CC BY
118
ґ
ПОЧВОВЕДЕНИЕ
ч.
УДК 631.95:546.662
В.Л. Убугунов, В.О. Доржонова
ОЦЕНКА ФИТОТОКСИЧНОСТИ КАДМИЯ В КАШТАНОВОЙ ПОЧВЕ*
Изучена фитотоксичность Cd в каштановой почве в зависимости от сроков компостирования (7 и 30 суток) с использованием показателей прорастания и интенсивности начального роста пшеницы. Ключевые слова: кадмий, каштановая почва, фитотоксичность, пшеница.
Cd phytotoxity in the chestnut soil depending on terms of composting (7 and 30 days) with use of the parameters of germination and wheat initial growth intensity is studied.
Key words: cadmium, chestnut soil, phytotoxity, wheat.
Кадмий по токсичности, подвижности, способности накапливаться в пищевых цепях является одним из наиболее опасных загрязнителей окружающей среды [1-3]. Увеличение загрязнения окружающей среды кадмием, являющегося одним из наиболее токсичных элементов, вызывает необходимость изучения влияния высоких концентраций кадмия на живые организмы [4,5]. Основным источником кадмия в пищевых цепях являются почвы. Поступая в почву, кадмий влияет на биологические, химические и физические свойства, ухудшая тем самым почвенное плодородие. Кроме того, кадмий оказывает прямое воздействие на растения, нарушая метаболизм, снижая продуктивность и качество растениеводческой продукции [6].
Актуальность изучения кадмия в Западном Забайкалье обусловлена низкой потенциальной буферно-стью почвенного покрова к тяжелым металлам и имеющимся локальным загрязнениям, приуроченным к территориям горно-добывающих и горно-обогатительных предприятий, крупным промышленно развитым населенным пунктам, объектам транспортных коммуникаций, коммунальных служб, свалкам и др.
В связи с этим нами была поставлена цель - изучить фитотоксичное влияние кадмия как приоритетного загрязнителя в каштановой почве на показатели всхожести, начального роста и биомассы проростков пшеницы, что позволит прогнозировать уровни загрязнения кадмием, приводящие к неблагоприятным экологическим и санитарно-гигиеническим последствиям в регионе.
Для изучения фитотоксичности кадмия был заложен лабораторный модельный опыт. В опыте использовали каштановую почву, отобранную в Селенгинском районе Республики Бурятия, в 20 км северо-восточнее г. Гусиноозерска. Для проведения эксперимента отбирали верхний слой почвы (0-20 см) из горизонта Апах. Опытная каштановая почва характеризовалась незначительным содержанием гумуса (2,0 %) и питательных веществ, щелочной реакцией среды (рН 7,8) и супесчаным гранулометрическим составом.
Воздушно-сухую почву массой 50 г помещали в пластиковые сосуды глубиной 8 см, диаметром 9 см. В сосуды вносили кадмий в виде водного раствора уксуснокислой соли Сс1(СНзСОО)2*2Н2О. Дозы Сс1 состави-
* Работа выполнена при финансовой поддержке проекта СО РАН «Разработка системы комплексной индикации процессов опустынивания для оценки современного состояния экосистем Сибири и Центральной Азии, создание на ее основе прогнозных моделей и системы мониторинга» и программы «Биологическое разнообразие», проект №23-11 «Инвентаризация разнообразия сообществ и экосистем Байкальского региона (2009-2010 гг.).
V.L. Ubugunov, V.O. Dorzhonova
CADMIUM PHYTOTOXITY ESTIMATION IN THE CHESTNUT SOIL
Введение
Объекты и методы исследований
із
ли 40, 80, 160, 320, 640, 1250, 2500 мг/кг почвы. Для сравнения уровней фиксации почвой внесенного кадмия проводили компостирование в течение 7 и 30 суток со дня добавления металла.
В качестве биотестера использовали семена пшеницы сорта Бурятская-79. В каждый сосуд помещали 16 семян, предварительно замоченных в воде в течение суток, на глубину 1 см. Оценку влияния кадмия на прорастание семян проводили, используя показатели всхожести, энергии, дружности и продолжительности прорастания. При этом дружность прорастания рассчитывали по формуле Д = П/А, где Д - дружность прорастания (средний процент семян, проросших за 1 сутки прорастания), %; П - полная всхожесть, %; А - число дней прорастания. Продолжительность прорастания определяли по формуле: С = ((а х 1) + (б х 2) + (в х 3) + (г х 4) + ... ) /(а + б + в + г + ... ), где С - средняя продолжительность прорастания одного семени, сут.; а -число семян, проросших за 1 -е сутки; б - число семян, проросших за 2-е сутки; в - число семян, проросших за 3-и сутки; г - число семян, проросших за 4-е сутки и т.д. О воздействии металла на интенсивность начального роста пшеницы судили по изменениям длины и массы корней и зеленых проростков после 14 суток проращивания.
Результаты исследований и их обсуждение
По результатам изучения показателей прорастания семян пшеницы на каштановой почве установлено токсичное действие кадмия в зависимости от внесенных доз элемента и сроков компостирования (табл. 1, рис. 1).
Концентрации 0-40 мг/кг оказались толерантными для всхожести, энергии, дружности и продолжительности прорастания. Согласно этим показателям, почва становилась токсичной при дозах 80-160 мг/кг, причем доза 160 мг/кг приводила к гибели растений уже на 4-5 день после появления всходов. При концентрациях 320-2500 мг/кг прорастания семян не наблюдали.
Таблица 1
Всхожесть и энергия прорастания семян пшеницы после 7 и 30 суток компостирования почвы
Доза Сс1, мг/кг почвы Всхожесть Энергия прорастания
% % от контроля % % от контроля
0 (контроль) 100 (100) - 100 (100) -
40 100 (98) 100 (98) 100 (98) 100 (98)
80 92 (98) 92 (98) 80 (98) 80 (98)
160 0 (22**) 0 (22**) 2* (19**) 2* (19**)
320 0 (9**) 0 (9**) 0 (6**) 0 (6**)
640-2500 0 (0) 0 (0) 0 (0) 0 (0)
НСР0,05 3,4 (6,8)
Примечания: данные, приведенные без скобок, соответствуют 7-суточному компостированию, в скобках - 30-суточному; * растения погибли через 4-5 дней после всходов; ** растения погибли через 8-12 дней после всходов.
Увеличение сроков компостирования с 7 до 30 суток уменьшило токсичность металла и сдвинуло порог его токсичности. Толерантной дозой в данном случае были концентрации 40-80 мг/кг. При дозах 160-320 мг/кг семена всходили, а срок жизни проростков увеличивался до 8-12 дней.
Возрастающие дозы кадмия приводили к резкому снижению дружности и продолжительности прорастания при концентрациях более 40 мг/кг в почве, компостировавшейся в течение 7 суток. При более длительном компостировании, как и в случае со всхожестью и энергией прорастания, токсичность металла стала заметно проявляться только при концентрациях более 80 мг/кг.
Показатели интенсивности начального роста: длина и масса зеленых проростков и корней (рис. 2, 3) по сравнению с показателями прорастания семян оказались более чувствительными к внесению кадмия. Токсичность металла по этим показателям выявлена уже при минимальной внесенной дозе 40 мг/кг. При этом снижение длины зеленых проростков и корней по отношению к контролю составило 38 и 29 %, а массы - 50 и 60 % соответственно. Дополнительные две недели компостирования уменьшили негативное воздействие кадмия. Длина проростков и корней при дозе 40 мг/кг также снизилась, но менее существенно - до 81 и 71 %, а масса - до 70 и 72 % соответственно.
ОЗ, мг/кг почвы
А Б
Рис. 1. Дружность (А) и продолжительность (Б) прорастания семян пшеницы в зависимости от концентрации кадмия и сроков компостирования почвы
7 суток
15
10
-10
0 40 80 160 320 640 1250 2500
С<^, мг/кг почвы корни
Рис. 2. Длина проростков пшеницы после 14 суток выращивания в зависимости от концентрации кадмия и сроков компостирования почвы
Рис. 3. Масса наземной части и корней проростков пшеницы после 14 суток выращивания в зависимости от концентрации кадмия и сроков компостирования почвы
5
0
5
Анализ литературных данных показал, что кадмий не является строго токсичным элементом для растений и в незначительных концентрациях может стимулировать увеличение биопродуктивности растений. Внесение кадмия в дозах 0,25-2,0 мг/кг в дерново-подзолистые средне- и тяжелосуглинистые почвы, а также в чернозем выщелоченный незначительно стимулировало увеличение продуктивности растений [7]. В исследованиях на дерново-подзолистой супесчаной почве [4] установлена достоверная прибавка урожая горохо-овсяной смеси до 29 % при внесении кадмия в дозах 1-3 кг/га. Изучая фитотоксичность чернозема обыкновенного, В.Ф. Вальков и др. [6] показали, что кадмий при содержании в почве 3 и 30 мг/кг оказывал стимулирующее действие на прорастание и начальный рост озимой пшеницы. Однако по результатам настоящих исследований не наблюдалось стимулирование ни по одному из изученных показателей. Вероятно, это было связано с низкой буферностью по отношению к тяжелым металлам изученной каштановой почвы, так как по результатам аналогичных исследований на более буферном дерново-подбуре достоверное стимулирующее действие было выявлено при дозах 40-80, а в отдельных случаях даже 160 мг/кг почвы. В связи с этим можно полагать, что стимулирование показателей кадмием может проявляться и на каштановой почве, но при более низких дозах.
В опыте с каштановой почвой при высоких концентрациях кадмия, несмотря на регулярный полив, наблюдался «эффект засухи». При этом разрушалась структура почвы, происходило сильное уплотнение и образование на поверхности белесых солевых корок. Листья растений утончались и скручивались как по ширине, так и по длине. Возможно, это связано с тем, что кадмий приводит не только к торможению роста, развития растений, морфологическим и морфофизическим изменениям, но также нарушает водный обмен растений в результате снижения гидравлической проводимости корней и водоудерживающей способности листьев [5, 8-12]. Кроме того, возможен эффект «концентрационного иссушения» при высоких дозах металлов, приводящий к появлению признаков ксероморфизма: уменьшению размеров листьев, задержке роста, преобладающему развитию корневой системы по сравнению с надземной частью [11]. Однако подобного эффекта мы не отмечали в опытах с дерново-подбуром. Поэтому при загрязнении кадмием большое значение имеет не только способность почв снижать химическую токсичность металла, но и сохранять свои водно-физические свойства.
С течением времени в почве происходит закрепление подвижных соединений металлов, что снижает их токсичность для растений и уровни аккумуляции в биомассе и подтверждается сравнением результатов опытов, проводимых длительное время [13]. В нашем эксперименте также наблюдалось уменьшение токсичности кадмия при 30-суточном компостировании почвы по сравнению с 7-суточном. При этом, если сроки компостирования существенно не повлияли на многие показатели при прорастании на черноземе [6] и дер-ново-подбуре, то на использованной в настоящем эксперименте каштановой почве реакция всех показателей оказалась достаточно существенной.
Чувствительность показателей для оценки фитотоксичности каштановой почвы при загрязнении кадмием приведена в таблице 2. Наиболее информативными показателями оказались длина и масса проростков, наименее - всхожесть и энергия прорастания.
Таблица 2
Сравнительное изменение показателей прорастания и начального роста семян пшеницы при содержании Cd 80 мг/кг почвы по отношению к контролю, %
Показатель Срок компостирования, сут.
7 30
Прорастание семян
Всхожесть -8 -2
Энергия -20 -2
Дружность -45 -2
Продолжительность +30 +1
Начальный рост семян
Длина: зеленые проростки -74 -32
корни -32 -54
Масса: зеленые проростки -65 -50
корни -43 -40
Выводы
1. Кадмий в зависимости от его концентрации в почве проявил нейтральное действие либо угнетал прорастание семян и рост проростков пшеницы. Минимальная доза (40 мг/кг) привела к угнетению показателей начального роста семян (длина и масса проростков). Увеличение дозы до 80 мг/кг снизило показатели прорастания семян (всхожесть, энергия, дружность и продолжительность). Концентрации 160-2500 мг/кг оказали летальное воздействие на семена и всходы, создавая условия, невозможные для их нормального функционирования.
2. Увеличение срока компостирования почвы с 7 до 30 дней значительно снизило токсичное действие кадмия.
3. Наиболее информативными показателями при изучении фитотоксичности возрастающих доз кадмия при различных сроках компостирования почвы оказались длина и биомасса проростков пшеницы.
Литература
1. Ильин В.Б., Сысо А.И. Микроэлементы и тяжелые металлы в почвах и растениях Новосибирской области. - Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2001. - 229 с.
2. Кабата-Пендиас А., ПендиасХ. Микроэлементы в почвах и растениях. - М.: Мир, 1989. - 439 с.
3. Рэуце К., Кырстя С. Борьба с загрязнением почвы. - М.: ВО Агропромиздат, 1986. - 221 с.
4. Степанок В.В. Влияние соединений кадмия на урожай и элементный состав сельскохозяйственных культур // Агрохимия. - 1998. - № 6. - С. 74-79.
5. Титов А.Ф., Лайдинен Г.Ф., Казнина Н.М. Влияние высоких концентраций кадмия на рост и развитие ячменя и овса на ранних этапах онтогенеза // Агрохимия. - 2002. - № 9. - С. 61-65.
6. Вальков В.Ф., Колесников С.И., Казеев К.Ш. Влияние загрязнения тяжелыми металлами на фитотоксичность чернозема // Агрохимия. - 1997. - №6. - С. 50-55.
7. Влияние кадмия на урожай сельскохозяйственных культур и накопление этого элемента в почвах и растениях / Ю.В. Потатуева [и др.] // Агрохимия. - 1998. - № 3. - С. 53-61.
8. Ильин В.Б., Гармаш Г.А., Гармаш Н.Ю. Влияние тяжелых металлов на рост, развитие и урожайность сельскохозяйственных культур // Агрохимия. - 1985. - № 6. - С. 90-99.
9. Физико-химические аспекты поведения в системе почва-растение и их влияние на физиологические и биохимические функции растений / Л.М. Дмитраков [и др.] // Тез. докл. III съезда Докучаевского об-ва почвоведов. - М., 2000. - Кн. 1. - С. 25-26.
10. Убугунов В.Л., Кашин В.К. Тяжелые металлы в садово-огородных почвах и растениях г. Улан-Удэ. -Улан-Удэ: Изд-во БНЦ СО РАН, 2004. - 128 с.
11. Влияние свинца на морфометрические показатели овса / Л.М. Дмитраков [и др.] // Агрохимия. -2004. - №8. - С. 48-53.
12. Дашиева М.Д., Убугунов Л.Л. Влияние физико-химических свойств на уровень транслокации кадмия в растения при различных уровнях загрязнения // Химия в интересах устойчивого развития. - 2007. -№ 15. - С. 481-485.
13. Черных Н.А., Ладонин В.Ф. Нормирование загрязнения почв тяжелыми металлами // Агрохимия. -1995. - №6. - С.71-79.
'--------♦------------
