Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

ТЯЖЕЛЫЕ МЕТАЛЛЫ И МИНЕРАЛЬНЫЕ ФОРМЫ АЗОТА В СИСТЕМЕ ПОЧВА-РАСТЕНИЕ

ВАК РФ 03.00.16, Экология

Автореферат диссертации по теме "ТЯЖЕЛЫЕ МЕТАЛЛЫ И МИНЕРАЛЬНЫЕ ФОРМЫ АЗОТА В СИСТЕМЕ ПОЧВА-РАСТЕНИЕ"

- м ^

На правазцгдоописи

Дьяконова Ольга Владимировна

ТЯЖЕЛЫЕ МЕТАЛЛЫ И МИНЕРАЛЬНЫЕ ФОРМЫ АЗОТА В СИСТЕМЕ ПОЧВА-РАСТЕНИЕ

06. 01. 04 - Агрохимия и 03. 00. 16 - Экология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук

Барнаул 2005

Работа выполнена на кафедре почвоведения и агрохимии Алтайского государственного аграрного университета

Научные руководители: доктор с.->с наук, профессор Бурлакова ЛидияМакаровпа кандидат с.-х. наук, доцент Завалишнн Сергей Иванович

Официальные оппоненты: доктор с.-х. наук, профессор Спшшна Светлана Федоровна кандидат с.-х. наук, Пузанов Александр Васильевич

Ведущая организация: Алтайский филиал ФГУП НИИ ССВ «Прогресс»

Защита состоится 22 июня 2005 г. в_часов на заседании

диссертационного совета Д. 220, 002.01 в Алтайском государственном аграрном университете по адресу: 656049, г, Барнаул, пр-т Красноармейский, 98

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Алтайского государственного аграрного университета

Автореферат разослан «_» мая 2005 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета, с/®. В .А. Рассыпное

Доктор биологических наук, профессор (¿/"^

Общая характеристика работы

Актуальность темы

Техногенное воздействие ведет к перераспределению химических элементов в масштабе всей планеты. Как следствие, в крупных промышленных центрах происходит локализация многих тяжелых металлов. По прогнозу А.И. Обухова и A.A. Поповой (1992), в нашей стране через 20 лет произойдет значимое увеличение содержания кадмия в почве. В 2005 году мы стоим «на пороге» этого увеличения.

В Алтайском крае особенно неблагоприятная обстановка по кадмию складывается в Рубцовском районе, где по данным Г, Г. Морковки на (2002) содержание кадмия в 2,45 раза больше медианного фонового значения.

Находясь в биологическом круговороте, попадая в системы почва-растение, почва-растение-человек, почва-растение-животное-чело век, тяжелые металлы влияют на качество сельскохозяйственных растений, что отражается напрямую или опосредованно на здоровье людей.

Также потенциально опасными для здоровья человека являются высокие содержания нитратного азота в растениях. Поступление нитратов вызывает у человека (особенно у детей) метгемоглобинемию. Под влиянием микрофлоры и тканевых ферментов ннтраты могут восстанавливаться до нитритов, облагающих высокой канцерогенностыо (Кучина и Др.. 1985).

С другой стороны, многие тяжелые металлы являются микроэлементами, жизненно важными для нормального развития растений и почвенных микроорганизмов. Л нитратный азот преобладает в азотном питании растений в условиях Западной Сибири (Кочергин,1965; Кондратьева, 1978: Гамзиков, 1984; Бурлакойа. 1984) и без него невозможно получение высокого урожая.

Для предотвращения негативного воздействия токсикантов, необходимо изучение особенностей биологического накопления тяжелых металлов и нитратного азота различными сельскохозяйственными культурами, выяснения характера их накопления в растениях. Представ ля er интерес изучение нитрификаиионной способности почв в присутствии тяжелых металлов — как неизбежных «спутников» техногенеза.

Цель исследований: Установить влияние различных уровней загрязнения почв тяжелыми металлами и минеральных форм азога на накопление их в клубнях карто(|>еля и овощах.

Задачи исследований:

1. Изучить степень загрязнения тяжелыми метатлами почв исследованного района.

2. Определить степень загрязнения изучаемых сельскохозяйственных культур тяжелыми метатлами.

3. Определить обеспеченность почв подворий Рубцовского района подвижными формами азота.

4 Изучить влияние тяжелых металлов на процессы аммонификации и нитрификации в различных почвах.

5. Выявить особенности аккумуляции тяжелых металлов и накопления минеральною ajora изучаемыми сельскохозяйственными культурами.

f>. Установи г ь характер проявления связи чежд\ содержанием тяжелых мет;и:ч>н к иочаах и азота нитрилов в почве, и их накоплением в растениях.

7. Выянпть характер нрояплений связи меж.ту токсичными гижелычн mci;u.ujih и микроэлементами.

[им -¡пшенными росчси'гнмп

ЦН£ МОХА фонд научном лит натуры

Научная новизна:

Изучены особенности аккумуляции тяжелых металлов в клубнях картофеля, в корнеплодах моркови, а также в кожуре изученных сельскохозяйственных культур.

Выявлены стимулирующее влияние содержания в почве хрома на накопление аммонийного азота и его ингибирукицее действие на образование нитратов.

Установлено различное накопление тяжелых металлов и минеральных форм азота в клубнях картофеля и корнеплодах моркови.

Показаны возможные синергические и антагонистические связи в зависимости от содержания в растениях тяжелых металлов и нетоксичных микроэлементов. Так, с увеличением в клубнях картофеля содержания цинка, уменьшается содержание кадмия.

Защищаемые положения. 1. Загрязнение почв тяжелыми металлами ведет к накоплению их в сельскохозяйственных культурах, снижая качество клубней картофеля и корнеплодов моркови. 2. Загрязнение черноземных почв кадмием, свинцом . цинком и смесью этих металлов стимулирует нитрификационный процесс, что может привести к накоплению нитратов в сельскохозяйственных культурах.

.Практическая значимость работы. I, На основе особенностей поглощения тяжелых металлов разными культурами, возможен дифференцированный подход к выращиванию на почвах, зафязненнымн определенным тяжелым металлом культуры, поглощающей этот металл в меньшей мере. 2. На основе антагонистического взаимодействия цинка и кадмия предложен новый подход к проблеме возможного улучшения качества сельскохозяйственных культур. При выращивании картофеля на почвах, загрязненных кадмием, возможно снижение его поступления в клубни за счет внесения цинковых удобрений; возможное применение Сг (VI) как ингибитора нитрификации в почве, но пто требует дальнейшей проверки в полевых опытах.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были доложены на на конференциях сотрудников агрономического факультета АГАУ {Барнаул. 1994. 1995). на международной научно-практической конференции «Вузовская наука — сельскому хозяйству» (Барнаул J005).

Публикации. Г1о теме диссертации опубликовано 4 работы, общий объем публикаций 0.9 печатного листа, доля автора 0,7 печатного листа.

Стрмплра и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из 6 глав, выводов, списка литерату ры. Содержание изложено на '-¿^страницах машинописного текста, включая ЗО таблиц. -5*1 рисунков. Список литературы состоит изЛР^ наименований, из них^на иностранных языках.

Глава 1. Тяжелые металлы в системе почва - растение

В этой главе дается анализ отечественных и зарубежных источников, посвященных изучению тяжелых металлов, их физиологической роли, содержанию в почвах и растениях. Рассматривается влияние техтн-енного загрязнения на содержание тяжелых металлов (ТМ) и растениях; а также зависимость микробиологи чес ки\ процессов и мобилизации минеральных форм азота от количества тяжелых металлов.

Глаиа 2. Факторы лочвообраювання, объекты к методы исследований.

Itcc jo ломики нроно лились в jone черноземов \ мерспио-засч шли ной и jucviii.niiH.iM степей, в подзоне южных черноземов.

Материнскими породами служат лессовидные суглинки мощностью около 20 м, а также древнеаллювиальные отложения (Почвы Алтайского края, (959).

Подзона южных черноземов в пределах изучаемой территории представляет собой волнистую равнину с террасированными склонами. Она расчленена ложбинами древнего стока, с ленточными еосноьыми борами (Почвы Алтайского края, 1959).

Климат подзоны теплый засушливый. Продолжительность периода с устойчивым снежным покровом 155-160 дней, абсолютный минимум температуры воздуха достигает -500 С. Безморозный период длится 115-120 дней. Сумма активных температур равна 2000-22000 С, сумма осадков за период активной вегетации составляет 140-175 мм, гидротерм ическнй коэффициент ГТК - 0,6-0.8 (Агроклиматические ресурсы,,., 1971), что определяет непромывной тип водного режима сдефицитом влаги в вегетационный период.

Естественная растительность подзоны представлена разнотравно-типчаково-ковыльными ассоциациями с преобладанием в травостое зерновидных злаков.

Современное состояние по загрязненности тяжелыми металлами почв обследуемой зоны для большинства элементов не превышает предельно допустимую концентрацию (табл,1),

Та&тща I

СОВРЕМЕННЫЙ ТЕРРИТОРИАЛЬНЫЙ МЕДИАННЫЙ ФОН СОДЕРЖАНИЯ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В ПОЧВЕ ГОРИЗОНТА А (0-20). М17КГ

Элемент Содержание элемента, мг/кг (Бурлакова,Антонова и др ,2001) ПДК по ЦИНАО, мг/кг Кларк" по I Виноградову А,П.,(1957)

Свинец 30,0 38.0 16,0

Медь 24,9 53.0 47,0

Никель 37,3 50.0 58.0 ;

ХрПМ 70.0 50,0 83,0

Кобальт 15.0 50,0 18,0

Ртуть 0,021 0,06

Молибден 0.50 1,1

Марганец 750,0 1000

Калмий 0.375 0.6 0,13

Цинк 74.3 К 7.0 83,0

* Кларк - среднее салержниие элемента для 1смкдм коры ь иедон ( Краткая чимччесъп* энциклопедия. 1963)

С целью изучения накопления тяжелых металлов «1 минеральных форм азота в почвах и сельскохозяйственных культурах проводились исследования в Рубцовском районе (с. Половин кино и с.Зеленая Дубрава), Почвы с.Зеленая Дубрава по сравнению с с. Половиикиио характеризуются более высокими показателями количества гумуса (2.86-5.03 % и 2.05%соответстеенно). с\\шы поглощенных оснований (44.50-62.50 и 25.0-28.75% соответственно) и процентного содержания части менее 0,01 мм (37.3-43.5 и 20.0 сответствсннок В районе с.Половннкино рН

водной вытяжки имеет более щелочную реакцию (7,62-10,13), Водная вытяжка почв с. Зеленая Дубрава нейтральная (7,08) или щелочная (8.30).

Объектами исследований являлись следующие сельскохозяйственные культуры, выращенные tía личных подворьях: картофель^olanum tuberosum L.) морковь o6biKH0BeHHafl(Daucus carota L.) свекла Красноярска vulgaris var, crassa Alef.) редька посевная(Raphanus salivus L,).

Изучение влияния содержания тяжелых металле в иа мобилизацию минеральных форм азота проведено & лабораторных условиях. Белли заложены по методу С.П, Кравкова (1978) следующие опыты:

1) по компостированию чернозема обыкновенного;

2) по компостированию различных типов поча (дерново-подзолистой, дерново-карбонатной, серой лесной, темно-серой лесной окультуренной, чернозема обыкновенного);

В почвы вносили тяжелые металлы с одинаковой концентрацией - 45,4 мг/кг. Изучалось влияние свинца, никеля, кадмия, хрома, цинка, молибдена, смеси (Pb+N i+Cd+Cr+ZrO и смеси (РЬ+Ni+Cd+Zn). Металлы вносили в виде воднорастворимых солейт Pb(CHjCOO): v 3H¡0.

Ni(CH}COO)¡ x 4H,0,3CdSOj x 8 H,0, K.2Cr205,2nS0j x 7ИгО н NaAloO.,. Модельные образцы почв ежедневно увлажнялись до достижения 60 % от полной влагоем кости и находились в аэрируемом термостате при температуре 27°С в течении 43 дней. Все модельные опыты проводили в трехкратной повторностн.

Схема опыта I на черноземе обыкновенном по влиянию тяжелых металлов на мобилизацию аммонийного и нитратного азота (декабрь 1994):

Контроль - без внесения металлов

С внесением: РЬ. Ni. Cd. Cr, Zn. Mo, CMecH(Pb+Ni+Cd+Cr+Zn.) и смеси <Pb+Ni+Cd+Zn).

Схема опыта 2 на разных почвах по влиянию тяжелых металлов на мобилизацию нитратного люта (июнь 1995);

1 ■ Дерново-подзол истая почва контроль - без внесения металлов

С внесением: РЬ, Ni. Cd. Сг, Zn. смеси (Pb+Ni+Cd+Cr+Zn)

2, Дер ново- карбонатная почва контроль — без внесения металлов

С внесением: Pb. Ni. Cd Cr, Zn, смеси (Pb+Nt+Cd+Cr+Zn)

3. Серая лесная почва

контроль - без внесения металлов С внесением: Pb. Ni. Cd. Сг. Zn. смеси (Pb+Ni+Cd+Cr+Zn) -I, Темно-серая лесная почва

контроль - без внесения металлов С внесением: Pb. Ni. Cd. Cr. Zn. смеси (Ph+NH-Cd+Cr+Zn) 5. Чернозем обыкновенный

контроль - без внесения металлов С внесением: Ph. Ni. Cd. Сг. /о. смеси IГЬ+NÍ ■ ( \I-Cr

f¡

Для изучения особенностей биологического поглощения тяжелых металлов проводили отбор почвенных образцов (0-20 см>- Сопряженно отбирались образцы сельскохозяйственных культур. Почвенные и растительные образцы подвергались лабораторному анализу. Свойства почв определяли общепринятыми методами (Лринушкина, 1970; Александрова, Найденова, 1986).

Содержание тяжелых металлов в почвенных и растительных образцах определяли на атом но-абсорбцион ном епектрофото метре ААБ-З. Определение валового количества ТМ в почве проводили после разложения пробы разбавленной азотной кислотой (1:1) в присутствии концентрированной перекиси водорода (Методические указания,.., 1989), Извлечение подвижных форм ТМ из почв -ацетатно-аммоннйным буферным растьором с рН - 4Г8 по методу Н.К. Крулского н А.М. Александровой.

Минерализация растительных проб (для последующего определения содержания ТМ на ЛЛ5-3) осуществлялась методом сухого озоления (ГОСТ - 26657-85) с последующей кислотной экстракцией ТМ из золы (Методические указания...,1989).

Результаты исследований были обработаны статистически с использованием дисперсионного метода (Доспехов, 1979), а также информационно-логическим методой анализа (Пузаченко, Мошкнн, 1969; Пузаченко. Карпачевский, Взнузааев. 1970; Бурлакова. 1975) с помощью специализированных пакетов прикладных программ на персональном компьютере кафедры почвоведения и агрохимии.

Глава 3. Цлияннс содержании тяжелых металлов в почве на м\ концентрацию в сельскохозяйственных кулыурах

Главный путь поступления тяжелых металлов в растение — поглощение корнями, которое может быть пассивным (неметаболическим) и активным (метаболическим). Пассивное поглощение происходит путем диффузии ионов из внешнего раствора в эндодерму корней. При активом поглощении необходимы затраты энергии метаболических процессов, и оно направлено против химических градиентов (Кабата-Иендиас. Пендиас, 1989).

Выли изучены особенности биологического поглощения свинца, цинка, меди, кобальта. Проча, железа и кадмия клубнями картофеля и корнеплодами моркови. Установлена прямолинейная зависимость между содержанием в почве свинца и его содержанием в клубнях картофеля (К=0.3887), Для корнеплодов моркови характерна обратная зависимость до концентрации свинца в почне от 13.0 до 17.0 мг/кг, после чего прослеживается небольшое увеличение содержания свинца в корнеплодах (КХХ2896). Прямолинейная зависимость поглощения цинка для корнеплодов моркови наблюдалась от содержания иинка в ггочве (К=0.5317). Для клубней картофеля зависимость имеет обратный характер (К=0.2379).

Высокая степень связи установлена между содержанием меди в почве н корнеплодам» моркови <К=0,4322). Характер зависимости практически прямолинейный. Для клубней картофеля характер связи обратно пропорциональный до концентрации мели в почве от 15 до 20 мг/кг. после чего наблюдается увеличение концентрации металла в клубнях (К=*0.3182).

Коэффициенты эффективности канатов связи (К—0.31- для картофеля и К-0.2189 - л.1Я моркови! > к;иы паю г на наличие зависимое™ между содержанием кобальт;» в почне и исследован иыч культурах. .Характеры свя!и концентрации

кобальта в почве и в изучаемых сельскохозяйственных культурах (картофель и морковь) подобны, зависимости почти прямо пропорциональные.

Установлена высокая степень связи (К=0,3453) и прямая зависимость между концентрацией хрома в почве и его содержанием в клубнях картофеля. При высокой степени связи (КК>,3431) для корнеплодов моркови прямая зависимость концентрации хрома от его количества в почве наблюдается до определенного уровня (около 6 мг/кг), затем происходит снижение накопления металла, что, возможно, связано с защитным« функциями растения.

Характер зависимости содержания железа в корнеплодах моркови от его концентрации в почве почти прямо пропорциональный. Для клубней картофеля пропорциональное увеличение наблюдается до содержания железа в почве от (8000 до 24000 мг/кг. после чего идет обратно пропорциональное уменьшение количества железа в клу бнях.

По степени канала связи между содержанием тяжелых металлов в почве и растениях, изученные элементы располагаются по уменьшению в следующие ряды:

для клубней картофеля — Pb>Cr=Co>Cu>Zn>Fe;

для корнеплодов моркови — Zn>Cu>Cr>Pb>Co>Fe.

Для разных культур выявлены разные тяжелые металлы, содержание которых в почве в большей степени влияет на поступление их в растения. Для клубней картофеля это свинец, для корнеплодов моркови — иинк. В этом отношении железо занимает последнее место как для моркови, так и для клубней картофеля.

Глава Влнинне уровни загрязнения почв тяжелыми металлами на мобилизацию в них минеральных форм азота

Естественная сопротивляемость почв, их буферность по отношению к тяжелым металлам не беспредельны. Под влиянием техногенного загрязнения уменьшается биологическая активность почв, снижается их нитрификаиионная способность (Бурлакова, Антонова и др., 2001).

Плодородие почвы напрямую связано с содержанием в ней азота, находящегося в органических соединениях, либо уже минерализованного до ионов аммония и нитратов. Работами многих исследователей (Кочерги нч 1965:Бурлакова. Анненко. 1966.1967: Кочсгарова, 1976: Кондратьева. 1978: Гамзиков, 1981; Бурлакова. 1984) установлено, что в условиях Западной Сибири, в азотном питании растений преобладающее значение играет нитратный азот.

В связи с этим, представляет интерес изучение мобилизации подвижного азота почв методом компостирования в лаборатории в присутствии тяжелых металлов.

При изучении накопления аммонийного, нитритного и нитратного азота под влиянием тяжелых металлов установлено положительное влияние хрома на накопление ионов аммония (112.5 % - в первый срок отбора; 4 J6.7 % - во второй срок: 240,6 % - » срок) по сравнению с контролем.

Кроме то!чх в образцах с громом наблюла!жь взаимообусловленность содержания иоцов аммония и нитратов. Так. в первый срок отбора аммонийный азот вырос с 0.919 до 1.847 мг/100 г. при >точ нитратный ajor снизился с 8,96 до 5.221 иг/100 г почвы.

Концен грация ¡ипритного азота лля всех образцов была незначительна и составляла от 0.139 до 0.368 мг/100 г почвы.

Уетшюнлсио различное возле йепше тяжелых металлов на накопление нитратного ii»vr;i на разныч почках. Так. xih дер и от ню, и о, и ктой почвы выявлено положительное влияние никеля, оконца, кадмия и ццнки пи шнрификацнонпмН

S

процесс. Для серой лесной почвы - свинца, цинка и в меньшей мере никеля и кадмия. Для дерново-карбонатной - цинка и кадмия на разных сроках отбора. Неодинаковый характер воздействия тяжелых металлов можно объяснить, прежде всего, различным содержанием в почвах органического вещества, различиями почвенных микроорганизмов, населяющих разные типы почв, а также различными реакциями почвенного раствора, концентрацией вод нерастворимых органических соединений. Динамика содержания нитратного азота при компостировании чернозема обыкновенного приведена на рис. 1.

Ингибирующее влияние хрома на накопление нитратов установлено для всех типов почв.

Проведенные лабораторные исследования дают возможность говорить о стимулирующем действии цинка на накопление нитратного азота, что согласуется с выводами Э.Рассел&(1955) о необходимости цинка в процессе окисления аммиака в нитратный азот.

Выявлено стимулирующее воздействие свинца, кадмия и смеси (Pb+Ni+Cd+Zn) на накопление нитратного азота в черноземе обыкновенном.

Установлено, что никель и молибден в меньшей мере способствуют накоплению нитратного азота, чем выше перечисленные элементы. Лишь к третьему сроку отбора было зафиксировано увеличение концентрации нитратов по сравнению с контролем на 16.6 % и 212 % соответственно.

В результате наших исследований, по величине обшей информативности и коэффициенту канала связи установлено, что наибольшая степень зависимости азотминерализуюшей способности чернозема обыкновенного проявилась для кадмия, цинка и хрома (Т=1,2794 бит; К =03569). Для цинка и кадмия - стимулирующее воздействие на накопление нитратов,а для хрома — ингибирующее. Для других вариантов теснота связи была несколько меньшей (К от 0.2394 до 0,3171).

ÎS

S S

а -,-,-,

о I* ^

КОНТРОЛЬ — N1 — РЬ Ср«,, »пр^хи.- ,ни

—с* —о—7л

РЬ, N1, СА Сг. гп

Рис. 1. Динамика содержания нитратного азота при компостировании чернозема

Г,1Ява 5. 11.1 и ян не содержании тяжелы* металлов и тмвнжнмк форм минерального ямпа в почве на содержание М|Д,\01" и N0)" в картофеле II овошах

Минеральный азот в почве представлен солями аммония, азотной и э.¡отпетой кислот, миорые об\ слов.Iейы проявлением био.'ни ичесьих процессов, Распад азотных ор| эпических соединений иочны да аммиака ое\ ществляется аэробными и

Ч

анаэробными микроорганизмами. В аэробных условиях аммиак подвергается нитрификации, переходя в нитриты, а затем окисляется до нитратов.

Хотя для почв, в отношении подвижных форм азота предельно допустимые концентрации (ПДК) не установлены, существуют классификации обеспеченности нитратным азотом (Антонова, Бурлакова. Нестеров и др., 1986). Например, для почв под овощными культурами содержание нитратного азота менее 8 мг/кг является очень низким; от 8 до 15 мг/кг - низким: от15 до 30 мг/кг -средним, более 30 мг/кг — высоким.

Для овошей и картофеля приняты ПДК, величины которых сильно изменяются в зависимости от биологических особенностей культур и выращивания, а также сроков уборки урожая (Нормативные документы..,,1988). Для картофеля ПДК нитратного азота составляет 250 мг/кг сырой массы, для моркови ранней - 400 мг/кг, моркови поздней — 250 мг/кг; для свеклы - 1400 мг/кг сырой массы.

Анализ почв подворий, проведенный в июне на содержание подвижных форм азота, позволяет сделать иывод о высоком содержании общего нитратно«» аюта — до 71.21 мг/кг в слое 0-20 см.

Анализ клубней картофеля на содержание в них подвижных форм азота дал высокие концентрации нитратов - от 530 (I ранг) до 1810 мг/кг (5 ранг), что составляет от 2,1 до 7,2 ПДК (рис.2).

Накопление нитратного азота в клубнях картофеля идет пропорционально их концентрации в почве. Но при высоком содержании N/NO3" в почве (более 62 мг/кг) -4 ранг, происходит некоторое снижение накопления нитратов в клубнях (рис.2).

Содержание нитратного азота в корнеплодах моркови составляло от 670 до 1930 мг/кг, что значительно превышает ПДК,

Pint N-\0, •

t. 6м«ч

t-53

K.-tl JOSJ

z

Обозначения к рис.2

Содержание N/NO/ в картофеле, мг/кг по рангам; I-<500;2-500-1500; 3- 1500-2500;

4- 2500-3500-, 5- >3500 Содержание N/NOj в почве, мг/кг по рангам, !- <2; 2- 2-22; 3- 22-42; 4- 42-62;

5- >62

M-NQh i phytic

Рис. 2. Содержание N-N0? в клубнях картофеля в зависимости от его концентрации в почве

Свекла содержала от 1570 до 6030 мг/кг (1.1 - 4,3 ПДК). редька - 990 - 2540 мг/кг, лук репчатый - 900-3100 мг/кг.

Накопление минеральных форм азота в растениях является биохимической необходимостью для нормальной фотосинтетичсской деятельности (Андреева. 1982. 1988). Но нельзя допускать высоких концентраций нитритов и нитратов. Причины повышенного содержания N0;" в картофеле, моркови, свекле надо искать, по-видимому, в технологии их возделывания в подворьях.

Характер влияния тяжелых металлов на накопление нитратного азота в клубнях картофеля и корнеплодах моркови претегар.ле« на рис.З, Сходство (анисихюсли содержания N0/ в клубнях картофеля н корнеплодов моркови проявилась от концентрации в рлстенинч кобальта и свинца (рис.З.Д.Е.И.К). Влияние остальных гяжелых металлов имело разный характер 1 (еобходимо отметить, что вообще корнеплоды моркови о г. ¡мчались большей степенью накопления нитратом, но сравнению с картофелем, *>та осооеииое1ь объясняется, по-видимому, тем, что клубни картофеля -■ т> орган запаса ими чилягой.

К>

Ра-НГ

М0( чгфксвн

Z

0

0

t 2 J F

K-OJ'M-I

PjMf COLTtpUHHA

! 1 3 J I fUBpnK«

j ^ V i ^"

FgHTcejaepivacT i

fe ültptQ^ttlIÍ

Ршгсошрмюиг » картофеле

3 í

Р«*г«ч1гр:*ыост * дарини*

"i" i Г

\L к ж \_ T-0.35N50

\ K-IU1S2 Ршгссфржаяк*

\

3 4 ZaMtapro^ej»

Ранг cc№p»aiout MOj" » яхртофыж

.á

и

T-0J017 K-0.1143

Ршгсофр«un MOj- e мор mi 4

3

2

1

Ранг соперяапнх КОу б «prora

/ / Z

а—

/

/

/

2

4 > КрЮВ!

з •

¡ОЭ,«23

ZLZ

. Рамг сократи

I 2 > шфзхдо

. FftJjf СККР*йЗОС5

с

п

к

Т-1,0233 K-CU29P

. Раит сса^ивим

1 í 3 4 РЪ > трТОфош i J 3 4 л J торягая

Pite, 3. Зависимость содержания нитратного азота в клубня* картофеля и корнеплодах моркови от концентрации хал мня (А. Б), железа (В. Г), кобальта (Д. tí)- «инка (Ж, 3) и свинца (И, К) в растении

Обозначения к рис. 3 Содержание N/NOj в картофеле, мг/кг по рангам; !- <700,2- 700-900. 3- 900-1100. 4->1100

Содержание N/NO/в моркови. мг/кг по рангам:!- <1000:2- 1000-12(10.3-¡200-1400, -I- >1400 Содержание ТМ <мг/xi) в картофеле по рангам C:d !- <0 012; 2- 0,012-0 0(6; 3- 0.0)6-0.02: 40.02-0.024; Fe: 1-<6; 2-6-10; 3- 10-14; 4->14; Со: I- <0,07; 2- 0.07-0-011; 3- 0,011-0.01 ?; 4->0,015; Zn 1- <2.7. 2- 2,7-3.3; 3- 3.3-3.9: 4- >3.9' Pb; t- <0.02. 2- 0 02-0,01; 3- 0 04-0.0<>: 4->0.06

Содержание ТМ (vr/кт) п MOpKORd.nO рангам: ("ti: I- <0006. 2- 0 000-0012: 3- 0,012-0.018: 4->0.018. Fr 1- <4 2- 4-7: j. 7-10: 4- >IO;Co 1- <0.006:2- 0 006-0,01: 3- >0.01: ¿.а I- <1.7, 2- 1.7-2,0; 3- '2-, Pb: 1- <0,05: 2- 0,0?-0,0о: 3- 0.06-0.07. 4- >0 07

Ранг

содержанц» Cd * «лртн^с.*

T-W462 K-Ol УЖ

Putr «эдержани» Сг

3

ш

I 2 Î рмгсвлсржши!

2д в мрпэфсд?

I j 3 Рш* содержания 2п Ш fcopHMWnjax МйрмМк

f акт <пдф>,аьаи Сг в «^рттзфс,*

2 ■

Paw

0]lK{IU)h>A Cd

T-U3I9I К =0.2182

Рытеежрэдоа 4 вадмнл ь вартофив 2

2

I

R

THI.JIH | К=Оъ27Ш

Pft 9 Kapn>f>cx

| ] ^ Ранг оиеранн Ре ошфновн

д

T-Û.21N

кчизте

Ранг оагердюса

PcKrco.'ip* алия одни » игоришьи

1 2 3 Со $

- / / Е Т-0ДО1 К-0.33М

/

/ Рл.чг еще р * акю*.

1 2 3 Со в *}(чфэн

Рйкгсафр*иаи Pb a гартофапс 3

2

1

Ж T-0.333S K-0.23Û6

\

Pw »докипи

Рвнгсашркшш! Cd t. иэркоок

2

1

1 2 3 Ci > картофеле

- У л 3 1 T-0.379? K-0.Î467

1 Рютссшараедш

2 3 Coi«орюБ»

Ри{ГС03р»410(Я 3 3

1

¿L

z

T-EU035 K-0,2231

2 3 Со » картофеле

Рйнгсаэсргают Cd » юттофык 4

3

2

. Ранг flOSSpti дли

и

T=0,1TÏÏ КНШ1Я

t Раит содржцдм

; j з FtsnpTMtuv

Рис. 4, Зависимости содержания токсичных тяжелы* металлов в картофеле к корнеплодах моркови нт концентрации T M - м 11 к розлем енто и в растениях

Обозначения к рис 4. Содержание ТМ в картофеле, мг/кг но рангам: Cd: I- <0.012: 2-«.012-0.0)8:3- 0.018 0.024,4- >0.024: Сг; 1- <0.01:2- 0.0 [-(1.115: .V >0.1 [5; An 1-<3:2-3-4; 3- >4: Fe: 1- <7. 2- 7-13. 3->13- Со: I-<0.004: 2- 0Ж«-0.013: 3- >0.013: Pb !- <1).04: 20 0 1-0.06: 3->0.06: Си: I- -:|.25: 2- î.2i-t.4: 3- >1.4

Содержание ТМ в моркови, мг/кгпо рангам: С<1: 1- <0,012; 2-0,012-0,018; 3->0,018: 7ж, I-<1,5; 2- 1,5-2,0:3- >2; для Сг, Ре, Сои Си содержание по рангам такое же, как для картофеля

Глава 6. Сннергнческос и антагонистическое взаимодействие тяжелых металлов в растениях

Взаимодействие между химическими элементами может быть сннергическим или антагонистическим, их можно связать со способностью одного элемента стимулировать или ингибировать поглощение других элементов растением (Кабата Пендиас, Ленд нас, 1989). Все эти реакции весьма переменчивы. Они могут происходить внутри клеток^ на поверхности мембран, а также в среде, окружающей корни растений.

Представляет интерес для снижения содержания высокотоксичных тяжелых металлов в сельскохозяйственных культурах изучение влияния на их концентрацию содержания в растении менее токсичных элементов (микроэлементов).

Характер влияния содержания цинка железа, кобальта и меди в клубнях картофеля и корнеплодах моркови на содержание в них хрома, кадмия и свинца представлен на рис. 4.

Для клубней карто([>еля синергизм проявляется в зависимости содержания кобальта и железа на концентрации хрома и кадмия соответственно, рис.4 (И, К). В отношении влияния железа на содержание кадмия необходимо отмстить менее выраженный синергизм.

Для корнеплодов моркови синергизм отмечен в зависимости между содержанием кобальта — кадмия и меди — кадмия в растении, рис 4 (Б, 3).

Антагонистическое взаимодействие, представляющее больший интерес для возможного практического применения, для клубней картофеля проявилось между содержанием в растении цинка, железа, кобальта н меди и накоплением в них соответственно, кадмня, хрома и свинца, рис.4 (А, В. Д, Ж).

Для корнеплодов моркови проявилось антагонистическое влияние содержания цинка и железа на концентрацию соответственно хрома и кадмия, рис.4 (Б, П.

По нашим данным, наибольшая степень влияния содержания нитратного азога а клубнях картофеля была отмечена для поступления в картофель кадмия (рис.5).

Ранг

3 -1 -

I -

I'« 7174

ЗКлЧ

«ьэртофец

3

К-и [«и

Я

^УО , а ьарто|с. кг

й-

У «иср*ы)н*м

¿п е щ>ч«с р!К I) МИКИ^ (Шрмнш к п^чре г« к (4 • ц-.^ яч к ^ ц

Обозначения к рнс 5

Содержание N/N0-/ к клчСшяч клртофс™. мг/кгяо рангам: I- <700; 2- 701МНМ); 900-П(Ю. 4- >МОО

П

Содержание Cd в картофеле, мг/кг по рангам; 1- <0,012:2- 0.012-0,016:3- 0.016-0,020; 4- 0,020-0,024; 5- >0,024

Обозначения к рвсЛ

Содержание Za в почве, мг/кг по рангам: 1- <60;2- 60-87; 3- >87

Содержанке Cd в картофеле, мг/кг по рангам: 1- <0,012;2- 0,012-0,023:3- >0,023

Характер связи обратно пропорцион&тьный, т.е. чем больше накапливается нитратного азота в клубнях, тем меньше содержится в них кадмия. Между содержанием N/NO/ в клубнях и концентрацией кадмия наблюдается антагонизм.

В 5 главе была отпечена почти прямо пропорциональная зависимость между содержанием нитратов в почве и картофеле (рис.2). В 4 главе был сделай вывод о стимулирующем влиянии цинка на нитрификационный процесс в почве. Следовательно, если иинк и нитратный азот связаны друг с другом, то можно предположить, что повышение содержания цинка в клубнях будет способствовать снижению кадмия в картофеле.

По результатам обработки и нформац ион но- логическим методом, повышение содержания цинка в картофеле способствует уменьшению кадмия в нем (рис.4 Л).

Это дает основание предположить снижение поступления кадмия при подкормках и и и ком картофеля, выращиваемого на загрязненных кадмием почвах. Так. содержание кадмия в клубнях картофеля изменяется ог концентрации цинка в почве (рис.6). Характер зависимости обратно пропорциональный. Чем больше содержание цинка в почве, тем меньше содержание кадмия в клубнях картофеля.

Цннк и кадмий являются элементами одной подгруппы второй группы периодической системы Д.И.Менделеева, это определяет сходство их физических и химических свойств. Радиус аггома цинка составляет 0,13") нм, а кадмия - 0.156 нм, соответственно радиус катиона Zn2* также меньше катиона Cd2* (0.083 и 0.099 нм ) (Глинка. 1982). Поэтому, возможно, что при достаточном содержании цинка в почве (в пределах ПДЮ в растение (в нашем случае картофель) приоритетным будет поступление более компакт ных катионов Za1'. по сравнению с Cd ,

На основе характера антагонистических проявлений между содержанием в растении нетоксичных микроэлементов и токсичных тяжелых металлов возможно найти пути уменьшения поступления вредных тяжелых металлов в сельскохозяйственную продукцию (за счет применения микроудобрений).

Но для зтого необходимо проведение дополнительных исследовании.

Выводы

1. (lo чменылению степени загрязненности почв личных подворий тяжелые металлы можно расположить в ряд: Сг > Мо > Мп > Ni > № > Cu > На > Со. Cd

Содержание цинка в исследованных почвах подворий Рубцовского района превышает региональную фоновую концентрацию (74.3 мг/кг). а так же ПДК (87.0 мг/кг) на 1-20 °<. , Содержание хрома также превышает ([юн о вое (70.0м1/кг) и ПДК (50.0 чг'кг) па ?Н-48 % , Концентрации остальных щученных тяжелых металлов н почве ниже 1ЩК.

2. Установлено, что содержание подвижного кадмия от на1ового(40 %) »»едет к накоплению *>гою элемента it кл>бкя\ картофеля. Картофель, выращенный на почве с мшиентшей кадмия в пределах ПДК. накапливает »тог >ле\клп с превышением ПДК ни 3.5- 27 'V

3. Превышение валового содержания хрома в почвах подворий па 20 % от ПДК ведет к превышению допустимых концентраций в корнеплодах моркови и свеклы на 9,2 и 88,7 %, соответственно.

4. Установлено, что для изученных сельскохозяйственных культур характерно большее накопление тяжелых металлов в кожуре, исключение составляют клубни картофеля, накапливающие меньше кадмия ( >2 ПДК), цинка и свинца (около 1 ПДК) в кожуре; концентрация хрома в кожуре всех изученных сельскохозяйственных культур выше, чем в поедаемой части.

5. Выявлен неодинаковый характер воздействия тяжелых металлов на накопление нитратного азота на разных типах почв; стимулнрующее воздействие на процесс нитрификации установлено для цинка (с концентрацией в пределах ПДК). Подавление н итрнфикацион ной активности почв проявилось для СгОЛ),

6. Установлен синергизм С<1 и N03" для корнеплодов моркови, т.е. чем больше кадмия в растении, тем больше в них нитратов н антагонизм ЫО'з и С<1 для клубней картофеля (чем больше нитратов в клубнях, тем меньше кадмия).

7. Отмечен высокий уровень общего минерального азота в почвах подворий -14,54-71,21 мг/кг в слое 0-20 см и 15,92-117,71 мг/кг в слое почвы 20-40 см, что обуславливает превышение допустимых концентраций нитратов в клубнях картофеля в 2,1-7,2 раза, свеклы в 1,1-4,3 раза. Содержание нитратного азота в корнеплодах моркови составляло от670 до 1930 мг/кг {ПДКморкови ранней-400 мг/кг; моркови поздией-250 мг/кг).

8. По содержанию в корнеплодах моркови проявился антагонизм между следующими тяжелыми металлами (в порядке уменьшения коэффициента степени связи):

Сг-2п > Сг-РЬ > С<!-Ре > 2п-Ре > Ре-Со, т.е. чем больше цинка, железа в моркови, тем меньше в ней хрома и кадмия соответственно.

и синергизм между:

С<1-Со > Сг-Со > Со-Си > Си-Со > (Ж^п > РЬ-Си > Сй-Мп > С<1-РЬ > РЬ-Мп, т.е. чем больше кобальта цинка, марганца в корнеплодах, тем больше содержание кадмия, хрома и свинца.

9. По содержанию в клубнях картофеля проявился антагонизм между следующими тяжелыми металлами: Сг-Ре; Сй-Хп, т.е. чем больше железа и цинка в клубнях, тем меньше содержание хрома и кадмия,

н синергизм между Сг-Со; Сё-ре,т.е. чем выше концентрация кобальта и железа в клубнях,тем большее количество хрома и кадмия накапливается в картофеле.

10. Исходя из антагонистических проявлений между тяжелыми металлами, можно рекомендовать проверить эффективность подкормки цинком картофеля, растущего на почвах, загрязненных кадмием (а так же меди, для уменьшения содержания свинца, железа - для уменьшения хрома, кобальта - для уменьшения кадмия).

И. Исходя из антагонистических проявлений для корнеплодов моркови, возможно, что подкормки цинком и железом снизят концентрации хрома и кадмия соответственно.

ЯИ 1 04 8

Предложение производству

Повышенное содержание кадмия и нитратного азота в растительной продукции делает необходимым изменить характер использования почв подворий с точки зрения повышения их плодородия. Для уменьшения содержания токсикантов, в частности кадмия и повышенного содержания нитратного азота в почве, необходимо применять нормированное внесение золы и органических удобрений (в виде навоза с высоким содержанием кадмия).

Список работ, опубликованных по теме диссертации

1. Морковкин Г.Г., Кузнецова О.В. Содержание тяжелых металлов в почве и овошах из личных подворий сел Рубцовского района Алтайского края//Анализ современных аграрных проблем: Сб. науч. тр. молодых учен, и аспирантов-Новосибирск: Изд-во Новосиб. Аграр. Ун-т, 1994.-С.214-216.

2. Бурлакова Л.М., Морковкин Г.Г., Кузнецова О.В,, Завалишин С.И. Особенности роста и развития яровой пшеницы при различных уровнях загрязнения почв тяжелыми металлами// Экологические проблемы сельского хозяйства Алтая: Тез. докл. науч.конф,- Барнаул: Изд-во Алт ГАУ, 1995. -с.43-45.

3. Кузнецова О.В., Бурлакова Л.М. Нитрификация в условиях наведенного загрязнепия тяжелыми металлами// Междунар. науч.-практич. конф., Сб.сгатей -Барнаул: Изд-во АГАУ, 2005, кн. 1. - с.80-83.

4. Кузнецова О.В., Завалишин С.И. Тяжелые металлы в почвах сухой степи Алтайского края// Междунар, науч.- практич, конф., Сб. статей- Барнаул: Изд-во АГАУ, 2005, кн. Iс.77-80.

_ЛРКа 020648 от 16 декабря 1997 г._

Подписано в печать 12.05.2005 г. Формат 60x84/16. Бумага для множительных аппаратов: Печать ризографная, Гарнитура «Times New Roman», Усл. печ. л, 1. Уч.-изд, л. 0,6. Тираж 100 экз. Заказ JftiJ.

Издательство АГАУ 656099, г. Барнаул, пр. Красноармейский, 9S 62-84-26