Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Аккумуляция тяжелых металоов сельскохозяйственными растениями в зависимости от их биоэкологических свойств и действия основных экологических факторов в условиях Самарской области (лесостепное и степное Поволжье)

ВАК РФ 03.00.16, Экология

Автореферат диссертации по теме "Аккумуляция тяжелых металоов сельскохозяйственными растениями в зависимости от их биоэкологических свойств и действия основных экологических факторов в условиях Самарской области (лесостепное и степное Поволжье)"

4 г ОД

На правах рукописи

ПАВЛОВСКИЙ Василий Алексеевич

АККУМУЛЯЦИЯ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫМИ

РАСТЕНИЯМИ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ИХ БИОЭКОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ И ДЕЙСТВИЯ ОСНОВНЫХ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ в УСЛОВИЯХ САМАРСКОЙ ОБЛАСТИ (ЛЕСОСТЕПНОЕ И СТЕПНОЕ ПОВОЛЖЬЕ)

03.00.16-экология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Самара 1997

Работа выполнена на кафедре экологии, ботаники и охраны природы Са марского государственного университета

Научный руководитель

доктор биологических наук, профессор, академик Российской экологической академии МАТВЕЕВ Н.М.

Официальные оппоненты.

доктор биологических наук, профессор, член-корреспондент Российской академии естественных наук МАТВЕЕВ В.И. доктор биологических наук, профессор БОЛДЫРЕВ В.А.

Ведущая организация

Самарский научно-исследовательский институт сельского хозяйства им. акад. Н.М. Тулайкова РАСХН

Защита состоится О ¿¿А9/АЙ. 1997 года в 7<С часов на заседанш диссертационного совета К 063.94.04 по присуждению ученой степени кандида та биологических наук в Самарском государственном университете по адресу:

443011. г. Самара, ул. академика Павлова. 1. Самарский государственны! университет, биологический факультет

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Самарского государст венного университета.

Автореферат разослан ¿¿прей л. 1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат биологических наук, доцент ' 1 Мозговой Д.П.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы

Тяжелые металлы относятся к числу наиболее распространенных и опасных для биоты загрязнителей экологической среды. Их распределение в почвенном и растительном покрове конкретных географических зон и регионов исследовано крайне недостаточно. Это в полной мере касается Самарской области - одного из важнейших регионов России, который, с одной стороны, характеризуется высокопроизводительным сельским хозяйством, а, с другой стороны, -интенсивным техногенным воздействием на среду. В этих условиях изучение накопления тяжелых металлов в видах сельскохозяйственных растений и, соответственно, - в растениеводческой продукции является актуальной научной задачей.

Цель и задачи исследований

Целью данной работы является изучение особенностей аккумуляции тяжелых металлов сельскохозяйственными растениями в зависимости от биоэкологических свойств видов и действия основных экологических факторов в условиях Самарской области (лесостепное и степное Поволжье). В задачи исследований входило:

- составить экологическую характеристику сельскохозяйственных угодий, а также - биоэкологических свойств культурных растений в системе растениеводства Самарской области для оценки их возможного воздействия на фитоаккумуляцию тяжелых металлов;

- определить региональный фоновый уровень накопления тяжелых металлов в различных видах сельскохозяйственных растений;

- исследовать максимальную металлоаккумуляционную способность различных видов культурных растений при современной технологии растениеводства в условиях Самарской области;

- изучить зависимость металлоаккумуляции от конкретных биоэкологических особенностей видов культурных растений;

- определить уровень накопления тяжелых металлов в основных сельскохозяйственных растениях применительно к условиям конкретных административных и агроклиматических районов Самарской области;

- исследовать влияние основных экологических факторов на аккумуляцию тяжелых металлов сельскохозяйственными растениями;

- изучить зависимость накопления тяжелых металлов растениями от содержания их валовых и подвижных или свободных (кислоторастворимых) форм в почве в условиях Самарской области.

Научная новизна работы

Впервые для Самарской области (лесостепное и степное Поволжье) установлен фоновый уровень содержания 15 тяжелых металлов в 13 видах и формах сельскохозяйственных растений; определена максимальная аккумуляционная способность растений в условиях современной технологии растениеводства; исследована зависимость аккумуляции тяжелых металлов растениями от биоэко-

логических свойств видов, от важнейших экологических факторов. Впервые определены уровни аккумуляции 11 тяжелых металлов в фитомассе и зерне пшеницы мягкой озимой, ячменя обыкновенного ярового и гречихи посевной применительно к условиям конкретных административных районов Самарской об ласти; разработаны изолинейные компьютерные карты распределения 10 тяжелых металлов в фитомассе пшеницы мягкой озимой в условиях Самарской области.

Теоретическое значение работы

Установленная в работе зависимость аккумуляции тяжелых металлов рас тениями от их требовательности в тепле, влаге, биогенных элементах, от влия ния основных экологических факторов (теплового режима, обеспеченное™ почвы азотом, фосфором, калием и т.д.) может быть использована для развита) теоретических основ современной экологии растений.

Практическая значимость работы

Результаты проведенных исследований могут быть использованы в расте ниеводческой практике сельского хозяйства Самарской области, в частности при планировании и размещении посевов различных культур в целях получение продукции (зерно, фитомасса на сено или силос), экологически безопасной п( содержанию в ней тяжелых металлов.

Реализация результатов исследований

Материалы исследований преданы управлению сельского хозяйства и про довольствия Самарской области, Приволжскому территориальному управлении по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды, центру государст венного санитарно-эпидемиологического надзора Самарской области.

Они активно используются в практической деятельности названных орга низаций. Материалы работы включены в «Государственный доклад о состоянш окружающей природной среды Самарской области», а также в подготовленньп к опубликованию «Атлас Самарской области». Они внедрены и используются i научных исследованиях и в учебном процессе кафедры экологии, ботаники i охраны природы Самарского госуниверситета.

Апробация работы

Результаты исследований, теоретические и практические выводы, следую щие из них, докладывались на Всероссийских конференциях по анализу объек тов окружающей среды «Экоаналитика-94» (Краснодар, 1994), «Экоанапитика 96» (Краснодар, 1996), на Международной конференции «Фундаментальные i прикладные проблемы охраны окружающей среды» (Томск, 1995), на научны: конференциях Самарского госуниверситета, В полном объеме выполненная ра бота доложена на расширенном совместном заседании кафедры экологии, бота ники и охраны природы Самарского госуниверситета и Самарского огделени. Всероссийского ботанического общества с участием широкого крута ученых экологов и специалистов Самарской области.

Публикация результатов исследований

Основные результаты проведенных исследований опубликованы в 9 печат ных работах.

Декларация личного участия автора

В течение 1991-1996 гг. автор осуществил отбор образцов сельскохозяйственных растений в Шенталинском, Клявлинском, Сергиевском, Исаклинском, Приволжском, Безенчукском, Кошкинском, Ставропольском, Сызранском, Волжском, Кинельском, Похвистневском, Борском, Алексеевской, Нефтегор-ском, Красноармейском, Хворостянском, Пестравском, Большеглушицком, Большечерниговском районах по программе, согласованной с научным руководителем. В общей сложности образцы пшеницы мягкой озимой, пшеницы мягкой яровой, ржи посевной озимой, ячменя обыкновенного ярового, овса посевного, кукурузы, проса обыкновенного, гречихи посевной, гороха посевного, подсолнечника, свеклы обыкновенной сахарной, суданской травы, картофеля (с подземными и надземными органами) были отобраны автором на 742 пробных площадях. Всего было взято для анализа 2226 образцов культурных растений. Автор принимал участие в подготовке образцов к элементному анализу (высушивание, взвешивание, озоление). Данная работа осуществлена в почвенной лаборатории Госкомитета экологии и природных ресурсов Самарской области. Определение качественного и количественного состава тяжелых металлов (15 элементов) осуществлено в специализированной лаборатории Харьковского физико-технического института. Анализ полученных цифровых результатов осуществлен лично автором по плану, согласованному с научным руководителем. Текст работы написан автором, проверен и отредактирован научным руководителем.

Основные результаты исследований опубликованы в соавторстве. Доля личного участия автора в написании и подготовке публикаций составляет от 25 до 60 %.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Установленные в результате проведенных исследований фоновые уровни накопления тяжелых металлов (Бе, Мп, Шз, 5г, Т|, Аэ, Сс1, Со, Сг, Си, РЬ, V, Щ) в фитомассе пшеницы мягкой озимой, пшеницы мягкой яровой, ржи посевной озимой, ячменя обыкновенного ярового, овса посевного, кукурузы, проса обыкновенного, гречихи посевной, гороха посевного, подсолнечника, свеклы обыкновенной сахарной, суданской травы и картофеля.

2. Уровни аккумуляции тяжелых металлов (Ре, Мп, 11Ь, Бг, Т1, Аз, С(1, Со, Сг, Си, №, Z^^, РЬ, V, Н§) в фитомассе и зерне пшеницы мягкой озимой, ячменя обыкновенного ярового, гречихи посевной применительно к условиям конкретных административных районов Самарской области.

3. Изолинейные компьютерные карты распределения тяжелых металлов (Ре, Мп, Бг, Т1, Со, Сг, Си, №, Ъл, РЬ) в фитомассе пшеницы мягкой озимой в условиях Самарской области.

4. Виды культурных сельскохозяйственных растений, характеризующиеся низкими температурами прорастания семян, высокой толерантностью к весенним заморозкам, но требовательные к теплу в период активного роста накапливают повышенное количество тяжелых металлов. Чем длительнее период разви-

тия и созревания, чем значительнее образуемая основная продукция (плодь вида, тем больше его металлоаккумуляционная способность. Последняя так» возрастает у видов, которые для своего развития требуют большого количеств воды, фосфора и калия.

5. В условиях Самарской области (лесостепное и степное Поволжье) нак< пление тяжелых металлов в сельскохозяйственных растениях возрастает с ув< личением количества тепла, продолжительности периода суховеев в вегетащ онный период, выноса с урожаем из почвы азота, фосфора, калия, а уменьшаем ся по мере усиления эродированности пашни.

6. Между содержанием в почве конкретных местообитаний как валовы: так и свободных (кислоторастворимых) форм тяжелых металлов и накопление их в растениях не существует определенной связи. Единственным объективны показателем наличия в почве доступного для растений количества тяжелых м< таллов является только конкретный вид растения. По накоплению в его фит< массе того или иного элемента можно судить об экологически значимом его с( держании в почве.

Объем и структура работы

Работа состоит из введения, семи глав, выводов, списка литературы и пр1 ложений. Ее объем составляет 287 страниц, в том числе 156 страниц собствен» текста, 61 таблицу, 34 рисунка, 45 приложений. Список литературы на 27 стр; ницах включает 248 отечественных и 50 зарубежных источников.

1. СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ОБ АККУМУЛЯЦИИ 1 МИГРАЦИИ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В СИСТЕМЕ ПОЧВА-РАСТЕНИ В АГРОЭКОСИСТЕМАХ (Обзор литературного материала)

На основе обширного (298 наименований) литературного материала дан представления об источниках загрязнения агроэкосистем тяжелыми металлам! о содержании тяжелых металлов в почвах и растениях Самарской области, о п; тях поступления тяжелых металлов в сельскохозяйственные растения, о распр( делении тяжелых металлов по органам и тканям растений, о различных аспи тах взаимодействия тяжелых металлов и растений, о нормировании содержани тяжелых металлов в компонентах агроценозов.

2. УСЛОВИЯ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

С использованием литературного и документального материала дана х; рактеристика природных условий района исследований. Установлено, что осс бенности рельефа способствуют эрозии почв и интенсивному латеральному п( рераспределению тяжелых металлов.

Объектами исследований служили агроландшафты, агрофитоценозы и о< новные сельскохозяйственные растения Самарской области. В ходе полевых ж

следований с использованием общепринятых методов (Практикум по агрохимии, 1989; Прохорова, 1996) образцы сельскохозяйственных растений (13 видов и форм) и почвы были отобраны на 742 пробных площадях. Всего было взято для анализа 2226 образцов культурных растений.

Для получения сравнимого материала растительные образцы отбирали в сухую погоду; растения одной культуры с пробных площадей из разных агро-ландшафтов соответствовали одной фенофазе (в основном в фазе полной спелости). Растения выкапывали с корнями из земли в разных достаточно удаленных друг от друга точках пробной площади. Отбирали по 5-10 и более экземпляров в зависимости от размера растений.

В почвенных образцах определяли содержание карбонатов (по вскипанию с 10% НС1), гумуса по Никитину, рН водной вытяжки иономером ЭВ-74 (Практикум по агрохимии, 1989).

Подготовку образцов почв и растений для определения валового содержания тяжелых металлов проводили по общепринятым методам (Страшинский и др. 1987; Практикум по агрохимии, 1989; Прохорова , 1996).

Количественное определение содержания тяжелых металлов в почвенных и растительных образцах проводили методом характеристического рентгеновского излучения (метод ХРИ, зарубежный аналог PIXE) на установке «Элеан» в Харьковском физико-техническом институте.

Количественные данные получали по методу внешнего стандарта. Для этого периодически среди анализируемых объектов производилось измерение стандартных образцов почвы (СП-1, СП-2, СП-3, СДО-2 ГСО 1758-80 и др.) или биообъектов (СБМК-01 №1483, SNR-1 ГСО 2193-81).

Полученные спектры ХРИ исследуемых и стандартных образцов обрабатывались по программе «SLED», которая позволяла получать интенсивности Ка и La линий анализируемых элементов в исследуемых образцах и стандартах.

Точность количественного определения содержания тяжелых металлов в почвенных и растительных образцах оценивалась по относительной ошибке среднего арифметического Cs. Считается, что результаты удовлетворительны при Cs= 3-5% (Зайцев, 1984).

В наших исследованиях для почвенных образцов она составляла от 0% (РЬ) до 5,8% (Со); для растительных образцов от 0% (РЬ) до 5,5% (Со). Н.В. Прохоровой (1996) показано, что в условиях Самарской области распределение тяжелых металлов в почвах и растениях подчиняется нормальной и логнормальной закономерностям; различия средних величин, рассчитанные по той и другой закономерностям, - не существенны.

Математическая обработка, результатов проводилась общепринятыми методами (Плохинский, 1970; Зайцев, 1984; Алексеенко, 1990) с помощью пакетов прикладных программ SPSS и GeoGraph/GeoDraw for Windows - на персональном компьютере.

Для компьютерного картирования содержания тяжелых металлов в сельскохозяйственных растениях и изготовления иллюстраций мы использовали пакеты прикладных программ GeoDraw/GeoGraph и GeoFit (разработаны институ-

том географии РАН), электронную карту Самарской области, выполненную Пущинским Центром Новых Информационных Технологий Министерства об щего и профессионального образования РФ с участием кафедры экологии, бс таники и охраны природы Самарского Государственного университета.

3. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ РАСТЕНИЕВОДСТВА В СЕЛЬ СКОМ ХОЗЯЙСТВЕ САМАРСКОЙ ОБЛАСТИ И ОСНОВНЫЕ НА ПРАВЛЕНИЯ В ИЗУЧЕНИИ АККУМУЛЯЦИИ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛ01 КУЛЬТУРНЫМИ РАСТЕНИЯМИ В ЭКОЛОГИЧЕСКОМ АСПЕКТЕ.

3.1 Экологическая и агрохимическая характеристика сельскохозяйст венных угодий.

На основании анализа литературного и документального материал (Система ведения..., 1981, 1984; Почвы..., 1985; Природа..., 1990; Экологическа ситуация..., 1994; Государственный доклад..., 1996; Прохорова, 1996 и др.) сс ставлена исчерпывающая экологическая и агрохимическая характеристик пашни в Самарской области. Разработана таблица в которой представлен! цифровые данные по конкретным агроклиматическим и административны; районам о степени эродированности пашни; о среднегодовом выносе из почвы урожаем сельхозкультур азота, фосфора, калия; о количестве осадков; о гидре термическом коэффициенте; о продолжительности суховейного периода; сумме активных температур; о биопродуктивности пашни.

3,2. Биологические и экологические особенности основных сельскохс зяйственных растений в системе растениеводства Самарской области.

На основе анализа опубликованных сведений (Сергеева, 1971; Вехов и др 1978; Почвы..., 1985; Лапин, Усов, 1990; Основы земледелия, 1990; Давыдкш 1996; Долгинин, Родионова, 1996; Китаева, 1996) охарактеризованы биологиче ские и экологические свойства пшеницы, ржи, ячменя, овса, кукурузы, просг сорго, гречихи, подсолнечника, свеклы, картофеля, гороха, суданской травь Разработана таблица, в которой приведены цифровые данные о температур прорастания семян; переносимых и губительных заморозках; температурно! оптимуме развития; сумме необходимых для развития активных температур; за сухоустойчивости; глубине проникновения корней; транспирационном коэффи циенте; продолжительности вегетативного периода (онтогенеза); о потребност в азоте, фосфоре, капие; об урожайности пшеницы мягкой озимой, пшениц] мягкой яровой, ржи посевной озимой, ячменя обыкновенного ярового, овса пс севного, кукурузы, проса обыкновенного, сорго обыкновенного, гречихи nocet ной, гороха посевного, подсолнечника, свеклы обыкновенной сахарной, карте феля, суданской травы.

В главе сформулированы основные направления исследований зависимости поглощения тяжелых металлов растениями от их биоэкологических свойств и от конкретных экологических характеристик почв.

4. АККУМУЛЯЦИЯ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ РАЗЛИЧНЫМИ ВИДАМИ СЕЛЬСКОХОЯЙСТВЕННЫХ РАСТЕНИЙ.

4Л. Фоновая аккумуляция тяжелых металлов основными сельскохозяйственными растениями в условиях Самарской области.

С целью определения естественного (фонового) накопления тяжелых металлов в фитомассе основных сельскохозяйственных растений нами были проанализированы образцы из различных пунктов Самарской области, которые характеризуются минимальным антропогенно-техногенным воздействием.

Полученный фактический материал представлен в 15 таблицах, в которых отражено фоновое (среднее, минимальное и максимальное) содержание Ре, Мл, ЯЬ, Бг, Т1, Ая, Сё, Со, Сг, Си, РЬ, V, 7м, Нд в фитомассе пшеницы мягкой озимой, пшеницы мягкой яровой, ржи посевной озимой, ячменя обыкновенного ярового, овса посевного, кукурузы, проса обыкновенного, гречихи посевной, гороха посевного, подсолнечника, свеклы обыкновенной сахарной, суданской травы, как это показано для примера в табл. 1.

Таблица 1

Содержание титана в (воздушно-сухой) фитомассе основных сельскохозяйственных растений на незагрязненных участках в Самарской области, мг/кг

Вид Фоновая (естественная) концентрация

п х ± т тт тах

Пшеница мягкая озимая 19 14,29 ±4,27 1,04 73,71

Пшеница мягкая яровая 28 13,93 ±2,70 0,85 65,06

Рожь посевная озимая 38 14,19 ±3,69 0,47 89,97

Ячмень обыкновенный яровой 121 19,17 ±2,18 0,77 98,08

Овес посевной 107 14,04 ± 2,05 0,98 93,75

Кукуруза 76 18,77 ±2,62 0,93 95,08

Просо обыкновенное 55 13,98 ± 2,55 0,94 85,89

Гречиха посевная 87 8,65 ± 1,54 0,61 99,34

Горох посевной 12 3,37 ± 1,32 0,83 15,70

Подсолнечник 86 11,73 ± 1,95 0,45 93,37

Свекла обыкновенная сахарная 9 16,03 ±9,36 0,94 88,00

Суданская трава 39 17,08 ±3,66 0,97 89,04

В результате установлено, что в условиях Самарской области (лесостепное л степное Поволжье) на относительно незагрязненных участках четко выявля-

егся специфическое фоновое накопление тяжелых металлов (15 элементов) фитомассе основных сельскохозяйственных растений (13 видов и форм).

Оно зависит от биологических (видовых) свойств растения и от услови местопроизрастания.

Поэтому для каждого географического региона фоновое накопление тяж( лых металлов в растениях - специфично.

Введено и обосновано представление о максимальном региональном фож вом уровне (МРФУ). Его можно использовать как критерий, в сравнении с кс торым следует рассматривать накопление того или иного элемента в растения в различных иных условиях.

Допуская, что содержание тяжелых металлов в фитомассе в пределах сво? ственных для региона фоновых концентраций безвредно для растений, всякс превышение данного критерия уместно рассматривать как некоторое наруцк ние природного равновесия.

4.2. Метлллоаккумуляционная способность различных видов есл! скохозяйственных растений в условиях агроэкосистем Самарской области.

Металлоаккумуляционная способность культурных растений в условия Самарской области (как и в большинстве других регионов России) практическ не изучена.

На основании исследований, проведенных нами в различных агроэкоси стемах Самарской области с выраженным, но обычным при осуществлени сельского хозяйства антропогенно-техногенным воздействием (вспашка, внесе ние органических и минеральных удобрений, пестицидов, эрозия почвы, искус ственное орошение и т.д.) установлено, что тяжелые металлы могут накапли ваться в вегетативных и генеративных органах культурных растений в доста точно высоких концентрациях.

Полученные нами фактические материалы представлены в 15 таблицах, которых приведены сведения о средних (х ± ш), минимальных и максимальны; концентрациях Ре, Мп, Ш), 5г, Тц Аб, Сё, Со, Сг, Си, №, РЬ, V, 7л, в расте ниях пшеницы мягкой озимой, пшеницы мягкой яровой, ржи посевной озимой ячменя обыкновенного ярового, овса посевного, кукурузы, проса обыкновенно го, гречихи посевной, гороха посевного, подсолнечника, свеклы обыкновенно! сахарной, суданской травы, картофеля.

Как видно, например, из табл. 2., превышение максимального региональ ного уровня (МРФУ) титана в фитомассе вышеперечисленных видов растенш может достигать в 2,0-9,9 раза. В других случаях оно было еще больше: мышья ка в 17,5 -35,6; хрома в 8,7 - 260,9; ванадия в 13,8 -189,3 и т.д.

Установлено, что в условиях Самарской области Ре, Мп, Аб, Сс1, Со, Сг, Си РЬ, Ъп, часто накапливаются в фитомассе культурных растений в количе ствах, превышающих ПДК этих элементов в растительных кормах и раститель ных продуктах питания человека, а также - в фитотоксичных концентрациях снижающих урожайность всех исследованных видов.

Таблица 2

Аккумуляционная способность по отношению к титану у различных видов сельскохозяйственных растений в Самарской области, мг/кг воздушно-сухой массы

Вид Повышенная концентрация

х± т тт тах

Пшеница мягкая озимая 186,51 ± 49,25 137,26 235,75

Пшеница мягкая яровая 197,90 ± 29,36 168,55 227,26

Рожь посевная озимая 332,44 ±92,39 107,69 896,64

Ячмень обыкновенный яровой 352,89 ±46,82 122,58 568,29

Овес посевной 269,42 ±43,85 131,00 398,46

Кукуруза 233,15 ±59,61 113,92 673,05

Гречиха посевная 305,88 ± 102,26 131,94 550,27

Подсолнечник 155,62 ±15,42 104,97 278,34

Свекла обыкновенная сахарная 185,52 ±24,70 116,73 232,31

Суданская трава 138,91 ± 14,62 104,39 178,30

5. ЗАВИСИМОСТЬ АККУМУЛЯЦИИ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ ОТ БИОЛОГИЧЕСКИХ И ЭКОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ РАСТЕНИЙ.

Усвоение минеральных (зольных) элементов, в том числе и тяжелых металлов из почвы представляет собой очень сложный и в полной мере до конца не изученный процесс. (Лархер, 1978; Культиасов, 1982; Бигон и др., 1989; Ка-бата- Пендиас, Пендиас, 1989; Ильин, 1991, 1994, 1995; Бессонова, 1991; Раба-данов и др., 1994; Касимов и др., 1996; Понизовский и др., 1996)

Мы сделали попытку выяснить, зависит ли накопление тяжелых металлов в фитомассе от таких свойств растений как потребность в тепле, влаге, биогенных элементах (азот, фосфор, калий), продолжительность онтогенетического развития, объем первичной продукции (фитомассы) и др. (использованы материалы из гл. 3 и 4).

В результате нами было получено большое количество фактических данных, основная часть которых представлена в диссертации в форме 20 графических рисунков, отражающих достоверную (при уровне значимости 0,05) корреляционную зависимость между математически выраженным биоэкологическим свойством вида растения и накоплением в нем конкретного «тяжелого» элемента, как это показано для примера на рис. 1.

Оговоримся, что в своей работе мы не стремились исследовать «деликатные» вопросы из области педохимии, физиологии и биохимии растений, так как это является предметом изучения соответствующих специалистов.

Мы руководствовались лишь конечными результатами сложного процесса аккумуляции «тяжелых» элементов из экотопа, которыми являются концентра-

ции их в фитомассе и отдельных частях (органах) раятений, стремясь поня ть, в какой мере это зависит от различных факторов экологической среды.

Подчеркнем, что данный экологический аспект исследуемой нами проблемы разработан крайне слабо.

Нами установлено, что виды, характеризующиеся низкими температурами прорастания семян, высокой толерантностью к весенним заморозкам, но в то же время требовательные к теплу в период активного роста, накапливают в своей фитомассе повышенное количество тяжелых металлов.

Чем длительнее период развития и созревания (онтогенеза), чем значительнее образуемая основная продукция (плоды) вида, тем больше его металло-аккумуляционная способность.

Г=-0.700

1,-С

Рис.1. Зависимость между накоплением железа в фитомассе (1) и минимальной температурой прорастания семян (2) различных видов растений на участках с антропогенно-техногенным воздействием

6. АККУМУЛЯЦИЯ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В НЕКОТОРЫХ ОСНОВНЫХ ВИДАХ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ РАСТЕНИЙ В УСЛОВИЯХ РАЗЛИЧНЫХ АГРОКЛИМАТИЧЕСКИХ И АДМИНИСТРАТИВНЫХ РАЙНОВ САМАРСКОЙ ОБЛАСТИ.

Изучена зависимость накопления тяжелых металлов в условиях различных агроклиматических и административных районов Самарской области на примере трех видов: пшеницы мягкой озимой, ячменя обыкновенного ярового, гречихи посевной. Эти растения выращиваются практически во всех районах и по-

этому представляют собой оптимальные объекты для решения стоящих перед нами научных задач. В целях избежания излишней громоздкости материала мы ограничились лишь теми «тяжелыми» элементами, которые по результатам наших исследований в условиях Самарской области могут накапливаться в фито-массе в «сверхнормативных» концентрациях (Ре, 2п, Мп, Си, Сг, Со, Сс1, №, Аз,

РЬ, Щ).

Полученный нами фактический материал представлен в диссертации в форме 24 таблиц, в которых отражено среднее (х ± т) накопление названных элементов в фитомассе и в зерне пшеницы, ячменя и гречихи, а также - в 32 таблицах -приложениях (приведены средние (х ± т), минимальные, максимальные концентрации тяжелых металлов, коэффициенты вариации). Установлено, что разные виды растений в одинаковых условиях одного и того же района накапливают в своей фитомассе и плодах тяжелые металлы в разных количествах.

Среднее содержание железа в фитомассе превышает максимальный региональный фоновый уровень у пшеницы в Ставропольском, Волжском, Хворо-стянском районах, у ячменя - в Ставропольском, Волжском, Сызранском, Ки-нельском районах, у гречихи - в Кинельском и Красноярском районах.

В зерне пшеницы, ячменя и гречихи в условиях Самарской области накопление железа превышает ПДК.

Максимальный региональный фоновый уровень накопления цинка превышен в фитомассе пшеницы в Ставропольском, Волжском районах, ячменя - в Сергиевском и Ставропольском районах. На локальных участках содержание цинка превышает ПДК в фитомассе пшеницы в Ставропольском, Волжском, а в ячмене -в Ставропольском районе.

Накопление марганца в фитомассе пшеницы, ячменя и гречихи в условиях Самарской области превышает ПДК.

Максимальный региональный фоновый уровень накопления меди превышен в фитомассе пшеницы в Ставропольском, Волжском, Большеглушицком районах; в фитомассе гречихи - в Ставропольском районе.

Концентрация меди превышает ПДК в зерне пшеницы в Кошкинском, Волжском, Борском, Большеглушицком районах, ячменя - в Пестравском, гречихи - в Кинельском районе.

В большинстве районов Самарской области накопление хрома в фитомассе пшеницы, ячменя и гречихи превышает максимальноый региональный фоновый уровень, а в зерне - ПДК.

Аккумуляция кобальта в фитомассе превышает максимальный региональный фоновый уровень у пшеницы - в Ставропольском, Борском, Красноармейском, Хворостянском, Большечерниговском, Большеглушицком районах, у гречихи - в Сызранском, Кинельском, Похвистневском, Борском, Нефтегорском, районах. ПДК кобальта превышена в фитомассе пшеницы - в Шенталинском, Исаклинском, Ставропольском, Безенчукском, Кинельском, Борском, Красноармейском, Хворостянском, Большечерниговском районах, гречихи - в Шенталинском, Кошкинском, Сызранском, Безенчукском, Кинельском, Борском, Похвистневском, Нефтегорском районах.

Аккумуляция кадмия превышает ПДК в фитомассе пшеницы - в Ставропольском и Волжском, ячменя в Ставропольском, Приволжском, гречихи - в Ставропольском и Красноармейском районах.

В исследованных районах в зерне пшеницы, ячменя и гречихи содержание кадмия превышает ПДК.

Никель накапливается в количествах, превышающих ПДК, в фитомассе пшеницы - в Ставропольском, Борском, Большеглушицком районах,ячменя - в Ставропольском, Борском, Большечерниговском районах, гречихи - в Ставропольском, Сызранском, Кинельском, Похвистневском, Борском райнах; в зерне пшеницы - в Кошкинском, Ставропольском, Волжском, Похвистневском, Борском .Красноармейском, Большеглушицком районах, в зерне ячменя - в Сызранском, Кинельском, Борском, Пестравском районах, в зерне гречихи - в Кошкинском, Ставропольском, Кинельском и Красноармейском районах.

Мышьяк содержится в количествах, превышающих ПДК, в зерне гречихи -в Кошкинском, Ставропольском, Кинельском, Красноармейском районах, ячменя - в Сызранском, Безенчукском, Кинельском районах, пшеницы - в Шента-линском, Исаклинском, Кошкинском, Безенчукском, Волжском, Кинельском, Похвистневском, Красноармеском, Большеглушицком районах.

ПДК свинца превышены в фитомассе на локальных участках у пшеницы - в Исаклинском, у ячменя - в Волжском и Кинельском, у гречихи в Кинельском районе. В зерне содержание свинца превышает ПДК у пшеницы - в Исаклинском, Кошкинском, Кинельском, Похвистневском, Красноармейском районах, у ячменя - в Безенчукском районе, у гречихи - в Кошкинском и Красноармейском районах.

В фитомассе пшеницы, ячменя и гречихи содержание ртути не превышает ПДК для растительных кормов. В зерне пшеницы, ячменя и гречихи ртуть в исследованных районах аккумулируется в количествах, превышающих ПДК.

В связи с тем, что аккумуляция тяжелых металлов в зерне пшеницы, ячменя и гречихи определена нами не во всех районах Самарской области, данный вопрос нуждается в дополнительной разработке.

7.ВЛИЯНИЕ УСЛОВИЙ МЕСТОПРОИЗРАСТАНИЯ НА АККУМУЛЯЦИЮ РАСТЕНИЯМИ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ.

7.1.Влияние различных экологических факторов на аккумуляцию тяжелых металлов сельскохозяйственными растениями в условиях Самарской области.

Усвоение корнями растений биогенных макро- и микроэлементов из почвы зависит от их состава, концентрации, от реакции почвенной среды. (Сабинин, 1995; Сатклиф, 1964; Саляев, 1969; Рубин, 1976; Лархер, 1978; Лютге, Хигиибо-там, 1984; Бигон и др., 1989).

Рис. 2. Зависимость между накоплением хрома в фитомассе пшеницы (1) и среднегодовым выносом калия из почвы с урожаем сельскохозяйственных культур (2) в различных районах Самарской области.

Влияние отдельных факторов экологической среды на аккумуляцию растениями тяжелых металлов исследовано недостаточно. В связи с этим, мы сделали попытку выяснить, каким образом на аккумуляцию тяжелых металлов влияют основные климатические и эдафические факторы, свойственные для различных местопроизрастаний (административных районов Самарской области).

С этой целью были рассчитаны достоверные коэффициенты парной корреляции (при уровне значимости 0,05) между накоплением отдельных «тяжелых» элементов в пшенице, ячмене, гречихе (использованы материалы главы 6), с одной стороны, и показателями экологической характеристики пашни в конкретных районах Самарской области (материалы главы 3), с другой стороны. В результате был получен большой фактический материал в виде множества графических рисунков, в качестве примера которых приводится рис. 2.

Учитывая то, что анализ столь большого числа иллюстраций сделал бы изложение материала крайне громоздким, мы были вынуждены в диссертации представить их в обобщенном виде (рис. 3).

Результаты наших исследований показали, что в условиях Самарской области накопление тяжелых металлов в сельскохозяйственных растениях возрастает с увеличением количества тепла, продолжительности периода суховеев в вегетационный период, выноса с урожаем из почвы азота, фосфора, калия, а уменьшается по мере усиления эродированности пашни.

7.2.3ависимость накопления тяжелых металлов растениями от содержания их почве.

Прямой корреляции между содержанием тяжелых металлов в растениях и валовой концентрацией их в почве обычно нет из-за способности растений к избирательному накоплению элементов (Ильин, 1991). Чаще выявляется зависимость накопления тяжелых металлов растениями от содержания их подвижных свободных форм в почвенном растворе (Цветкова, 1977). На основании полученных нами данных установлено, что между аккумуляцией Т1, V, Сг, Мп, Ре, Со, №, Си, Zn, РЬ, ЯЬ пшеницей, ячменем, гречихой и валовым содержанием их в почве не существует определенной математически обоснованной зависимости (по величине коэффициента парной корреляции). Только в отношении накопления Т|", Мп, Ре в гречихе и ЛЬ в ячмене отмечена положительная корреляционная связь с их валовым содержанием в почве.

В аккумуляции тяжелых металлов растениями прослеживается антагонизм, при котором поглощению одних элементов препятствуют другие, содержащиеся в почве элементы.

На основании анализа обобщенной выборки (пшеница мягкая, овес посевной, ячмень обыкновенный, рожь посевная) нами выявлено почти полное отсутствие достоверных связей между накоплением тяжелых металлов в фитомассе зерновых культур и содержанием их подвижных (кислоторастворимых, в 1 н НЫОз) форм в почвах соответствующих местообитаний. Исключение составля-

ют Т| и V, аккумуляция которых в фитомассе растений достоверно и отрицательно коррелируете содержанием кнслоторастворимого Сг в почве.

В связи с этим, видимо, справедливо утверждение многих ученых, что валовое содержание тяжелых металлов в почве не отражает реальной способности растений поглощать их. Считается, что корни растений усваивают лишь «свободные» тяжелые металлы, то есть не адсорбированные (не связанные) почвенно-поглощающим комплексом (Ильин, 1994, 1995; Касимов и др., 1996). В связи с этим почти всеобщим является требование почвоведов, агрохимиков, педохимиков изменить действующие в настоящее время в России ПДК тяжелых металлов в почве, увеличив их во много раз, то есть снизить требования к этим санитарно-гигиеническим и экологическим критериям.

+

: 1 3 1 1 ; \ 6

Рис. 3 Влияние различных экологических факторов на аккумуляцию тяжелых металлов сельскохозяйственными растениями в условиях Самарской области: 1 - степень эродированности почв; 2 - среднегодовой вынос азота из почвы; 3 - среднегодовой вынос фосфора из почвы; 4 - среднегодовой вынос калия из почвы; 5 - число дней с суховеями за вегетационный период; 6 - сумма активных температур за вегетационный период

Избирательность поглощения различных «тяжелых» элементов в зависимости от видовых особенностей растений, а также условий конкретного агроклиматического района проявляется четко и бесспорно, Причем, накопление тяжелых металлов исследованными растениями не зависит и от содержания их свободных форм в почве. В целом ряде случаев зарегистрировано накопление тяжелых металлов в растениях, значительно превосходящее их валовое содержание в почве, а в других - растения аккумулировали «тяжелые» элементы при высокой концентрации их «свободных» форм в почве в незначительных количествах.

Районы:

1 - Алексеевский

2 - Безенчукский

3 - Богатовский

4 - Большеглушицкий

5 - Большечерниговский

6 - Борский

7 - Волжский

8 - Исаклинский

9 - Кинельский

10 - Кинель-Черкасскин

11 - Клявлинский

12 - Кошкинский

13 - Красноармейский

14 - Красноярский

15 - Нефтегорский

16 - Пестравский

! 7 - Похвистневский

18 - Приволжский

19 - Сергиевский

20 - Ставропольский

21 - Сызранский

22 - Хворостянский

23 - Челно-Вершинский

24 - Шенталинский

25 - Шигонский

40.00

30.00

20.00

15.00

10.00

5.00

0.00

Таким образом, единственным объективным показателем наличия в почве соответствующего участка доступного для растений количества тяжелых металлов является только конкретный вид растения. По накоплению в его фитомассе того или иного элемента можно судить об экологически значимом его содержании в почве.

7.3.Картографнческнп анализ сопряженности между накоплением тяжелых металлов в почвенном покрове и в сельскохозяйственных растениях в условиях Самарской области.

На основе полученных нами данных было осуществлено изолинейное компьютерное картирование распределения в посевах пшеницы - важнейшей для Самарской области культуры - Сг, Мп, Ре, 5г, Со, Си, РЬ. В разделе представлено 10 карт, примером которых может служить рис. 4.

Для анализа полученных карт мы использовали также уже существующие карты распределения валовых форм этих же элементов в почвенном покрове Самарской области, разработанные Н.В. Прохоровой (1996). Они опубликованы (Прохорова, 1996; Прохорова, Матвеев, 1996). Мы их приводим в приложении к диссертации (10 карт).

На основании проведенного анализа нами установлено, что строгой, математически обоснованной зависимости между распределением тяжелых металлов в почвенном покрове и накоплением их в пшенице не существует.

Разработанные нами карты распределения Т), Мл, Ре, Бг, Сг, Со, Си, Zn, РЬ в посевах пшеницы мягкой озимой на территории Самарской области наиболее адекватно отражают экологически значимую аккумуляцию тяжелых металлов в агроэкосистемах. Аналоги подобного рода карт для других регионов России нам не известны.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. На незагрязненных участках с минимальным антропогенно-техногенным воздействием определено фоновое содержание Ре, Мп, ЛЬ, Бг, Л, Аб, Сс1, Си,Со, Сг, V, №, РЬ, Z¡r, Н§ в фитомассе пшеницы мягкой озимой, пшеницы мягкой яровой, ржи посевной озимой, ячменя обыкновенного ярового, овса посевного, кукурузы, проса обыкновенного, гречихи посевной, гороха посевного, подсолнечника, свеклы обыкновенной сахарной, суданской травы, картофеля.

2. С учетом широких пределов колебания фоновых концентраций тяжелых металлов в растениях в качестве наиболее оптимального критерия следует признать «максимальный региональный фоновый уровень (МРФУ1)». то есть наибольшую концентрацию того или иного элемента в фитомассе конкретного вида растения на незагрязненных участках. Всякое превышение МРФУ можно рассматривать как некоторое нарушение природного равновесия.

3. Культурные сельскохозяйственные растения в условиях современной системы земледелия Самарской области могут накапливать в фитомассе повышенное количество тяжелых металлов. Наибольшее превышение МРФУ в фитомассе пшеницы мягкой озимой, пшеницы мягкой яровой, ржи посевной озимой, ячменя обыкновенного ярового, овса посевного, кукурузы, проса обыкновенного, гречихи посевной, гороха посевного, подсолнечника, свеклы обыкновенной сахарной, суданской травы, картофеля достигает: Ре - в 1,8-40,8; Мп - в 1,1-9,2; ЯЬ-в 1,5-35,5; Бг - в 1,9-3,0; Т1 - в 2,0-9,9; Аз - в 17,5-351,3; Сд - в 1,24,5; Со-в 1,9-47,7; Сг - в 8,7-260,9; Си - в 1,5-15,9; N1 - в 1,4-15,2; РЬ - в 1,3-6,5; V - в 13,8-189,3; 2п - в 1,1-7,4 раза.

4. Ре, Мп, Ш>, Бг, "П, Аб, Сс1, Си, РЬ, 2п, ^ в условиях Самарской области могут накапливаться в растениях в количествах, превышающих ПДК для растительных кормов и продуктов питания человека, а также - в фитотоксичных концентрациях.

5. Виды сельскохозяйственных растений, характеризующиеся низкими температурами прорастания семян, высокой толерантностью к весенним заморозкам, но требовательные к теплу в период активного роста накапливают в своей фитомассе повышенное количество тяжелых металлов.

6. Чем длительнее период развития и созревания, чем значительнее образуемая основная продукция вида, тем больше его металлоаккумуляционная способность. Последняя также возрастает у тех видов, которые для своего развития требуют большего количества воды, калия и фосфора.

7. В различных административных и агроклиматических районах Самарской области один и тот же вид растения характеризуется неодинаковой метал-лоаккумуляционной способностью. Разные виды растений в одинаковых условиях накапливают в своей фитомассе и плодах тяжелые металлы в различных количествах.

8. Определены средние уровни накопления Ре, Мп, Шэ, Бг, Т1, Аб, Сс1, Си, №, РЬ, 2а, Н§ в фитомассе наиболее распространенных в Самарской области растений (пшеница мягкая озимая, ячмень обыкновенный яровой, гречиха посевная) для каждого конкретного административного района. Выявлены районы, в условиях которых накопление тяжелых металлов в фитомассе и зерне названных растений превышает максимальный региональный фоновый уровень, а также ПДК для растительных кормов и продуктов питания человека.

9. В условиях Самарской области накопление тяжелых металлов в сельскохозяйственных растениях возрастает с увеличением количества тепла, продолжительности периода суховеев в вегетационный период, выноса с урожаем из почвы азота, фосфора, калия, а уменьшается по мере усиления эродирован-ности пашни.

10. Между содержанием в почве конкретных местообитаний как валовых, так и свободных (кислоторастворимых) форм тяжелых металлов и накоплением их в растениях не существует определенной связи. Единственным объективным показателем наличия в почве доступного для растений количества тяжелых металлов является только конкретный вид растения. По накоплению в его фито-

массе того или иного элемента можно судить об экологически значимом его содержании в почве.

11. Строгой, математически обоснованной зависимости между рапреде-лением тяжелых металлов в почвенном покрове и накоплением их в посевах пшеницы - основной продовольственной культуры Самарской области не существует. Разработанные нами карты распределения "П, Мп, Ре, Бт, Сг, Со, №, Си, Zn, РЬ в посевах пшеницы по территории Самарской области наиболее адекватно отражают экологически значимую аккумуляцию тяжелых металлов в агро-экосистемах.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Прохорова Н.В., Матвеев Н.М., Павловский В.А. Накопление тяжелых металлов в некоторых сельскохозяйственных растениях //Интродукция, акклиматизация, охрана и использование растений в степной зоне: Тез. докл. научн. конф. Самара, 1992. С. 58-59

2. Матвеев Н.М., Прохорова Н.В., Павловский В.А., Никитин С.И. Тяжелые металлы в почвах и растениях Самарской области //Экология и здоровье человека: Тез. докл. Всерос. конф. Самара, 1994. С. 111-112.

3. Матвеев Н.М., Прохорова Н.В., Никитин С.И., Левенец В.В., Павловский В. А. Итоги изучения содержания тяжелых металлов в почвах Самарской области с использованием ядерно-физического метода многоэлементного анализа ХРИ// Экоаналитика-94: Тез. докл. Всерос. конф. Краснодар, 1994. С .7476.

4. .Краснощекое Г.П., Павловский В.А. Содержание пестицидов и нитратов в сельскохозяйственной продукции //Экологическая ситуация в Самарской области: Состояние и прогноз /Ин-т экологии Волжск, басс. РАН. Тольятти, 1994. С. 231-236.

5. .Матвеев Н.М., Прохорова Н.В., Павловский В.А., Никитин С.И., Левенец В.В. О содержании тяжелых металлов в почвах Самарской области // Вопросы экологии и охраны природы в лесостепной и степной зонах: Межвед. сб. науч. тр. Самара: Самарский университет, 1995.С. 109-112.

6. .Прохорова Н.В., Матвеев Н.М., Павловский В.А., Левенец В.В. Экологическое воздействие тяжелых металлов на почвенную среду в естественных и искусственных экосистемах на примере лесостепного правобережья Волги //Фундаментальные и прикладные проблемы охраны окружающей среды: Тез. докл. Между нар. конф. Томск, 1995. С. 284

7. .Матвеев Н.М., Прохорова Н.В., Павловский В.А., Никитин С.И. Тяжелые металлы в некоторых сельскохозяйственных растениях Самарской области //Вопросы экологии и охраны природы в лесостепной и степной зонах: Межвед. сб. науч. тр. Самара: Самарский университет, 1995. С. 122-127.

8. Павловский В.А., Матвеев Н.М. Современное состояние растениевод-

ства в сельском хозяйстве Самарской области и основные направления в изуче нии аккумуляции тяжелых металлов культурными растениями в экологическо\ аспекте //Вопросы экологии и охраны природы в лесостепной и степной зернах Междунар. межвед. сб. науч. тр. Самара: Самарский университет, 1996. С. 7-38.

9. .Павловский В.А., Матвеев Н.М., Прохорова Н.В. Особенности накоп ления тяжелых: металлов в сельскохозяйственных растениях Самарской облас ти//Там же С 210-217.