CC BY
16
свойства почв и их плодородие
УДК 631.416.9;633.16;581.1
ПОДВИЖНОСТЬ ZN И НАКОПЛЕНИЕ ЕГО В УРОЖАЕ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ТИПА ПОЧВЫ
В.С. Анисимов, к.б.н., Л.Н. Анисимова, к.б.н., Р.А. Фригидов, Л.М. Фригидова, к.б.н.
ВНИИ сельскохозяйственной радиологии и агроэкологии, e-mail: vsanisimov@list.ru
Результаты проведенных экспериментов позволяют уточнить особенности транслокации Zn в хозяйственно-ценную часть салата для разных почв и могут быть полезными при последующем пересмотре нормативов содержания Zn в почвах не только в зависимости от отдельных физико-химических и физических показателей (величины pH и гранулометрического состава), но и в зависимости от типа почвы.
Ключевые слова: цинк, почвы, транслокация, коэффициент накопления, биомасса, фитотоксичность.
ZINC MOBILITY AND IT'S ACCUMULATION BY HARVEST IN DEPENDENCE OF SOIL TYPE
PhD. V.S. Anisimov, PhD. L.N. Anisimova, R.A. Frigidov, PhD. L.M. Frigidova
ARSRIfor agricultural radiology and agroecology, e-mail: vsanisimov@list.ru
The experimental results allow to specify the features of Zn translocation in valuable pieces of lettuce from different soils and may be useful in the subsequent revision of control levels of Zn in soils depending not only on the individual physical, chemical and physical parameters (pH value and particle size distribution), but as well on soil type. Keywords: zinc, soil, translocation, accumulation factors, biomass, phytotoxicity.
На четырех контрастных типах почв (дерново-подзолистая супесчаная; болотная торфяная низинная (Калужская обл.); чернозем выщелоченный (Курская обл.) и темно-каштановая (Ростовская обл.)) экспериментально оценены морфометриче-ские показатели и параметры накопления цинка салатом-латуком в зависимости от содержания элемента в почвах.
Цель исследований - изучение закономерностей накопления 2п в урожае и установление критических уровней его содержания в различных почвах. Для установления закономерностей корневого поглощения 2п надземной биомассой салата и оценки фитотоксичности металла в зависимости от типа почвы проведен комплексный вегетационный эксперимент [1]. Агрохимическая характеристика почв приведена в таблице 1.
Методика исследований. В высушенную до воздушно-сухого состояния, просеянную через сито
с диаметром отверстий 5 мм почву добавляли минеральные удобрения N200; Р100 и К100 в виде солей N^N03, КН2Р04 и К^Оф Возрастающие количества 2п (мг/кг почвы) вносили в виде водного раствора азотнокислой соли: в дерново-подзолистую 25, 50, 100,150, 200, 300, в торфяную 1000, 2000, 2500, 3000, 3500, 4000, в чернозем и темно-каштановую соответственно 50, 100, 250, 500, 750, 1000, 1250. Количество N поступающее с нитратом металла, компенсировали добавлением NH4N03. Почву, загрязненную 2п (по 5 кг абсолютно-сухой дерново-подзолистой, выщелоченного чернозема и каштановой почвы и 1 ,2 кг абсолютно-сухой болотной торфяной низинной почвы), помещали в пластиковые сосуды объемом 5 л и инкубировали при комнатной температуре и постоянной влажности, соответствующей 60% от полной влагоемкости (ПВ). Через 1 месяц высевали по 30 шт. на сосуд семян салата-латука (сорт Московский). В течение
1. Агрохимическая характеристика почв
Показатель Дерново-подзолистая супесчаная Чернозем выщелоченный Темно-каштановая Болотная торфяная низинная
РНКС1 5,00±0,01 5,53±0,02 6,97±0,02 5,34±0,02
Гумус, % 1,42±0,01 4,82±0,03 2,53±0,02 21,3±0,92*
Нг, мг-экв/100 г почвы 2,06±0,03 3,02±0,01 - 25,7±1,2
Сумма поглощенных оснований, мг-экв/100 г почвы 5,75±0,05 31,7±0,1 37,2±0,4 100,0±2,0
Подвижный К20, мг/100 г почвы (по Масловой) 8,52±0,4 13,43±0,16 21,2±0,2 24,5±0,6
Подвижный Р205, мг/100 г почвы (по Кирсанову) 48,5±1,0 21,4± 1,4 4,0±0,05 18,8±1,2
Содержание фракции < 0,01 мм, % 18,4 48,1 63,9 -
*зольность торфа, %.
опыта влажность почвы поддерживали на уровне 60% ПВ добавлением необходимого количества де-ионизированной воды. При уборке урожая регистрировали количество оставшихся растений в сосуде, сырую и воздушно-сухую массу надземной части. Общее содержание Zn в почвах определяли в соответствии с методикой [2]. Содержание подвижной (доступной растениям) и подвижной кислотораство-римой форм Zn рассчитывали после количественного определения металла в вытяжках 1 М раствором аце-татно-аммонийного буфера (рН 4,8) и 1 М HCl соответственно методом ИСП-АЭС (спектрометр Liberty II фирмы Varian). Концентрацию Zn в растениях определяли в соответствии с методикой [3].
Биологическую доступность стабильного Zn определяли с помощью коэффициентов накопления (КН), представляющих собой отношение концентрации металла в сухом (сыром) растительном материале к его концентрации в абсолютно-сухой почве. По-вторность опытов трехкратная. Экспериментальные данные обрабатывали с помощью методов вариационной статистики Microsoft Office Excel.
Результаты. Исследование форм нахождения Zn в почвах показало, что доля подвижного (извлекаемого AAБ, pH 4,8) металла от общего его количества в контрольных почвах уменьшалась в ряду: каштановая (0,05) < торфяная (0,05) < чернозем (0,11) < дерново-подзолистая (0,21). При внесении цинка доля его подвижной формы возросла в среднем в 3,2 (дерново-подзолистая почва), в 3,8 (чернозем), в 3,9 (торфяная) и в 7,5 раз (каштановая почва). Варьирование этого показателя в зависимости от дозы цинка было гораздо менее значительным и составляло 2-3 раза для дерново-подзолистой, каштановой почвы и чернозема, и практически не изменялось для торфяной. Доля кислоторастворимого Zn от общего количества металла в контрольных почвах была значительно выше, чем доступного: 0,19 (чернозем) < 0,22 (каштановая почва) < 0,35 (дерново-подзолистая почва) < 0,65 (торфяная). При внесении Zn в почвы доля кислоторастворимых форм элемента возросла и в среднем оказалась приблизительно одинаковой для разных почв и разных доз: 0,75 (дерново-подзолистая почва) < 0,80 (каштановая почва) «0,80 (чернозем) «0,81 (торфяная). Следовательно при анализе накопления Zn в растениях нужно принимать во внимание увеличение его количества (доли) доступного растениям в опытных вариантах по сравнению с контрольными.
В качестве критериев оценки токсического действия ТМ особый интерес представляет связь между накоплением ТМ в разных органах сельскохозяйственных культур и угнетением ростовых процессов или гибелью растений.
При выращивании салата на четырех разных почвах наблюдалась высокая вариабельность зна-
чений КН (табл. 2). 2п характеризуется высокой биологической доступностью. Значения КН растениями (в пересчете на воздушно-сухую массу) на дерново-подзолистой почве и выщелоченном черноземе > 1. Наиболее интенсивно 2п накапливался в салате на дерново-подзолистой почве, несмотря на то, что его концентрации были на порядок ниже, чем в торфе, каштановой почве и черноземе. При сопоставимых уровнях загрязнения почвы значения КН 2п в салате, выращенном на дерново-подзолистой почве, превышают аналогичные показатели для чернозема в среднем в 2,2 раза, а для торфяной низинной почвы - в 5,4 раза. Наименьшими значениями КН характеризуются растения, выращенные на темно-каштановой почве (в среднем, они в 6,3 раза меньше аналогичных показателей для дерново-подзолистой почвы и в 2,6 раза -для чернозема). Не удалось выявить зависимости между КН Zn в листьях салата-латука и массовой долей подвижного Zn в дерново-подзолистой почве и черноземе выщелоченном. Однако для торфяной низинной и темно-каштановой почв было отмечено некоторое снижение КН с ростом количества подвижного Zn в почвах (зависимость между общей концентрацией элемента в почвах и КН Zn в салате может быть описана логарифмической функцией).
Увеличение общего содержания 2п в торфе от контроля до варианта с максимальным количеством (4000 мг/кг) приводило к уменьшению значения КН в 4 раза (табл. 2), несмотря на то, что кратность превышения концентрации 2п в биомассе салата при выращивании его на торфе с максимальной дозой по сравнению с контролем составляла 23 раза.
При выращивании салата на темно-каштановой почве различия в КН для контроля и вариантов с максимальным количеством 2п не столь значительны. КН варьировал в пределах 0,29-0,70, сначала возрастая до максимального значения при минимальной дозе Zn (50 мг/кг), а затем, снижаясь до 0,29 при максимальной (1000 мг/кг). Часть природного Zn находится в почве в виде внутрисферных комплексов (с органическими, неорганическими лигандами), а также в окклюдированном виде в полуторных гидрооксидах и поэтому труднодоступна растениям. Внесенный в почву Zn, присутствуя в обменном или специфически сорбированном состоянии (в подвижной форме), более доступен растениям и легко поглощается ими из почвы.
Для каждой из исследованных почв не отмечалось достоверной зависимости между относительным содержанием подвижного Zn (%) и КН. Однако для массива данных, объединяющих относительные содержания подвижной формы Zn (%) исследованных почвах, между этим показателем и КН металла в листьях салата была установлена средняя линейная коррелятивная зависимость (г2 = 0,45). Это
2. Концентрация и коэффициенты накопления Zn в зеленой массе салата (в пересчете на об-
Доза ТМ, мг/кг Подвижный (1 M ЛсОКН4, рН 4,8 вытяжка) Кислотораствори-мый (1М ТСф Общее содержание (1:1 HNO3) Салат, листья
Среднее ± ошибка среднего, мг/кг Среднее ± ошибка среднего, мг/кг Среднее ± ошибка среднего, мг/кг Zn, мг/кг сухой биомассы Биомасса 1 растения сырая, г
Почва дерново-подзолистая супесчаная
0 7,90±0,1 13,1±0,1 27,9±1,4 48,8±10,8 7,4±2,2
25 20,3±0,2 27,9±3,6 35,8±3,5 136±3 7,5±1,3
50 39,6±1,0 45,6±0,8 60,6±1,4 154±12 7,4±0,5
100 87,7±0,1 98,6±0,8 135±5 355±32 7,6±0,5
150 103±1,2 112±2,9 169±0,2 652±102 6,1±1,7
200 161±0,2 166±0,6 222±2,8 790±98 5,8±0,4
300 230±4 242±0,3 300±0,1 913±36 2,2±0,3
Чернозем
0 3,2±2,3 5,6±0,1 30,5±0,3 44,2±0,7 15,2±0,5
50 8,9±0,1 35,6±0,5 56,8±1,2 76,4±7,3 15,6±1,3
100 27,5±0,2 82,6±0,6 124±2 160 ±54 13,0±1,8
250 90,1±0,7 190±2 223±5 249 ±13 16,7±0,4
500 211±1 375±2 374±1 672±95 8,5±0,5
750 349±1 635±9 697±41 876 ±23 4,9±2,3
1000 434±3 764±4 828±35 1165±129 1,1±0,4
Болотная торфяная низинная
0 1,4±0,1 18,3±0,7 2,37±0,24 1,14±0,12 3,3±0,9
1000 116±0,6 539±10 32,5±2,8* 0,66±0,08 9,0±0,8
1500 191±1 841±1 - - -
2000 263±3 1129±19 55,9±4,7 0,57±0,02 5,9±2,3
2500 333±5 1347±18 59,4±6,6 0,40±0,03 5,4±1,4
3000 - - 65,4±6,3 0,42±0,04 3,4±0,6
3500 - - 77,1±11,2 0,39±0,04 1,8±0,4
4000 - - 64,5±7,3 0,29±0,04 1,5±0,3
Каштановая**
0 2,1±0,8 10,0±1,6 1,55±0,18 0,44±0,05 8,2±0,9
50 13,3±0,4 49,4±1,6 4,16±0,18 0,70±0,04 10,1±1,7
100 27,9±0,5 83,1±2,9 6,73±0,77 0,64±0,08 11,0±2,0
250 83±2 180±2 8,47±0,90 0,54±0,08 16,4±1,8
500 182±3 347±1 13,3±4,2* 0,40±0,13 11,9±1,8
750 289±1 593±1 19,3±3,0 0,34±0,05 12,4±1,0
1000 402±10 814±2 21,7±6,0 0,29±0,08 8,4±0,5
* превышают допустимые уровни в свежих овощах согласно СанПиН 2.3.2.560-96 [6]; ** урожай 2012 г.
объясняется существенной ролью эдафических факторов (в данном случае - показателей состава и свойств почв) на процесс корневого поглощения Zn.
При увеличении дозы Zn его количество, переходящее в растения в абсолютном исчислении, растет, а относительно содержания подвижной формы в почве снижается в соответствии с обратно-пропорциональной зависимостью (табл. 2). Различия между КНподв. контроля и варианта с максимальной дозой Zn составляют: 1,6; 5,2; 11,6 и 13,6 раз соответственно для дерново-подзолистой почвы, чернозема, торфяной и каштановой почв (КНподв. - коэффициент накопления Zn в листьях салата-латука, пересчитанный на массовую долю подвижной формы в почве). Данный факт свидетельствует о том, что растениями задействованы биологические защитные механизмы, предохраняющие от поступления в них избыточного количества Zn (в случае высоких концентраций в
субстрате Zn становится токсикантом).
Один из вопросов при оценке риска загрязнения ТМ - выявление характера функциональной зависимости [Me]раст. =/^„0™) при изменении его содержания в почве в широком интервале. Установлено, что содержание 2п в биомассе салата увеличивалось пропорционально общему его содержанию в почве. Однако для торфяной низинной и темно-каштановой почвы эта зависимость лучше описывается логарифмической функцией (табл. 2).
При увеличении концентрации 2п до 300 мг/кг, внесенного в дерново-подзолистую почву, его содержание в салате возрастало до 913 мг/кг, что в 19 раз превышало содержание в контрольных растениях. Внесение максимальной концентрации Zn в чернозем и темно-каштановую почву приводило к превышению его содержания в контрольных растениях соответственно в 18 и 14 раз.
3. Значения критических концентраций Zn в разных почвах для салата-латука
Общее содержание Zn в почве (мг/кг), при которой наблюдается: превышение СанПиН 2.3.2.560-96
Дерново-подзолистая супесчаная Чернозем выщелоченный Темно-каштановая тяжелосуглинистая Болотная торфяная низинная
35 80 255 180
На основании полученного экспериментального материала установлены критические концентрации 2п в исследованных почвах (табл. 3), при которых биомасса салата будет содержать количество металла, превышающие значение СанПиН 2.3.2.560-96 для свежих овощей - 10 мг/кг. К сожалению, в действующем СанПиН 2.3.2.1078-01 допустимые уровни содержания 2п в пищевых продуктах (в том числе -в свежих овощах) были не уточнены, а просто исключены из перечня контролируемых показателей.
Таким образом, существующие гигиенические нормативы уровней содержания ТМ в почвах (ГН 2.1.7.2511-09) позволяют «...дифференцированно подходить к оценке эколого-гигиенического состояния почв, расположенных в различных регионах России». Однако установленные в этих документах значения ОДК (ПДК) ТМ часто не соответствуют реалиям, наблюдающимся в
практике земледелия. Так, из перечня объектов нормирования почему-то выпали органогенные почвы (торфяные), являющиеся важной частью сельскохозяйственных угодий (пастбища). Кроме того, поскольку ОДК ТМ в почвах устанавливаются расчетным путем на основании всего лишь одного лимитирующего показателя - перехода (транслокации) ТМ в хозяйственно-ценную часть урожая, то возможны серьезные искажения реальной картины опасности загрязнения сельскохозяйственных угодий ТМ. В целом же, полученные результаты позволяют уточнить особенности транслокации 2п в хозяйственно-ценную часть салата для разных почв и могут быть полезными при последующем пересмотре нормативов содержания 2п в почвах не только в зависимости от величины рН и гранулометрического состава, но и в зависимости от типа почвы.
Литература
1. Журбицкий З.И. Теория и практика вегетационного метода. - М.: Наука, 1968. - 260 с.
2. Агрохимические методы исследования почв. - М.: Наука, 1975. - 656 с.
3. Методические указания по определению тяжелых металлов в почвах сельхозугодий и продукции растениеводства. Изд-е 2-е. - М.: ЦИНАО, 1992. - 62 с.
References
1. Zhurbitsky Z.I. Theory and practice of vegetative method. - М.: Science, 1968. - 260 p.
2. Agrochemical methods of soil research. - М.: Science, 1975. - 656 p.
3. Methodical manuals for heavy metals identification in soils and plant production output. - 2nd edition. - M.: CINAO, 1992. - 62 p.
МОСКОВСКАЯ МЕЖДУНАРОДНАЯ ЛЕТНЯЯ ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ШКОЛА - MOSES 2014
С 1 по 12 июля 2014 г. в РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева на базе кафедры экологии и Лаборатории агроэкологического мониторинга, моделирования и прогнозирования экосистем прошла V Московская Международная летняя школа «Агроэкологический менеджмент и инжиниринг», собравшая около 100 человек из российских вузов, аграрных вузов СНГ и стран дальнего зарубежья (Индии, Сербии, Монголии, Замбии, Египта, Бенина), а также молодых ученых и студентов РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева.
MOSCOW INTERNATIONAL SUMMER SCHOOL - MOSES-2014
1-12 of July, 2014 in Russian Timiryazev State Agrarian University at Ecology Department and Laboratory of Agroecological Monitoring, Modelling and Prediction of Ecosystems has been organized V Moscow International Summer School «Agroecological Management and Engineering» MOSES-2014, which collect approximately 100 participants from Russian HEIs, agrarian HEIs of CIS countries and India, China, Serbia, Mongolia, Zambia, Egypt, Benin universities, and young scientists of Russian Timiryazev State Agrarian University.
