (г. Уфа, 2010), на областной научно-практической конференции «Вклад молодых ученых в аграрную науку Самарской области» (г. Самара, 2011), на межвузовской научно-практической конференции «Достижения науки агропромышленному комплексу» (г. Кинель, 2011).

Декларация личного участия автора. Основные результаты исследований, изложенные в диссертации, получены при непосредственном участии автора. На основе глубокой проработки литературных источников автор обосновал тему исследований, сформулировал цель и задачи настоящей работы, спланировал закладку полевых опытов. Контроль за ходом отбора почвенных и растительных проб, их подготовкой к анализам, проведение химических анализов, систематизация экспериментального материала, математическая обработка полученных результатов также осуществлялись лично автором.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 135 страницах и содержит введение, 4 главы, выводы и предложения производству, список литературы из 205 источников, в том числе 12 на иностранном языке. Работа включает 2 рисунка, 26 таблиц и 15 приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Глава 1. Экологическая проблема тяжелых металлов в агроэкосистемах и пути ее решения

В этой главе приводится литературный обзор по изучаемым вопросам. Обобщены современные представления о ТМ, их роли в биологических объектах, дается существующая классификация по степени опасности. На основе данных отечественных и зарубежных исследователей анализируются биогеохимические особенности Сё, РЬ, Zn, Си, Со, Мп, прослеживаются пути их поступления в агроландшафты, а также влияние на организм человека, животных и растений. Систематизирована доступная информация по особенностям аккумуляции ТМ в почве и растениях, факторам, способствующим накоплению меггаллотоксикантов в верхнем горизонте различных типов почв, путям их миграции в фенотипы и специфике локализации в растительных тканях. Рассматривается влияние различных систем обработки почвы и применения удобрений на объемы накопления и мобильность ТМ в агросистемах, возможности снижения их поступления в продукцию и уменьшения уровня концентрации в почве.

Отмечается, что некоторые аспекты данной проблемы изучались как зарубежными, так и отечественными исследователями, в том числе и в условиях Среднего Поволжья и Самарской области. Но в то же время ряд вопросов, связанных с особенностями аккумуляции ТМ в различных типах и подтипах почв, исследовались относительно давно и требуют уточнения. Недостаточно информации по воздействию метаплотоксикантов (и в особенности их комплексов) на конкретные виды сельскохозяйственных растений. Имеющиеся рекомендации по снижению токсикологической нагрузки разработаны и апробированы в других регионах страны, для конкретных почвенно-климатических условий и уровней антропогенного влияния на агробиоценозы. Практически отсутствуют сведения о влиянии агротехнических приёмов в получении экологически безопасной продукции в условиях Самарского Заволжья, хотя данная проблема является актуальной и

требует изучения, особенно при освоении современных ресурсосберегающих технологий возделывания сельскохозяйственных культур.

Глава 2. Условия, объекты и методы исследований

Самарская область расположена в среднем течении реки Волга, которая делит территорию области на две неравные части - правобережную и левобережную (Самарское Заволжье), занимающую 9/10 площади. По совокупности природно-экономических условий, особенностям климата и почв территория разделена на три зоны: Северную, Центральную и Южную.

Северная зона занимает 25,7 % площади. За год выпадает 350-450 мм осадков. Сумма активных температур - 2200-2300°С. Гидротермический коэффициент - 1,0-1,1. Безморозный период - 132-145 дней. Преобладающие почвы - черноземы выщелоченные и типичные. Центральная зона занимает 46,3 % территории области. Количество осадков за год - 350-400 мм. Сумма активных температур 2500-2700°С. Гидротермический коэффициент 0,7-0,8. Безморозный период - 144-152 дня. Преобладающие почвы - черноземы типичные. Южная зона занимает 28,0% площади. За год выпадает 270-300 мм осадков. Сумма активных температур - 2600-2800°С. Гидротермический коэффициент - 0,6-0,7. Безморозный период - 148-154 дня. Преобладающие почвы - черноземы южные и темно-каштановые.

Экспериментальную работу проводили в годы с резко контрастными метеорологическими условиями: 2009 г. отличался жаркой и сухой погодой в июне - июле и влажной, теплой в августе, ГТК - 0,90. Засушливый тип погодных условий с ГТК - 0,89 и неравномерным выпадением осадков был характерен для 2008 года и аномально засушливый с ГТК - 0,21 для 2010 года.

Объектом исследований являлись черноземы выщелоченные, типичные и южные, а также ведущие сельскохозяйственные культуры Самарского Заволжья: озимая тритикале (Triticosecale wittm); озимая рожь (Seeale cereale); озимая пшеница (Triticum aestivum)-, яровая пшеница мягкая (Triticum vulgare); яровая пшеница твердая (Triticum durum)-, яровой ячмень (Hordeum vulgare); овес полевой (Avena sativa); просо обыкновенное (Panicum miliaceum)] гречиха посевная (Fagopyrum esculentum)-, кукуруза (Zea mays)', подсолнечник (Helianthus annuus)-, горох посевной (Pisum sativum); соя (Glycine hishida).

Для решения поставленных задач в 2008-2010 гг. исследовали агроландшафты: в Северной зоне - Камышлинского; в Центральной -Кинельского; в Южной - Большеглушицкого муниципальных районов. В них выделяли элементарные ландшафты, в которых закладывали площадки для отбора образцов сельскохозяйственных растений и почвы.

Параллельно в 2008-2010 гт. на опытном поле Фонда сельскохозяйственного обучения (ФСО) проводили эксперименты по изучению влияния различных систем обработки почвы на характер локализации ТМ в пахотном горизонте и растениях озимой пшеницы, яровой пшеницы и ячменя. Опыт предусматривал три варианта основной обработки почвы: 1 - прямой

посев (без обработки); 2 - поверхностная обработка (14-16 см); 3 - отвальная вспашка (25-27 см).

В период с 2009 по 2010 гг. также на опытном поле ФСО изучали действие минеральных удобрений на аккумуляцию и мобильность ТМ в почве и основных сельскохозяйственных культурах. Опыт предусматривал 2 уровня минерального питания растений: 1 — контроль (без удобрений); 2 - внесение расчетных доз NPK. Нормы удобрений распределялись следующим образом: яровая пшеница - ЫбоРбоКбо, ячмень, овес - N45P45K20; просо - N30P40K40; горох -NioPeoKeo, гречиха - Ы45РбоКбо. Система их применения предусматривала основное внесение, предпосевное и подкормки. Опыты закладывали в соответствии с существующей методикой (Доспехов, 1985; Головатый и др., 2009; Ильясов и др., 2010)

Растительные и почвенные образцы для анализа отбирали с использованием общепринятых методов (Алексеенко, 2000). Растения выкапывали из почвы в фазу полной спелости в разных достаточно отдалённых друг от друга точках пробной площади, сразу отделяли корни, стебли и соцветия. В маркированных пакетах образцы доставляли в лабораторию ФГУ «Станция агрохимической службы «Самарская», имеющую аттестат аккредитации испытательной лаборатории № РОСС RU. 0001.510565.

Подготовку образцов почвы и растений для определения валового содержания ТМ в них выполняли традиционным методом (Муравин, 2005). Определение валовых форм ТМ в почвах и растительных образцах проводили с предварительной подготовкой проб методом «сухой» минерализации при 575°С. Подвижные формы соединений извлекали ацетатно-аммонийным буферным раствором с рН 4,8. Конечное определение элементов проводили пламенным и электротермическим вариантами с применением атомно-абсорбционного спектрофотометра «Спектр 5 - 4». Одновременно проводили холостой анализ, включая все его стадии, кроме взятия пробы почвы. За окончательный результат испытания принимали среднее арифметическое двух параллельных определений.

Помимо содержания ТМ в почвах определяли содержание гумуса по Тюрину; рН водной вытяжки; содержание подвижного фосфора в нейтральных почвах по Чирикову; в карбонатных - по Мачигину; содержание обменного калия в нейтральных почвах по Чирикову; в карбонатных - по Мачигину (Волкова, 1987). Полученные результаты лабораторных анализов по Мачигину пересчитаны по методу Чирикова.

Статистическую обработку экспериментального материала проводили по Доспехову (1985) в вычислительном центре Самарской ГСХА.

В годы исследований было отобрано и проанализировано 495 проб.

Глава 3. Особенности аккумуляции тяжелых металлов в почвах и растениях

Установлено, что наибольшее количество валовых форм Cd, Pb, Zn, Мп и Co в условиях Самарского Заволжья аккумулирует чернозем выщелоченный, а

Со - чернозем типичный. Максимальный уровень локализации подвижных форм РЬ, Си и Со также приходится на чернозем выщелоченный, а Са, Ъп и Мп - на чернозем типичный (табл. 1).

Таблица 1

Содержание ТМ в почве, мг/кг, (2008-2010 ггЛ__

Форма Почва С<1 РЬ га Си Со Мп

валовая чернозем выщелоченный *фон 0,44 18,7 44,0 19,9 9,41 707

0,94 13,5 32,8 18,0 13,5 489

чернозем типичный *фон 0,36 11,1 40,4 16,5 9,70 612

0,80 15,1 35,0 17,0 15,6 526

чернозем южный *фон 0,26 7,86 40,3 10,9 6,40 464

0,87 15,0 34,5 14,0 13,8 470

ПДК 2,0 30,0 100,0 55,0 14,0 1500

подвижная чернозем выщелоченный *фон 0,118 0,69 0,34 0,63 0,45 37,3

0,068 0,32 0,20 0,15 0,20 32,3

чернозем типичный *фон 0,074 0,51 0,58 0,14 0,12 53,3

0,059 0,35 0,60 0,09 0,20 20,3

чернозем южный - *фои 0,030 0,50 0,42 0,10 0,28 25,6

0,037 0,63 0,70 0,14 0,20 32,3

ПДК 0,5 6,0 23,0 3,0 5,0 100,0

•По данным Н.М. Матвеева и др., 1997г

Содержание валовых форм ТМ в почве во многом определяется наличием глинистой и илистой фракций (г = 0,71-0,92 и г = 0,64-0,92), а также гумуса (г = 0,53-0,98). Присутствие подвижного Сс1, РЬ, Си и Со связано с дисперсностью почвы и наличием в ней Р205 (г = 0,58-0,91), а Мп с гумусом (г = 0,51). По степени подвижности ТМ в почвах можно выстроить следующие ряды: чернозем выщелоченный - Сс1>Мп>Со>РЬ>Си>гп; чернозем типичный -С<1>Мп>РЬ>гп>Со>Си; чернозем южный - С<1>РЬ>Мп>Со>2п>Си. Во всех подтипах черноземов наибольшее количество ТМ концентрировалось в верхнем гумусовом горизонте (0-10см). В годы исследований концентрация валовых и подвижных форм металлотоксикантов во всех почвах была близка к фоновым значениям и не превышала ПДК.

Установлено, что наибольшее количество из окружающей среды озимая пшеница поглощает Мп и Ъа - в среднем 59,3-71,6% и 21,8-36% от общего объема ТМ. Удельный вес Си и РЬ равнялся соответственно 3,2-4,1% и 0,91,72%. Концентрация Со не превышала 0,6-1,1%, а С<1 - 0,09-0,11% от общей массы абсорбированных металлов. При этом растения, выращенные на черноземе выщелоченном, содержат в 1,61 раза больше Мп, чем культивируемые на черноземе южном, а Сс1 наоборот, растения южной зоны содержали его на 26,4% больше, чем северной. Ъп и Со более активно усваивался на черноземе типичном. Озимая рожь, в отличие от озимой пшеницы, на 25,1% меньше накапливает Мп; на 86,0% - РЬ; на 51,6% - Хп; на 9,3% - Си, и наоборот, в 1,2-1,3 раза больше аккумулирует Сс1 и Со. Озимая

тритикале, по сравнению с озимой пшеницей, на 23,6% меньше абсорбирует Мп, но в 1,2 раза больше поглощает Сё, на 9,5% - Ъп\ на 5,8% - Си и на 6,8% -РЬ. При этом общее количество аккумулированных токсикантов на 9,8% превышало показатель озимой пшеницы (табл. 2).

Таблица 2

Содержание ТМ в растениях, мг/кг воздушно-сухой массы, (2008-2010 гг.)

Почва Культура Элементы

Сё РЬ Хп Си Со Мп

чернозем выщелоченный озимая рожь 0,065 0,66 10,25 2,69 0,67 40,83

озим, пшеница 0,053 1,23 15,54 2,94 0,64 51,10

яр. пшеница мягкая 0,063 1,40 27,55 4,38 1,03 28,6

ячмень 0,042 2,78 28,21 5,02 0,92 35,27

овес 0,046 0,69 26,75 4,68 0,73 35,19

горох 0,060 0,86 25,60 5,07 0,46 28,68

гречиха 0,068 0,51 21,80 4,07 0,41 41,29

кукуруза 0,033 1,14 18,65 3,01 0,76 49,35

подсолнечник 0,128 0,48 19,82 7,04 0,49 7,05

чернозем типичный озим, пшеница 0,051 0,73 19,27 2,90 0,61 35,51

озим, тритикале 0,061 0,78 21,11 3,07 0,60 28,71

яр. пшеница мягкая 0,042 0,74 27,37 3,50 0,39 26,41

ячмень 0,036 2,54 23,94 4,10 0,56 26,14

овес 0,067 0,70 30,96 4,84 0,65 25,08

соя 0,080 0,54 20,35 4,41 0,38 25,80

горох 0,040 0,64 21,57 3,54 0,29 26,85

гречиха 0,051 0,38 15,04 2,54 0,29 31,17

просо 0,094 0,77 26,61 9,48 0,63 35,70

кукуруза 0,063 1,91 28,09 8,16 0,98 65,54

подсолнечник 0,086 0,90 23,32 11,22 0,93 16,60

чернозем южный озим, пшеница 0,067 0,54 18,81 1,89 0,39 31,70

яр. пшеница мягкая 0,040 0,60 22,4 2,96 0,35 23,12

яр. пшеница твердая 0,070 1,05 10,14 2,16 0,83 35,18

ячмень 0,065 1,04 16,96 2,81 0,85 32,06

овес 0,046 0,45 10,07 2,74 0,28 28,56

горох 0,080 0,73 18,28 2,60 0,25 24,11

просо 0,108 0,97 22,01 7,01 0,47 30,02

кукуруза 0,058 1,61 27,26 6,03 1,07 64,83

подсолнечник 0,207 0,58 16,61 4,28 0,35 6,82

Относительно большой объем поглощения ТМ озимой тритикале обусловлен более мощным развитием корневой системы и ее высокой сосущей силой. Основная часть поглощенных растениями Сё, РЬ, Со и Мп локализуется

в корневой системе и стеблях, Ъл и Си способны преодолевать «биологические барьеры» и накапливаться в соцветиях, где их концентрация может быть в 1,21,6 раза выше, чем в корнях и в 2,0-2,2 раза больше, чем в стеблях. В целом накопление ТМ озимыми культурами оказалось меньше ПДК.

Выявлено, что яровая мягкая пшеница, выращенная на черноземе выщелоченном, поглощает в среднем 63,02 мг изучаемых элементов на 1 кг воздушно-сухой массы, при этом содержание Со было на 3,0%. выше ПДК. Пшеница, возделываемая на черноземе типичном, накапливала в сумме 58,45 мг/кг ТМ, что на 7,8% раза меньше, чем растения северной зоны. Их концентрация находилась в пределах 11,6-54,7% от ПДК. Растения яровой мягкой пшеницы в зоне чернозема южного аккумулировали на 17,5% токсикантов меньше, чем центральной зоны и на 26,7% - северной. При этом концентрация элементов не превышала 9,8-44,8% от значений ПДК.

Опытами установлено, что яровая твердая пшеница по сравнению с мягкой почти в 1,7 раза больше поглощает Сё, в 1,8 - РЬ, в 2,4 - Со, в 1,5 - Мп, и в то же время в 2,2 раза меньше - Ъъ и в 1,4 - Си. Сравнение полученных результатов с значениями ПДК не выявило их превышения.

Основная масса токсинов у яровой мягкой пшеницы локализуется в корнях. Относительно большая часть 2п и Си мигрирует в колос. Наряду с ними на черноземе типичном в колос продвигаются Сё и РЬ. Их содержание в данном органе на 28,1% и 16,3% превышало объемы аккумуляции в стеблях. У яровой твердой пшеницы большая часть ТМ - 45,8-66,2% от общей массы также локализуется в корневой зоне. При этом концентрация РЬ в колосе оказывается на 7,5%, Ъл — 79,0%, Со - 51,0%, а Мп - в 2,2 раза больше, чем в стеблях. Очевидно, это обусловлено усиленным оттоком ассимилянтов у данного биотипа из стеблей и листьев в период налива зерна.

Исследования биомассы ячменя ярового и овса посевного показали, что в северной зоне на черноземе выщелоченном растения поглощают практически равное количество Сё. По отношению к РЬ овес проявлял большую устойчивость и абсорбировал его в 4,0 раза меньше ячменя. На 5,4% ниже, чем в ячмень, поступало в овес и Zn, а по Си разница составляла 7,3%. В 1,3 раза меньше ячменя овес поглощал и Со. По нашему мнению, относительно низкий объем поглощения РЬ, Ъп, Си и Со овсом обусловлен глубоким проникновением его корневой системы и Подъемом минеральных веществ из нижних горизонтов почвы, содержащих меньшее количество токсинов. Содержание Мп в сухом веществе ячменя и овса было примерно равным. Фитомасса ячменя, выращенного в центральной зоне на черноземе типичном, суммарно накапливает в среднем на 26,0%, а овса на 9,2% меньше аккумулянтов, чем растения северной зоны. Растения южной зоны отличались относительно небольшим уровнем поглощения токсикантов. Сумма всех микроэлементов, усвоенных ячменем, равнялась 53,78 мг/кг, а овсом - 45,15 мг/кг. Это на 34,3% и 61,5% ниже показателей северной зоны и на 6,5% и 47,7% - центральной. Сравнение полученных результатов с значениями ПДК не выявило их превышения. Установлено, что овес во всех почвенно-климатических зонах в 2,3-4,2 раза меньше, чем ячмень, аккумулирует

высокотоксичного РЬ, а также Си и Мп, а в зоне чернозема выщелоченного и южного - еще и Со.

Выявлено, что 45,2-60,5% поступающих ТМ зернофуражные культуры локализуют в корневой системе, 32,8-34,3% - в стеблевой и только 6,7-20,5 % Сё, РЬ и Со транспортируется в соцветие. По 1п и Си, а у овса еще и по Мп, прослеживалась иная закономерность. Около 32,6-41,5% этих микроэлементов мигрировало в генеративную часть и только 20,1-25,6% задерживалось «биологическим барьером» стеблей.

Установлено, что горох, выращенный в северной зоне Самарского Заволжья, аккумулирует в среднем 0,060 мг на 1 кг воздушно-сухой биомассы Сё, 0,86 - РЬ, 25,60 - Ъа., 5,07 - Си, 0,46 - Со и 28,68 мг/кг - Мп. Это не более 14,3-51,2% от ПДК. Общий объем ТМ в фитомассе гороха центральной зоны не превышал 52,93 мг/кг, что на 7,80 мг меньше показателей северной зоны. Сравнение полученных показателей с значениями ПДК не выявило их превышения. Горох степной зоны, возделываемый на черноземе южном, содержал около 46,05 мг/кг ТМ. Это на 32,0% меньше, чем растения северной зоны, и на 14,9% - центральной. Снижение концентрации наблюдалось у Си, Ъл, Со и Мп. По Сё и РЬ, наоборот, прослеживалось ее повышение, однако их накопления были значительно меньше ПДК. Опытами выявлено, что основная часть поглощенного горохом Сё, РЬ и Со откладывается в подземной фитомассе. В стебель проникает в среднем в 1,3-3,0 раза, а в бобы - в 2,1-6,4 раза меньше токсинов, чем в корень. Превалирующую долю 2п и Си растения также локализуют в корневой зоне, вторым вместилищем этих элементов являются бобы. У Мп, наоборот, наибольшее количество металла растения транспортировали в бобы.

Соя, как высокоэнергетическая культура, в отличие от гороха в тех же агроусловиях почти в 2,0 раза больше поглощала Сё, в 1,2 - Си и в 1,3 раза -Со. Однако, по отношению к РЬ проявляла избирательность, абсорбируя его на 18,5% ниже гороха. При этом общая сумма металлов в сое только на 2,6% уступала гороху и равнялась 51,56 мг/кг, что существенно меньше ПДК. Так же, как и у гороха, максимальное количество элементов, за исключением Мп, у сои откладывалось в корневой части и лишь незначительная доля Сё, РЬ и Со поступала в бобы.

Установлено, что гречиха в условиях центральной зоны на типичном черноземе может суммарно накапливать около 49,47 мг/кг ТМ. По уровню концентрации в фитомассе они образуют следующий убывающий ряд: Мп>гп>Си>РЬ>Со>Сё. В целом их содержание не превышало ПДК. Просо, в отличие от гречихи, имея мощную корневую систему с высоким градиентом сосущей силы, аккумулировало в 1,8 раза больше - Сё; 2,0 - РЬ; 1,8 - 7л\ 3,7 -Си; 2,2 - Со и в 1,1 раза Мп при общем объеме накопления элементов 73,28 мг/кг. При этом металлы образуют следующий убывающий ряд: Мп>гп>Си>РЬ>Со>Сё. Сравнение полученных результатов с значениями ПДК не выявило их превышения. С продвижением в степную зону на чернозем южный объемы аккумуляции микроэлементов в фитомассе просо снижались в среднем на 21,0% - до 60,60 мг/кг. При этом концентрация Ъъ уменьшалась на

20,9%, Си - на 35,3%, Со - 34,1%, Мп - 19,0%. По Сс1 и РЬ, наоборот, отмечалась повышенная абсорбция, соответственно на 15,0% и 12,6%. Однако и в этом случае их содержание, как и других металлов, не превышало ПДК.

Суммарное накопление ТМ в гречихе северной зоны равнялось 68,73 мг/кг. Это в среднем на 39,0% больше, чем в растениях центральной зоны. Причем увеличение концентрации отмечалось по всем элементам, но в целом она была существенно ниже ПДК.

Основная часть поступающих в просо и гречиху элементов накапливалось в подземных тканях. Соцветия аккумулировали в 1,9-9,6 раз меньше металлов, чем корни, и в 1,3-3,5 раза меньше, чем стебли и листья. Механизм накопления Хп и Си отличался тем, что наряду с корневой системой значительная их часть транспортировалась в генеративные органы.

Опытами с пропашными культурами выявлено, что наибольшее количество ТМ на всех подтипах черноземов поглощает кукуруза - 72,94-104,74 мг/кг, а наименьшее - подсолнечник 28,84-53,10 мг/кг. Размещенная на черноземе типичном кукуруза накапливает больше, чем в северной зоне, Сс1, РЬ, Ъп, Си, Со и Мп. Аналогичные закономерности прослеживаются и у подсолнечника. При этом подсолнечник в отличие от кукурузы в 2,1 раза меньше абсорбирует высокотоксичного РЬ, на 5,3% - Со и в 3,9 раза - Мп. Но в тоже время на 36,5% больше накапливает такого канцерогена, как Сс1. Суммарный объем аккумуляции элементов в кукурузе степной зоны на черноземе южном был примерно равным с растениями центральной зоны и составлял 100,85 мг/кг. У подсолнечника это значение равнялось 28,84 мг/кг против 37,92 мг/кг, выращенного на севере и 53,10 мг/кг - в центре области. Отмечено, что кукуруза степной зоны накапливает на 15,1% больше Со, что на 7,0% выше значений ПДК. Подсолнечник в 3,5 раза больше содержал Сё, однако его концентрация была на 31,0% ниже ПДК.

Кукуруза и подсолнечник имеют разный характер локализации элементов в тканях. Основную часть поглощенного Сё, РЬ, Си, Со и Мп кукуруза аккумулирует в корневой системе и только 1,5-10,7% накапливает в початке. По Ъп иная закономерность: относительно большое количество этого биогенного элемента мигрирует в початок. Очевидно, Ъл является важным катализатором при синтезе углеводов и контролирует накопление Сахаров и крахмала в эндосперме. Подсолнечник также часть Ъл транспортирует в запасающие ткани, но, в отличие от злаковой культуры, его концентрация в корзинке может в 2,6-3,5 раза превышать содержание в корневой зоне и в 1,53,3 раза, а на юге в 8,8 раза - в стеблевой. Кроме Ъ\ в корзинке аккумулируется ' Си и Мп, а также - Сё. Причем максимальную концентрацию этого канцерогена имели корзинки, полученные в южной зоне. По нашему мнению, это может быть связано с засушливым типом погодных условий в годы исследований, определившим особенности поглощения минеральных веществ и их продвижение в тканях растений, возможным синергизмом Сё с Ъа, или локальным привнесением элемента в агроландшафты воздушными потоками извне.

Глава 4. Влияние агротехнических приемов на накопление тяжелых металлов в системе «почва-растение»

Анализы показали, что изучаемые системы обработки в первую очередь влияют на гумусообразовательные процессы. Его количество на участке со вспашкой равнялось в среднем 5,5%, при поверхностном рыхлении возрастало до 5,7%, а на поле с прямым посевом (без обработки) - до 5,9%. При минимальных обработках более интенсивное накопление гумуса наблюдалось в слое 0-10 см. Менялся и фракционный состав почвы. На участке с прямым посевом увеличивалось количество частиц илистой (< 0,001мм) и глинистой (< 0,01мм) фракций в среднем до 43% и 59%, что на 2,3% и 1,7% больше, чем при поверхностной обработке, и на 16,2% и 5,5% больше, чем при вспашке. Почва участка с прямым посевом содержала в среднем 199 мг/кг Р205 и 207 мг/кг -К20. Это на 4,2 и 1,4% выше, чем при поверхностной обработке и на 12,4% и 5,6% больше, чем при вспашке. Причем в первом и во втором случае, доминирующая часть элементов находилась в слое 0-10 см.

Установлено, что пахотный горизонт (0-30 см) на участке с прямым посевом озимой пшеницы аккумулирует в сумме 843,3 мг металлов на 1 кг почвы. При поверхностной обработке суммарный показатель равнялся 835,2 мг/кг, а при вспашке - 813,9 мг/кг, что соответственно на 1,0% и 3,6% меньше первого варианта. При этом уменьшение объемов накопления прослеживалось по всем металлам, но наиболее существенная разница, достигающая 11,829,8%, отмечалась по Си, РЬ, Сё и 2п. Аналогичные закономерности наблюдались в опьггах с яровой пшеницей и ячменем с той разницей, что аккумуляция Сё и РЬ на участке прямого посева в 2,0-2,7 раза, а Ъъ, Си, Со и Мп в 1,2-1,9 раза превышала их содержание во вспаханной почве. По нашему мнению, это обусловлено подъемом ТМ корневыми системами растений из нижних горизонтов и последующей ежегодно прирастающей их локализацией в пожнивных остатках и отмерших подземных частях растений, а также закреплением в почвенно-поглотительном комплексе, насыщенном органо-минеральными коллоидами. Характер распределения подвижных форм ТМ во многом схож с содержанием валовых форм. Наибольшее их количество находилось на полях, где посев проводится без предварительной подготовки. Выявлено, что объемы накопления валовых и подвижных форм металлов в почве не превышают ПДК, однако, на вариантах с прямым посевом и поверхностной обработкой концентрация Сё, РЬ, Ъл, Си, Со была существенно выше фоновых значений (табл. 3).

Установлено, что фитомасса озимой пшеницы, высеянной на необрабатываемом участке, аккумулирует в среднем на 57,8% больше Сё, на 94,0% - РЬ, на 10,6% - га, на 12,5% - Си и на 73,7% - Со, чем растения, возделываемые на поверхностно обработанном поле, и в среднем в 1,2-2,7 раза, а по РЬ и Со в 4,3 и 3,1 раза больше, чем растения, размещенные на вспаханном участке. В опытах с яровой пшеницей суммарный объем накопления Сё, РЬ, Ъл, Си и Со в растительном организме на вспаханном участке оказался на 43,8% ниже значений первого варианта и на 5,8% - второго. При этом наибольшее

Таблица 3

Содержание ТМ, мг/кг воздушно-сухой массы, (2008-2010 гг.)_

Культура Вид обработки Элементы

Сё РЬ га Си Со Мп

озимая пшеница прямой посев 0,101 1,30 20,62 5,13 1,79 27,95

поверхностная обработка 0,064 0,67 18,63 4,56 1,03 40,42

вспашка 0,037 0,30 16,62 3,32 0,55 50,13

яровая пшеница прямой посев 0,054 1,37 19,66 5,25 0,96 43,92

поверхностная обработка 0,040 0,51 15,53 3,17 0,83 47,20

вспашка 0,038 0,46 14,26 3,42 0,80 69,41

ячмень прямой посев 0,097 0,89 19,66 4,66 0,86 30,68

поверхностная обработка 0,048 0,55 19,19 4,06 0,73 33,86

вспашка 0,038 0,39 17,91 4,17 0,69 46,56

♦РФУ для озимой пшеницы 0,28 0,55 20,66 6,44 0,22 58,45

*РФУ для яровой пшеницы 0,27 1,97 20,10 7,00 0,77 76,72

*РФУ для ячменя 0,26 0,67 17,16 7,29 0,22 43,71

ПДК 0,3 5,0 50,0 30,0 1,0 200

*По данным Н.М. Матвеева и др., 1997г.

снижение концентрации прослеживалась по РЬ - в 2,7-3,0 раза и Си - на 53,565,6%. Аналогичные закономерности наблюдались и в экспериментах с ячменем. При глубокой отвальной вспашке ячмень накапливал в 2,3-2,6 раза меньше высокотоксичного С(1 и РЬ, чем при первом варианте опыта. Характерным для Мп являлось то, что его содержание в растениях с увеличением глубины рыхления возрастало на 7,5-79,3%.

Отмечено, что при поверхностной обработке поступление Со в биомассу озимой пшеницы происходит с превышением ПДК на 3,0%, а при прямом посеве - на 79,0%. Глубокая отвальная вспашка снижает концентрацию всех ТМ за исключением Со, до фонового уровня. Очевидно, при активном рыхлении почвы значительно усиливаются окислительно-восстановительные процессы, в результате которых мобильные ТМ переходят в состав комплексных нерастворимых соединений, возрастает их миграция в подпочвенные горизонты с нисходящими потоками влаги, а также абсорбирование почвенной биотой.

Повышенное поступление ТМ в растения, возделываемые на участках прямого посева и поверхностной обработки, обусловлено не только относительно высоким содержанием валовых и подвижных элементов в почве данных вариантов, но и особенностью морфологии фенотипов. При данных системах обработки формируется относительно плотный пахотный горизонт, затрудняющий глубокое проникновение корневых систем. Растения образуют мощно развитую мочковатую корневую систему с основной массой корней в верхнем горизонте, насыщенном химическими соединениями, в том числе и привнесенными извне. К тому же градиент сосущей силы таких корней выше, чем у растений, размещенных на рыхлых участках.

Системы обработки почвы практически не влияют на характер локализации элементов в растительных тканях опытных культур. Они аккумулировались в соответствии с ранее выявленными закономерностями.

Анализ коэффициентов накопления (Кн) показал, что при всех системах обработки наиболее интенсивно в изучаемые растения поступает и Си с вариацией значений в пределах Кн = 31,7-79,2 и 14,6-79,3. Математическая обработка полученных результатов выявила, что накопление Сс1, РЬ, Со, Си и Мл в растения при прямом посеве и поверхностной обработке во многом определяется наличием подвижных форм ТМ в пахотном горизонте (г = 0,670,99). При вспашке зависимость прослеживалась только по РЬ и Ъл, и то в средней степени (г = 0,44 и 0,36).

Установлено, что систематическое внесение расчетных доз минеральных удобрений повышает содержание в почве валовых форм Сё, РЬ и Со в среднем на 36,1%, а Ъп, Си и Мп - на 10,9% и увеличивает мобильность Хп, Си, Со и Мп в среднем на 25,9%. Очевидно, это обусловлено их привнесением в составе наполнителей, входящих в удобрение, а также подъемом из подпахотных горизонтов мощными корневыми системами растений, меньшим выносом с урожаем прошлых лет. В целом концентрация изучаемых металлов в удобренной почве была относительно невелика и варьировала от 1,0% до 47,8% ПДК. Повышение уровня минерального питания яровой пшеницы, ячменя, овса, проса и гречихи в среднем на 5,6-30,9% снижает суммарный объем поступления ТМ в фитомассу (табл. 4).

Таблица 4

Фон Культура са РЬ 2а Си Со Мп

*8 Я а яровая пшеница 0,051 0,40 32,88 3,83 0,21 35,15

ячмень 0,036 1,54 27,27 4,09 0,56 26,14

Л овес 0,046 0,77 26,75 4,68 0,74 41,86

о просо 0,090 1,19 33,28 9,95 0,57 34,22

С! горох 0,043 0,40 33,19 4,29 0,37 18,87

ю гречиха 0,059 0,38 15,33 2,60 0,26 32,3

яровая пшеница 0,041 0,55 27,60 3,40 0,25 18,28

я ячмень 0,057 0,94 28,99 6,84 0,96 18,27

овес 0,067 0,69 30,96 4,84 0,65 25,20

о. ко просо 0,079 0,80 32,25 9,91 0,51 21,35

§ >> горох 0,062 0,29 30,20 3,88 0,27 22,92

и гречиха 0,047 0,33 13,57 2,32 0,26 30,23

Однако, внесение удобрений увеличивает интенсивность миграции РЬ в яровую пшеницу, Сё, Ъъ. и Си - в ячмень и овес, с Сё и Мп - в биомассу гороха. Применение удобрений не меняет характера локализации тяжелых металлов в биомассе. Основная часть аккумулируемых элементов откладывается в корневой зоне растений, Zп и Си способны в относительно больших количествах транспортироваться в генеративную зону. Улучшение агрофона

повышает интенсивность накопления (Кн) РЬ яровой пшеницей в 1,4 раза. Сс1, РЬ, Си и Со - ячменем и овсом в 1,3-1,6. Горох активнее усваивает С(1, Си и Мп, а просо и гречиха - Си, Со, Мп.

Поступление Сё, РЬ и Со в биомассу растений зависит от содержания их подвижных форм в почве (г = 0,58, г = 0,53 и г = 0,56). С внесением удобрений степень зависимости снижается, а у Со возрастает до г = 0,86.

В целом накопление ТМ в фитомассе удобренных растений не превышает ПДК, а по Сё, Си и Мп и фоновых значений.

Выводы

По результатам исследований можно сделать следующие выводы:

1. Наибольшее количество валовых форм Сё, РЬ, Zn, Мп и Си аккумулирует чернозем выщелоченный, а Со - чернозем типичный. Максимальный уровень локализации подвижных форм Сё, РЬ, Си и Со также приходится на чернозем выщелоченный, а Ъъ и Мп - на чернозем типичный. Содержание валовых форм ТМ в почве во многом определяется наличием глинистой и илистой фракций (г = 0,71-0,92 и г = 0,64-0,92), а также гумуса (г = 0,53-0,98). Присутствие подвижных Сё, РЬ, Си и Со связано с дисперсностью почвы и наличием в ней Р205 (г = 0,58-0,91), а Мп - с гумусом (г = 0,51). В годы исследований концентрация ТМ в почвах была близка к фоновым значениям и не превышала ПДК.

2. Объем накопления ТМ озимой рожью на 29,3% меньше, а озимой тритикале на 9,3% больше, чем озимой пшеницей. Относительно небольшое количество ТМ накапливает яровая мягкая и твердая пшеница, а также овес и ячмень на черноземе южном. Максимальное их количество аккумулируют растения северной лесостепи на черноземе выщелоченном. Овес абсорбирует меньше металлотоксикантов, чем ячмень. Основная масса поглощенных растениями Сё, РЬ, Со и Мп накапливается в корневой системе растений. и Си способны в относительно больших объемах мигрировать в соцветия.

3. Агроэкологические условия Самарского Заволжья позволяют формировать фитомассу гороха и сои с концентрацией ТМ ниже ПДК. С продвижением посевов гороха с севера на юг содержание в растениях Си, Со и Мп уменьшается, а Сё и РЬ возрастает. Соя по сравнению с горохом интенсивнее абсорбирует Сё, Си и Со и меньше РЬ. Основную часть Сё, РЬ и Со зерновые бобовые растения локализуют в подземной фитомассе. гп, Си и Мп в относительно больших количествах могут транспортироваться в бобы.

4. В равных условиях просо аккумулирует в среднем на 84,0% больше ТМ, чем гречиха. С продвижением посевов проса в южную зону поступление Ъл, Си, Со и Мп в биомассу снижается, а Сё и РЬ возрастает. Гречиха северной зоны поглощает на 39,0% больше металлотоксиканпгов, чем в центральной. Основная масса тяжелых элементов локализуется в корневой системе растений. Ъл и Си могут в значительных объемах присутствовать в зоне формирования зерна. Уровень накопления ТМ в крупяных культурах Самарского Заволжья не превышает ПДК.

5. По объему аккумулирования ТМ кукуруза превосходит подсолнечник. Максимальное количество Сё, РЬ, Си и Мп кукуруза локализует в корневой системе. Значительные объемы поглощенных подсолнечником Сё, Zn, Си и Мп, а кукурузой и Ъл, могут мигрировать в генеративные части растений Уровень концентрации ТМ в биотипах (за исключением Со) не превышает ПДК. Повышенное содержание Со (на 7,0% больше ПДК) имеет кукуруза южной зоны.

6. Наиболее высокие индексы накопления в фитомассе изучаемых культур имеет гп - Кн = 23,9-82,9 и Си - Кн = 4,3-80,1, а минимальные Мп - Кн = 0,31-2,53 и Сё - Кн = 0,29-6,90. Максимальная концентрация в воздушно-сухом веществе надземной массы изучаемых видов характерна для Мп -4515007 мг/ц и Ъл - 694-3008 мг/ц, а наименьшая для Сё - 2,1-24,6 мг/ц. Уровень аккумуляции металлов в почве во многом определяет их содержание в биомассе зерновых культур (г=0,50-0,99), и в меньшей степени зернобобовых, крупяных и пропашных.

7. Прямой посев и поверхностная обработка способствуют накоплению ТМ в пахотном горизонте. Объемы аккумуляции РЬ, Ъп и Со, а локально - Си и Мп, существенно превышали фоновые значения. Эти металлы интенсивно поступали и в биомассу, причем Со в растения озимой пшеницы с превышением ПДК на 3,0%, а при прямом посеве - на 79,0%. Глубокая отвальная вспашка снижает концентрацию всех металлов (за исключением Со) до фонового уровня. При всех видах обработки основная масса поступивших в растения элементов локализуется в корневой системе, Ъх\ и Си могут в значительных количествах транспортироваться в колос.

8. Внесение расчетных доз минеральных удобрений повышает содержание в почве валовых форм Сё, РЬ и Со в среднем на 36,1%, а Си и Мп на 10,9% и увеличивает мобильность Ха, Си, Со и Мп в среднем на 25,9%. Концентрация изучаемых металлов в удобренной почве относительно невелика и варьирует от 1,0% до 47,8% от ПДК. Повышение уровня минерального питания яровой пшеницы, ячменя, овса, проса и гречихи в среднем на 5,6-30,9% снижает суммарный объем поступления ТМ в фитомассу. Однако внесение удобрений активизирует миграцию РЬ в яровую пшеницу, Сё, Ъп и Си - в ячмень и овс, а Сё и Мп - в горох. Удобрения не меняют характера локализации тяжелых металлов в биомассе. Основная часть аккумулянтов откладывается в корневой системе растений, Ъл и Си способны в относительно больших количествах транспортироваться в генеративные органы. В целом объем накопления ТМ в фитомассе удобренных растений не превышает ПДК, а по Сё, Си и Мп и фоновых значений.

Предложения производству

1. При размещении культур в агроландшафтах Самарского Заволжья необходимо учитывать, что почвенно-климатические условия северной зоны способствуют аккумуляции ТМ в биомассе растений.

2. При выборе систем обработки почвы необходимо учитывать, что отвальная вспашка на 25-27 см, по сравнению с прямым посевом и поверхностной обработкой (14-16 см), позволяет в среднем в 1,2-2,7 раза уменьшить поступление Cd, Pb Zn, Мп в растения, a Pb, Cu и Со - в 2,5-4,0 раза.

3. Внесение расчетных доз минеральных удобрений снижает суммарный объем поступления ТМ в фитомассу яровой пшеницы, ячменя, овса, проса и гречихи в среднем на 5,6-30,9%, но вместе с тем стимулирует миграцию РЬ в яровую пшеницу, Cd, Zn и Cu - в ячмень и овес, a Cd и Мп - в горох.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

В ведущих изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Ахматов Д.А., Троц Н.М., Троц В.Б. Особенности аккумуляции тяжелых металлов в фитомассе кукурузы и подсолнечника // Аграрная Россия. - 2011. -№ 6.-С. 22-24.

2. Ахматов Д.А., Троц Н.М., Троц В.Б. Особенности накопления тяжелых металлов в зернофуражных культурах // Аграрный вестник Урала. - 2011. -№6.-С. 18-20.

3. Ахматов Д.А, Троц Н.М., Троц В.Б. Особенности накопления тяжелых металлов в крупяных культурах // Вестник Оренбургского государственного аграрного университета. - 2011. - № 12. - С. 31-34.

В сборниках и материалах конференций:

4. Ахматов Д.А., Троц Н.М., Троц В.Б. Химический состав зеленой массы силосных культур // Развитие научной, творческой и инновационной деятельности молодежи: мат. Всеросс. науч.-практич. конфер. - Курган, 2010.-С. 213-216.

5. Троц Н.М., Ахматов Д.А. Влияние аккумуляции тяжелых металлов на качество зерна яровой пшеницы сорта «Кинельская 60» // Тяжелые металлы и радионуклиды в окружающей среде: мат. VI Международной науч.-практич. конференции. Семей, Казахстан, 2010. - Т. 2. - С. 440-442.

6. Ахматов Д.А. Плодородие почв - основа благосостояния населения // Аграрное решение. - 2011. - №3. - С. 22-26.

7. Троц Н.М., Ишкова C.B., Батманов А.В., Ахматов Д.А. Особенности аккумуляции минеральных элементов и тяжелых металлов в почве и растениях земляники садовой (Fragaria Ananassa) // Особенности развития АПК на современном этапе: мат. Всеросс. науч.-практич. конференции. -Уфа, 2011.-С. 30-34.

8. Бикеева Т.В., Ахматов Д.А. Влияние ресурсосберегающих технологий обработки почвы на характер локализации тяжелых металлов в культуре ячменя сорта «СДС Долли» // Вклад молодых ученых в аграрную науку Самарской области: сб. научных трудов. - Самара, 2011. - С. 5-10.

ЛР № 020444 от 10.03.98 г. Подписано в печать 16.02.2012. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная

Усл. печ. л. 2. Заказ тираж 100

Редакционно-издательский центр Самарской ГСХА 446442, Самарская обл., пос. Усть-Кинельский, ул. Учебная 2 Тел.: (84663) 46-2-44, 46-2-47 Факс 46-2-44 E-mail: ssaariz@ mail.ru

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Ахматов, Дмитрий Александрович, Кинель

61 12-3/721

Министерство сельского хозяйства Российской Федерации ФГБОУ ВПО «Самарская государственная сельскохозяйственная академия»

Аккумуляция тяжелых металлов в агроландшафтах

Самарского Заволжья

Специальность 03.02.08 - экология (биология)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель: кандидат биологических наук, доцент Н.М. Троц

Кинель - 2012

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ...................................................................................4

1. ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ПРОБЛЕМА ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В АГРОЭКОСИСТЕМАХ И ПУТИ ЕЁ РЕШЕНИЯ....................................8

1.1. Биогеохимические особенности Сё, РЬ, Хп, Си, Со, Мп и пути их поступления в агроландшафты ...................................................8

1.2. Особенности аккумуляции тяжелых металлов в системе

«почва - растение»..................................................................17

1.3. Влияние различных систем обработки почвы и уровней минерального питания растений на характер локализации

тяжелых металлов....................................................................23

2. УСЛОВИЯ, ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ.........................31

2.1. Агроэкологические условия района исследований.............................31

2.2. Метеорологические условия в годы исследований............................33

2.3. Объекты исследований..............................................................36

2.4. Методика исследований и схема опытов.......................................45

3. ОСОБЕННОСТИ АККУМУЛЯЦИИ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ

В ПОЧВАХ И РАСТЕНИЯХ.............................................................49

3.1. Накопления тяжелых металлов различными подтипами

черноземов.............................................................................49

3.2. Особенности аккумуляции тяжелых металлов основными сельскохозяйственными культурами ...........................................60

3.2.1. Озимые зерновые культуры................................................60

3.2.2. Яровая пшеница..............................................................65

3.2.3. Зернофуражные культуры.................................................69

3.2.4. Зерновые бобовые культуры..............................................74

3.2.5. Крупяные культуры..........................................................78

3.2.6. Пропашные культуры.......................................................82

3.3. Коэффициенты биологического накопления и выноса тяжелых металлов с надземной фитомассой...............................................88

3.4. Коэффициенты корреляции..........................................................

4. ВЛИЯНИЕ АГРОТЕХНИЧЕСКИХ ПРИЕМОВ НА НАКОПЛЕНИЕ

ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В СИСТЕМЕ «ПОЧВА - РАСТЕНИЕ».............96

4.1. Влияние способов обработки почвы на содержание тяжелых металлов в почве и растениях.......................................................

4.2. Влияние уровней минерального питания растений на аккумуляцию и мобильность тяжелых металлов................................................Ю8

4.3. Коэффициенты выноса тяжелых металлов с надземной фитомассой...117

выводы........................................................................................

ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВУ....................................................П5

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК....................................................125

ПРИЛОЖЕНИЯ................................................ллп

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность исследований. В условиях возрастающего антропогенного воздействия человека на биосферу одной из основных проблем агропромышленного комплекса страны является производство экологически безопасных продуктов питания и сырья для промышленности. Особую опасность для агробиоценозов представляют тяжелые металлы, поступление которых в агроландшафты с каждым годом увеличивается. Причем в результате хозяйственной деятельности процессы загрязнения затрагивают не только техногенные, но и биогенные территории. Попадая в почву и растения, тяжелые металлы накапливаются в агросистемах и включаются в метаболические циклы живых организмов, образуя высокотоксичные канцерогенные металлоорганические соединения. Они не подвергаются биохимическому разложению и очень медленно и трудно удаляются: период полуудаления цинка из почвы - 500 лет, кадмия - 1100 лет, свинца до 5000 лет (Давыдова и др., 2010). Опыт мирового земледелия свидетельствует, что загрязнение почвы тяжелыми металлами через пищевые цепочки ведет к нарушению всех компонентов экосистемы и деградации человеческого общества в целом.

Самарская область - индустриально развитый регион, имеющий на своей территории крупные предприятия машиностроительного, химического, нефтеперерабатывающего, аэрокосмического и приборостроительного комплекса, которые являются потенциальными источниками поступления тяжелых элементов в окружающую среду и их привнесения в агроландшафты.

В связи с этим исследования, направленные на изучение особенностей аккумуляции и миграции тяжелых металлов в агробиологических объектах, а также поиск технологических приемов снижения их поступления в биологический кругооборот, представляют особую актуальность.

Цель и задачи исследований. Выявление особенностей аккумуляции тяжелых металлов (Сё, РЬ ¿п, Си, Со, Мп) в почвах и в фитомассе основных сельскохозяйственных растений Самарского Заволжья.

В задачи исследований входило:

1. Изучить зональные особенности накопления валовых и подвижных форм тяжелых металлов в пахотном горизонте основных подтипов черноземов.

2. Изучить характер поступления тяжелых металлов в фитомассу и особенности их локализации в растительных организмах в различных почвенно-климатических условиях.

3. Выявить влияние различных систем обработки почвы на характер накопления тяжелых металлов в почве и растениях.

4. Изучить влияние минеральных удобрений на специфику, накопление и миграцию тяжелых металлов в системе « почва-растение ».

5. Установить коэффициенты накопления и объемы выноса тяжелых металлов из почвы с надземной фитомассой.

Научная новизна. Впервые в условиях Самарского Заволжья изучено влияние различных систем обработки почвы на особенности накопления валовых и подвижных форм С(1, РЬ, 7л, Си, Со, Мп в пахотном горизонте чернозема типичного. Исследована металлоаккумулятивная способность озимых и яровых зерновых культур при разной степени рыхления почвы и особенности локализации микроэлементов в органах растений. Установлены оптимальные приемы обработки почвы под конкретные культуры, позволяющие существенно снизить уровень концентрации металлотоксикантов в агроландшафтах. Изучено влияние минеральных удобрений на характер накопления и мобильность тяжелых металлов в почве, и специфику их поступления в биомассу основных сельскохозяйственных культур. Выявлена избирательная реакция растений на абсорбцию металлов в условиях оптимизации минерального питания растений. Впервые определены индексы содержания тяжелых металлов в фитомассе новых для региона растений: озимой тритикале и сои. Установленны коэффициенты накопления тяжелых металлов и их выноса с надземной фитомассой.

Уточнены особенности аккумуляции валовых и подвижных форм Сё, РЬ, Хп, Си, Со, Мп в пахотном горизонте основных подтипов чернозема Самарского Заволжья и зональные особенности поступления тяжелых металлов в фитомассу ведущих зерновых, зернофуражных, зернобобовых, крупяных и пропашных культур.

Основные положения, выносимые на защиту:

- максимальные объемы накопления валовых и подвижных форм тяжелых металлов в агроландшафтах Самарского Заволжья имеет чернозем выщелоченный и чернозем типичный, а минимальные - чернозем южный;

- накопление и локализация тяжелых металлов в ведущих сельскохозяйственных культурах определяется видовыми особенностями растений

и почвенно-климатическими условиями зоны их возделывания;

- глубокая отвальная вспашка (25-27 см) снижает поступление Сё, РЬ, Хъ, Мп в растения в 1,2-2,7 раза, а Си и Со - в 2,5-4,0 раза;

- внесение расчетных доз минеральных удобрений на 5,6-30,9% уменьшает суммарный объем аккумуляции тяжелых металлов в фитомассе растений.

Теоретическое значение работы. Материалы, отраженные в диссертации, вносят определенный вклад в теоретические разработки по особенностям аккумуляции и миграции тяжелых элементов в системе «почва-растение», влиянию агротехнических приемов возделывания культур и почвенно-климатических условий на динамику поступления Са, РЬ, Си, Со и Мп в ткани сельскохозяйственных растений. Имеют значение для разработки средосберегающих приемов использования агробиоценозов и производства экологически безопасной продукции.

Практическая ценность работы. Производству рекомендованы системы обработки почвы, позволяющие существенно снизить накопление тяжелых металлов в верхнем горизонте почвы и их миграцию в растения. Полученные данные могут быть использованы при мониторинговых исследованиях в агроландшафтах, разработке практических рекомендаций по применению

удобрений, составлении рекомендаций по размещению и районированию культур в конкретных почвенно-климатических условиях.

Экспериментальный материал используется в учебном процессе ФГБОУ ВПО «Самарская государственная сельскохозяйственная академия» студентами биологических, агрономических и экологических специальностей и слушателями факультета повышения квалификации. Они также могут быть использованы специалистами и руководителями подразделений Россельхознадзора и сельхозтоваропроизводителями.

Публикация результатов исследований. По материалам исследований диссертации опубликовано 8 печатных работ общим объемом 2,8 пл., в том числе 3 статьи в рецензируемых изданиях, рекомендуемых ВАК России.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на VI Международной научно-практической конференции «Тяжелые металлы и радионуклиды в окружающей среде» (Республика Казахстан, г. Семей, 2010), на Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых, посвященной 115-летию Т.С. Мальцева «Развитие научной, творческой и инновационной деятельности молодежи» (г. Курган, 2010), на Всероссийской научно-практической конференции «Особенности развития агропромышленного комплекса на современном этапе» (г. Уфа, 2010), на областной научно-практической конференции «Вклад молодых ученых в аграрную науку Самарской области» (г. Самара, 2011), на межвузовской научно-практической конференции «Достижения науки агропромышленному комплексу» (г. Кинель, 2011), на научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава и аспирантов Самарской ГСХА (г. Кинель, 2009, 2010).

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 147 страницах и содержит введение, 4 главы, выводы и предложения производству, список литературы из 204 источников, в том числе 12 на иностранном языке. Работа включает 2 рисунка, 25 таблиц и 6 приложений.

1. ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ПРОБЛЕМА ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В АГРОЭКОСИСТЕМАХ И ПУТИ ЕЕ РЕШЕНИЯ

В группу тяжелых металлов входит свыше 40 химических элементов с плотностью не менее 5 г/см3 и атомной массой более 50 единиц. Многие из этих элементов: медь, цинк, кобальт, марганец, железо, молибден и другие являются биогенными, входят в состав ферментных систем и участвуют в жизненно важных процессах организма. (Баранников и др., 2005)

Недостаток или отсутствие их опасно, так как они являются незаменимыми элементами для человека, животных, растений и микроорганизмов. В малых количествах их используют в составе биологически активных добавок в пищу, в качестве удобрений для сельскохозяйственных растений и минеральных подкормок в рационах животных. Однако в повышенных концентрациях эти элементы становятся токсичными и вызывают гибель биологических объектов. По степени опасности тяжелые металлы делят на три группы: 1- высокотоксичные: ртуть (Щ), мышьяк (Аб), кальций (Са), свинец (РЬ), селен фе), цинк (гп); 2 - среднетоксичные: бор (В), кобальт (Со), никель (N1), молибден ( Мо), сурьма фЬ), хром ( Сг); 3 - малотоксичные: барий (Ва), ванадий (V), марганец ( Мп), вольфрам (\¥), стронций ( вг). (Черных и др., 2001; Каплин, 2006)

1.1. Биогеохимические особенности Сё, РЬ, Хп, Си, Со, Мп и пути их поступления в агроландшафты

Кадмий (Сё) - металл серебристо-белого цвета плотностью - 8,6 г/см3. Содержание Сё в земной коре равно 0,0005% от общего веса, он относится к редким элементам. В природе встречается в виде гринокита (СсК), отавита (СёСОз), кадмоселита (Сс&е), ксантохроита (Сё8(Н20)х). Чаще всего Сё присутствует в виде примесей в цинковых, свинцовых, медных и полиметаллических рудах (Глинка, 1964).

По мнению Матвеева и др. (1997) биологическая роль Сс1 изучена еще недостаточно. Однако по сведениям Ковды (1985) данный элемент является токсиканом, канцерогеном и тератогеном. По данным Эмсли (1993), избыток Сё в окружающей среде вызывает болезнь человека «Итаи-Итаи», сопровождаемую сильными болями в пояснице и мышцах, анемией, хрупкостью и ломкостью костей. Особенно опасно вдыхание паров его оксида (СсЮ). Растворимые соединения Сс1 после всасывания в кровь поражают центральную нервную систему, печень, нарушают фосфорно-кальциевый обмен, вызывает онкологические заболевания. Исключительно куммулятивен, из тканей человека Сё удаляется в течение 20-30 лет (Амосов, 2002).

Сё обнаруживается в организме всех животных на уровне в среднем около 0,5 мг/кг. В небольших количествах он благотворно влияет на углеводный обмен, синтез в печени гиппуровой кислоты, активность некоторых ферментов, а также на обмен цинка, меди, железа и кальция. Однако повышенное количество Сё в организм животных угнетает синтез гемоглобина, нарушает репродуктивные функции (Мещерякова и др., 2004).

Сё не входит в число необходимых для растений элементов, но эффективно поглощается ими. Содержание Сё в растительных организмах зависит от концентрации его подвижных форм в почве. Нормальное количество Сё в растениях равно 0,0001% на сухое вещество. Его избыток вызывает хлороз листьев и ингибирование фотосинтеза, нарушение фиксации и транспирации С02, а также задержку роста корневой системы. Наибольшее количество Сё способны аккумулировать злаковые культуры, шпинат, салат, свекла, сельдерей, а также многие виды грибов, табак, горох. Загрязненные растения могут содержать до 400 мг Сё на 1 кг сухого веществ. Ионы Сё, обладая большой подвижностью в почвах, легко переходят в растения, накапливаются в них и затем поступают в организм человека и животных. Высокая фитотоксичность Сё объясняется его близостью по химическим свойствам к Хп, поэтому Сё может замещать Ъх\ во многих биохимических процессах, нарушая работу большинства ферментов (Масленникова и др., 2005) .

Основной источник поступления Сс1 в почву - это внесение удобрений, особенно суперфосфата, куда Сё входит в качестве компонента руды (Небытов, 2001). Мощными загрязнителями окружающей среды являются предприятия, добывающие и использующие Сё, а также объекты топливно-энергетического комплекса. Сё поступает в агроландшафты с атмосферными осадками, сточными водами промышленных предприятий. До 70% попадающего в почву Сё связывается почвенно-химическими комплексами, доступными для растений. В почвенных растворах и грунтовой воде Сё присутствует в виде сульфата (Сё804), хлорида (СёС12), нитрата кадмия Сё(М)3)2 и во взвешенном виде в составе органо-минеральных комплексов, а также в виде галогенидов Сё бесцветных соединений СёС12, СёВг2 и Сё12, растворимых в воде. Сё легко растворяется во многих кислотах: соляной - (Сё + 2НС1 = СёС12 + 2Н2); азотной - (Сё + Ш03 = Сё(Ж)3)2 • 4Н20) (Здановский и др., 1970; Мамаева и др., 1995).

Свинец (РЬ) - голубовато - белый метал плотностью 11,3 г/м3. Содержание в земной коре составляет 0,0016% от массы. В природе чаще всего встречается в виде галенита (РЬв), церуссита (РЬС03), пироморфита (РЬС1е2 • .ЗРЬ3(Р04)2), миметита (РЬС12 • ЗРЬ(Аз04)2) и т. д. (Карташов, 1998).

Соединения РЬ ядовиты. Попадая в организм человека, РЬ накапливается в костях, вызывая их разрушение, блокирует деятельность многих ферментов, обуславливает анемию, поражает почки, мозг, снижает интеллект. В отравленном организме происходит замещение кальция на ионы РЬ, что является постоянным источником токсикации (Уткин, 2004).

При попадании соединений РЬ в организм животных угнетается окислительно-восстановительный процесс, синтез гемоглобина. Нарушается функция нервных тканей почек, печени и т.д. Животные постепенно худеют, мышцы спины и конечностей атрофируются (Исамов и др., 2003).

Большинство исследователей считает, что биологическая роль РЬ в растительном организме очень мала, а его токсичность из-за малой растворимости соединений невысока (Тойкка, 1981; КаЫе аХ 1989). Установлено, что РЬ входит в состав физиологически активных комплексов и

при повышенном содержании вызывает функциональное нарушение в пигментных комплексах и уменьшение содержания хлорофилла в тканях (Тотазеую а1 1989). По данным СЛегёег ег а1, (1980), Горбатого и др., (1989) при высокой концентрации РЬ в растениях угнетаются ростовые процессы, снижается содержание витаминов С и А.

Источниками поступления РЬ в окружающую среду являются: выбросы предприятий цветной металлургии, нефтехимической и радиоэлектронной промышленности, автотранспорт, машиностроение пиротехнические средства, предприятия топливо - энергетического комплекса. РЬ широ