CC BY
27
УДК 546.815:631.524.84:633.3:581.5
ИЗМЕНЕНИЕ ПРОДУКТИВНОСТИ И ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА КОРМОВЫХ БОБОВ ПРИ ЗАГРЯЗНЕНИИ ПОЧВ СВИНЦОМ
С.П. Арышева, к.б.н.
ВНИИ сельскохозяйственной радиологи и агроэкологии РАСХН, е-mail: [email protected]
Исследовано загрязнение свинцом дерново-подзолистой почвы и чернозема выщелоченного. Установлено, что загрязнение дерново-подзолистой почвы более негативно влияет на продуктивность, химический состав и накопление элемента в кормовых бобах по сравнению с загрязнением чернозема выщелоченного. При внесении свинца в почвы снизилась питательная ценность биомассы кормовых бобов, причем на черноземе выщелоченном этот факт был отмечен при более высоких концентрациях по сравнению с дерново-подзолистой почвой.
Ключевые слова: свинец, загрязнение почвы, дерново-подзолистая почва, чернозем выщелоченный, урожай, химический состав, кормовые бобы.
CHANGE OF CHEMICAL COMPOSITION AND YIELD OF FORAGE BEAN UNDER LEAD CONTAMINATION OF SOIL S.P. Arysheva
There has been studied the contamination with lead of sod-podzolic soil and leached chernozem. It has been established that lead contamination of sod-podzolic soil has a greater negative impact on productivity, chemical composition and lead accumulation in field bean plants, compared to leached chernozem pollution. Lead application into soil reduced the nutritional value of field bean plant biomass, with this fact being reported at higher concentrations on leached chernozem than on sod-podzolic soil.
Keywords: lead, soil pollution, sod-podzolic soil, leached chernozem, harvest, chemical composition, forage bean plants.
Загрязнение окружающей среды различными токсикантами, в том числе и тяжелыми металлами (ТМ) - одна из важнейших экологических проблем. В отличие от других техногенных загрязняющих веществ ТМ практически не подвергаются физико-химическому или биологическому разрушению. Это ведет к снижению плодородия почв, существенному уменьшению урожая и значительному
ухудшению его качества [1-3]. Для производства сельскохозяйственной продукции, пригодной для приготовления кормов и продуктов питания в условиях техногенного загрязнения территорий, необходимо выявление концентраций ТМ в почвах, при которых они не влияют на продуктивность и накапливаются в безопасных количествах (ниже ВМДУ) в хозяйственно ценных частях растений.
Цель работы - оценка влияния искусственного загрязнения свинцом в широком диапазоне концентраций дерново-подзолистой почвы и чернозема выщелоченного на урожай, показатели качества и накопление элемента в кормовых бобах.
Вегетационный опыт проводили в боксе теплицы. Кормовые бобы выращивали в пластиковых сосудах объемом 5 л на дерново-подзолистой супесчаной почве (ПД) и черноземе выщелоченном (ЧВ) тяжелосуглинистом, взятых из пахотных горизонтов почв Калужской и Курской областей. Агрохимические характеристики дерново-подзолистой почвы и чернозема: pHKCl 5,1 и 5,3; содержание гумуса 1,3 и 5,1%; Нг 1,9 и 3,8 мг-экв/100 г почвы; сумма поглощенных оснований 6 и 33 мг-экв/100 г почвы; содержание подвижного фосфора 127 и 179 мг/кг почвы; обменного калия 78 и 103 мг/кг почвы. Водные растворы солей KCl и KH2PO4 вносили из расчета Pi50K150 на 1 кг абсолютно сухой почвы, свинец добавляли в виде раствора Pb(N03)2 по 50, 100, 250, 500, 1000, 1500 мг/кг в дерново-подзолистую почву и по 100, 500, 1000, 1500, 2000, 2500 мг/кг чернозема. Фоновое содержание Pb в почвах -8,6 и 10,9 мг/кг соответственно. Внесение N с NH4NO3 во все варианты опыта корректировали с учетом его содержания в Pb(N03)2. После внесения растворов солей почву в сосудах инкубировали в течение 14 суток при t = 20-23°С. Растения (5 шт. на сосуд) выращивали до полной спелости (110 сут.) при t = 20-22°С в условиях постоянной влажности почвы (60% ПВ). Контролем служил вариант с NPK без внесения Pb. Опыт проводили в шестикратной повторности. Содержание Pb в почве (вытяжка 1Н CH3COONH4 (ААБ), рН 4,8), в растениях и семенах (сухое озоление с последующим кислотным растворением зольного остатка) определяли методом атомно-абсорбционной спектроскопии на приборе Varían Spectr AA 250 Plus. Влияние загрязнения почвы Pb на состояние растений кормовых бобов оценивали по изменению показателей урожая. Показатели качества биомассы кормовых бобов (содержание сырого протеина, жира, клетчатки, золы) определяли на 110 сутки методом инфракрасной спектрометрии на анализаторе INFRAPID-61. Статистическую обработку данных проводили c помощью программы MS Excel.
Доступность свинца растениям в значительной степени зависит от того, насколько прочно он связан в почве, то есть от содержания его подвижных форм. В вариантах Pb 50 и 500 мг/кг на ПД почве в вытяжку ААБ перешло 17,4 и 34,7% от общего количества металла, а при концентрациях 1000-2000 мг /кг почвы это значение составляло около 35%.
На черноземе в диапазоне доз Pb 100-500 мг/кг в ААБ перешло 20,2 и 23,6% свинца от общего содержания в почве. Этот показатель не изменялся и был равен 24% при дозах 1000-2000 мг/кг почвы. При загрязнении ПД почвы в ААБ перешло гораздо больше (от 17,4 до 35% общего содержания в почве) свинца, чем при загрязнении чернозема. Таким образом, внесенный в ПД почву Pb закрепляется слабее, чем внесенный в чернозем, что объясняется более высокой буферной емкостью чернозема.
Количество Pb в урожае зависело от уровня загрязнения почвы. При содержании подвижной формы Pb 1,3440,6 мг/кг ПД почвы его концентрация в биомассе изменялась прямо пропорционально массовой доле Pb в почве. Для семян аналогичная зависимость была уста-
новлена только при высоких концентрациях (292,5 и 440,6 мг/кг) подвижной формы Pb в ПД почве; в интервале концентраций металла от 1,3 до 144,3 мг/кг почвы зависимость имела логарифмический характер. Изменение концентрации Pb и в биомассе и в семенах кормовых бобов в зависимости от содержания его подвижной формы в интервале от 0,68 до 115 мг/кг чернозема носило логарифмический характер и приобретало линейный вид в диапазоне концентраций 215,4-516,5 мг/кг почвы.
В интервале исследуемых концентраций Pb в ПД почве содержание его в растениях достоверно увеличилось с 10 до 288 раз, а в семенах - с 4 до 11 раз по сравнению с контролем. На черноземе этот показатель изменялся соответственно от 8 до 57 и от 2 до 9 раз. Наши результаты согласуются с данными Н.А. Черных и М.М. Овчаренко [4], что с ростом концентрации Pb в почве происходит увеличение его накопления в растениях и семенах. Однако транспорт элемента в семена идет гораздо медленнее, чем в стебли и листья, что также подтверждает описанное в литературе наличие в растениях ряда защитных барьеров, препятствующих накоплению ТМ в генеративных органах [2, 3, 5].
Поступление Pb в вегетативную массу кормовых бобов напрямую зависело от типа почвы: растения, выросшие на ПД почве поглощали его сильнее, чем растения на черноземе. Это связано с различием физико-химических характеристик этих почв, определяющих их буферную способность. Благодаря высокой буферной способности чернозем предотвращает транспорт токсических веществ в растения. Известно, что Pb обладает высоким сродством к органическому веществу почвы, а также закрепляется в почвенном поглощающем комплексе и становится малодоступным для растений [1-3].
Согласно нормативным документам СанПиН 2.3.2.1078-01 и ВМДУ № 123-41281-87, допустимый уровень содержания Pb в семенах зернобобовых составляет 0,5 мг/кг, в зерне, зернофураже, грубых и сочных кормах - 5,0. По результатам эксперимента семена кормовых бобов, выращенных на загрязненном свинцом черноземе, можно использовать в пищу при концентрации Pb не выше 950 мг/кг, растения на корм скоту - не выше 260 мг/кг почвы. Семена и растения кормовых бобов, выращенные на ПД почве с внесением Pb, можно использовать при концентрации соответственно до 13 и 47 мг/кг почвы.
Коэффициент накопления (КН) Pb в кормовых бобах определяется как отношение содержания элемента в единице массы растения к содержанию его в единице массы почвы. В растениях, выросших на ПД почве, наблюдалось увеличение показателя в интервале концентраций Pb 50-500 мг/кг (достоверно в 1,3 раза при 500 мг Pb/кг) и его незначительное снижение при 1500 мг Pb/кг почвы относительно контроля. На черноземе во всем диапазоне исследуемых доз КН в растениях был достоверно ниже контроля в 6-12 раз. В семенах, при концентрациях Pb 50-1500 мг/кг ПД почвы, этот показатель достоверно понизился от 2 до 30 раз по сравнению с контролем. На черноземе КН достоверно уменьшился в 3374 раза при низких дозах (100-500 мг) и примерно в 102108 раза при высоких (1000-2500 мг Pb/кг почвы). Таким образом, с увеличением концентрации Pb в почве КН в биомассе и семенах либо изменялись незначительно, либо достоверно снижались, причем на черноземе это снижение происходило в большей степени, чем на дерново-подзолистой почве.
Показатели качества биомассы кормовых бобов при различных уровнях загрязнения почв Pb, %
Pb, Сырой протеин Жир Клетчатка Зола
мг/кг сухое к контролю сухое к контролю сухое к контролю сухое к контролю
почвы вещество вещество вещество вещество
Дерново-подзолистая супесчаная
0 9,56±0,55 100 2,03±0,08 100 32,61±0,44 100 7,55±0,24 100
50 9,38±0,70 98 1,99±0,07 98 32,37±0,40 99 7,11±0,46 94
250 8,94±0,96 93 2,22±0,07* 109 30,95±0,41* 95 6,43±0,59* 85
500 8,52±0,99* 89 2,24±0,11* 110 30,66±0,66* 94 6,10±0,89* 81
1000 8,96±0,86 94 2,20±0,09 108 31,32±0,67 96 6,45±0,47* 85
1500 10,32±0,82* 108 2,23±0,10* 110 32,52±0,16 100 7,46±0,21 99
2000 А - - - - - - - -
Че энозем выщелоченный
0 10,61±0,61 100 2,13±0,14 100 32,80±0,73 100 8,59±0,34 100
100 9,19±0,70* 87 2,14±0,04 102 30,78±0,12* 94 7,05±0,08* 82
500 9,13±0,15* 86 2,31±0,13* 108 30,70±1,03* 94 6,55±0,83* 76
1000 10,72±0,79 101 2,17±0,10 102 32,61±0,37 99 7,27±0,20* 85
1500 9,47±0,94 89 2,29±0,09* 107 31,65±0,41 96 7,21±0,58* 84
2000 9,80±0,78 92 2,22±0,05 104 31,61±0,34 96 7,66±0,08* 89
2500 8,15±0,98* 77 2,17±0,10 101 30,95±0,40* 94 5,77±0,85* 67
Примечание: ▲ - гибель растений, * - среднее значение и стандартные ошибки, достоверно отличающиеся от контроля
Установлено, что при внесении РЬ от 100 до 1000 мг/кг чернозема число семян увеличилось на 19-32%, их масса на 21-26% относительно контроля. Максимально достоверный рост этих показателей (на 32 и 26%) наблюдался в вариантах РЬ100 и РЬ1000. Негативный эффект РЬ на урожай был зафиксирован при достаточно высоких уровнях загрязнения чернозема: число и масса семян уменьшились на 20-23% при 1500 мг/кг и на 5055% при 2500 мг/кг почвы по сравнению с контролем.
В диапазоне концентраций РЬ 50-500 мг/кг дерново-подзолистой почвы наблюдалось повышение урожая семян, причем в варианте РЬ250 имело место достоверное максимальное увеличение массы и числа семян на 1 растение на 35 и 42%. Более высокие концентрации металла (1000 и 1500 мг/кг) вызвали снижение массы семян на 45 и 64%, числа семян на 37-61% с растения (относительно контроля). Масса 1000 семян слабо изменялась под действием возрастающих концентраций РЬ в почве и почти не отличалась от контроля.
Во всех вариантах с загрязнением чернозема биомасса кормовых бобов мало отличалась от контроля (2-8%), только при дозе РЬ 1000 мг/кг наблюдалось достоверное снижение показателя на 13%. Биомасса кормовых бобов на дерново-подзолистой почве последовательно снижалась, начиная с концентрации РЬ 500 мг/кг почвы. Достоверное минимальное значение показателя получено при концентрации 1500 мг/кг почвы, что составило 48% к контролю. При максимальном (РЬ 2000 мг/кг) загрязнении дерново-подзолистой почвы растения погибли.
Было определено соотношение массы стеблей и листьев растений к массе семян. Это объективный показатель высокоурожайной культуры интенсивного типа. Известно, что у кормовых бобов соотношение этих показателей наиболее благоприятное (1:1), в то время как у других зернобобовых оно составляет от 1,5:1 до 3,5:1. В эксперименте соотношение биомассы растений и массы семян было достоверно ниже контрольных значений в среднем на 30% в диапазоне концентраций 50-500 мг/кг и достоверно превышало контроль на 157 и 82% при
1000 и 1500 мг РЬ/кг дерново-подзолистой почвы. С увеличением дозы РЬ в черноземе наблюдалось снижение соотношения биомассы и массы семян на 23% относительно контроля при 1000 мг РЬ/кг почвы. Дальнейшее повышение уровня загрязнения чернозема до 2000 и 2500 мг/кг привело к росту этого показателя соответственно на 46 и 141% по сравнению с контролем. Таким образом, при самых высоких уровнях загрязнения дерново-подзолистой почвы и чернозема свинцом в этом соотношении показателей продуктивности преобладала доля биомассы кормовых бобов над массой семян, причем на черноземе этот эффект был более заметен.
Данные таблицы показывают, что содержание сырого протеина в биомассе кормовых бобов на черноземе оказалось ниже контрольного уровня во всем диапазоне исследуемых доз. Достоверное уменьшение его на 14% было отмечено при 100 и 500 мг РЬ и максимально на 23% относительно контроля при концентрации РЬ2500 мг/кг почвы. На дерново-подзолистой почве этот показатель был ниже контрольных значений во всех вариантах на 11% при 500 мг РЬ /кг почвы и достоверно выше контроля на 8% в варианте РЬ1500.
Содержание жира в биомассе кормовых бобов увеличилось во всех вариантах при загрязнении свинцом как дерново-подзолистой почвы, так и чернозема. Достоверное превышение в биомассе по сравнению с контролем на дерново-подзолистой почве составило 9-10% в вариантах РЬ250, РЬ500, РЬ1500 на 7-8% в вариантах РЬ500 и РЬ100 - на черноземе.
Количество клетчатки в листьях и стеблях кормовых бобов на обоих типах почв при всех исследуемых уровнях загрязнения РЬ незначительно отличалось от контроля. Достоверное же снижение этого показателя на 5% отмечено только в интервале концентраций РЬ 250-500 мг/кг дерново-подзолистой почвы, а на черноземе - при 100, 500 и 2500 мг/кг.
Содержание зольного вещества в биомассе кормовых бобов было достоверно ниже контроля на 15-16%. на всех уровнях загрязнения почв свинцом. Максимальное
снижение содержания золы в растениях на 19% относительно контроля зафиксировано при концентрациях Pb 500 мг/кг дерново-подзолистой почвы и на 24 и 33% -при 500 и 2500 мг/кг чернозема.
Следует отметить, что при внесении свинца в чернозем питательная ценность биомассы растений уменьшалась при более высоких концентрациях металла по сравнению с дерново-подзолистой почвой. В целом увеличение загрязнения почв Pb снизило питательную ценность кормовых бобов.
Таким образом, количество РЬ в урожае зависело от уровня загрязнения и типа почвы. Характер зависимости (линейная или логарифмическая) определялся и коэффициентом его накопления и концентрацией подвижной формы РЬ в почве. С увеличением концентрации свинца в почве он либо изменялся незначительно (в биомассе на дерново-подзолистой почве), либо достоверно снижался, причем на черноземе это снижение происходило в большей степени, чем на дерново-подзолистой почве.
Литература
1. Алексеев Ю.В. Тяжелые металлы в почвах и растениях. - Л.: Агропромиздат, 1987. - 142 с.
2. Кабата-Пендиас А., Пендиас Х. Микроэлементы в почвах и растениях. - М. 1989. - 439 с.
3. Ильин В.Б. Тяжелые металлы в системе почва - растение. - Новосибирск. 1991. - 151 с.
4. Черных Н.А., Овчаренко М.М. Тяжелые металлы и радионуклиды в биоценозах. - М.: Агроконсалт, 2002. - 200 с.
5. Гуральчук Ж.З. Механизмы устойчивости растений к тяжелым металлам // Физиология и биохимия культурных растений, 1994, Т. 26. - С. 107-117.
