Цинк, свинец и кадмий в системе торфяная низинная почва - растение при полиэлементном загрязнении Текст научной статьи по специальности «Экологические биотехнологии»

АГРОЭКОЛОГИЯ

ЦИНК, СВИНЕЦ И КАДМИИ В СИСТЕМЕ ТОРФЯНАЯ НИЗИННАЯ ПОЧВА - РАСТЕНИЕ ПРИ ПОЛИЭЛЕМЕНТНОМ ЗАГРЯЗНЕНИИ

А.А. Уткин, к.с.-х.н., Санкт-Петербургский ГАУ

Установлены особенности почвенного и растительного антагонизма и синергизма между цинком, свинцом и кадмием при полиэлементном загрязнении торфяной низинной почвы. При этом характер изучаемых явлений во многом определялся концентрацией и соотношением металлов в почве.

Ключевые слова: торфяная низинная почва, растение, тяжелый металл, цинк, свинец, кадмий, антагонизм, синергизм, полиэлементное загрязнение.

Общеизвестно, что в настоящее время почти повсеместно металлический токсикант находится в почве в совокупности с другими тяжелыми металлами (ТМ). Присутствие в почвах избыточных концентраций таких ТМ, как цинк, свинец и кадмий, относящихся к приоритетным экотоксикантам (1 класс опасности) [13], обнаружено во многих почвах. С каждым годом доля загрязненных почв увеличивается, что создает опасность полного или частичного вывода таких земель из сельскохозяйственного использования.

Вопрос об антагонизме и синергизме между ТМ при их поступлении в растения из минеральных почв исследован очень слабо, но крайне немногочисленные результаты экспериментов свидетельствуют о его особой важности. В литературе представлены некоторые данные по исследованию совместного поступления цинка, свинца и кадмия в растения из торфяных низинных почв [3], при этом обнаружены значительные отличия в параметрах накопления ТМ растениями из органогенных и минеральных почв. Исходя из этого для более полного изучения механизмов совместной миграции ТМ в системе торфяная низинная почва - растение необходим ряд дополнительных экспериментов, учитывающих количественный и качественный характер загрязнения почвы экотокси-кантами, видовой состав растительности, агрохимические свойства почвы и др.

Целью исследования явилось определение основных закономерностей сочетанного взаимодействия металлов при их переходе из торфяной низинной почвы в растения для дальнейшего прогнозирования загрязнения растительной продукции.

Методика. Объектом наших исследований являлась торфяная низинная почва. Агрохимическая характеристика почвы: зольность - 10,5 %; степень разложения - 45-50 %; рН (водн.) 5,3; рН (сол.) 5,0; Нг = 37,5 мг-экв/100 г почвы; 8 = 270 мг-экв/100 г почвы; V = 87,8 %; СаО и МвО - 3,1 и 0,1 % соответственно; подвижные формы К-ЫН4, Р2О5 и К2О - 22,1, 21,3 и 46,0 мг/100 г почвы. Фоновое (валовое) содержание 2и, РЬ и Cd - 39,55, 19,01 и 0,08 мг/кг почвы соответственно. Анализы торфяной низинной почвы были выполнены по принятым в агрохимической практике методикам [5]. Торфяная низинная почва по основным агрохимическим показателям характеризуется как почва достаточно высокого уровня плодородия. Концентрации валовых форм соединений цинка, свинца и кадмия в исследуемой почве не превышают фоновых значений таковых для торфяных почв и установленных уровней величин ПДК металлов [8, 9].

С каждого одноименного варианта из трех повторностей составлялась общая проба почвы и растений. Подвижные соединения ТМ в «нативной» и загрязненной торфяной почве определяли на атомно-абсорбционном спектрометре (в вытяжке ацетатно-аммонийного буфера с рН 4,8) при соотношении торфяной почвы к раствору как 1:20. Фоновые концентрации цинка, свинца и кадмия в почве и растениях - методом сухого озоления [6].

Имитация искусственного загрязнения ТМ создавалась за счет внесения в торфяную почву одновременно с удобрения-

ми водных растворов следующих солей: 3CdS048H20, PbSO4, ZnS047H20 на фоне NPK-компонента. Минеральные удобрения были внесены в виде NH4N03, Ca(HP04)2 и KCI в количествах 0,15; 0,2 и 0,1 г д. в./кг почвы соответственно (согласно существующим рекомендациям для вегетационных опытов) [1].

Схема опыта включала 8 вариантов. Повторность опыта -3-х кратная. Модельный вегетационный опыт проводили в пластиковых сосудах емкостью 250 мл. Масса воздушно-сухой почвы в сосудах составила 90 г. Исследуемым растительным объектом служила тимофеевка луговая сорта Ленинградская 204. Посев семян тимофеевки луговой проводили с нормой высева 0,2 г/сосуд. Уборку растений проводили на 46 день вегетации. По содержанию ТМ в растениях рассчитывали коэффициенты их накопления: К.Н. = 1/n, где 1 - концентрация элемента в растениях, n - концентрация элемента в торфяной низинной почве.

Данные учета урожайности и аналитические результаты почвенных и растительных образцов подвергались математической обработке в программе MS Excel 97 корреляционно-регрессионным анализом и с использованием статистической программы «DIANA».

Результаты. Во 2 и 3 опытных вариантах с двусторонним внесением ТМ наблюдалось достоверное увеличение массы растений по отношению к контролю (табл. 1).

1. Изменение биомассы тимофеевки луговой на фоне различных сочетаний и концентраций Zn, Pb и Cd в торфяной низинной почве

Концентрация TM в почве, мг/кг абс. сух. Возд. сух.

№ почвы масса рас-

вар. Zn Pb Cd тений, г/сосуд*

1 Контроль - NPK 0,66

2 70 35 - 0,86

3 70 - 7,5 0,98

4 - 35 7,5 0,67

5 70 35 7,5 0,60

6 70 35 15 0,69

7 70 70 7,5 0,56

8 140 35 7,5 0,50

НСР05 0,17

* - среднее значение из 3-х повторений

Предположительно, это явилось следствием влияния серы, входящей в состав внесенных в торфяную почву солей ТМ, что могло сказаться на улучшении минерального питания растений, а также проявлением у растений ответной реакции на стрессовую ситуацию, вызванную увеличением концентрации металлов в почвенном растворе, и как следствием этого включением защитных механизмов, способствующих усилению обмена веществ и увеличению биомассы.

В ряде случаев (5, 7 и 8 вар.) отмечалось отрицательное влияние ТМ на формирование биомассы растений с проявлением фитотоксического эффекта, при котором масса опытных растений снижалась более чем на 10 % по отношению к массе контрольных растений [13]. Эффект усиливался с увеличением общего уровня химической нагрузки поллютантов через почву на растения (табл. 1).

Установлена средней тесноты корреляционная зависимость (г= -0,39) прямолинейного характера между суммарным содержанием валовых форм соединений (с учетом фонового содержания) металлов в почве и массой тимофеевки. По мнению ряда авторов, характер взаимного влияния элементов (синергизм и антагонизм) обусловлен обоими компонентами

48

This document was created using

Плодородие №3*2009

Solid Converter PDF

системы почва - растение [14]. Результаты нашего эксперимента, позволяют выделить два различных явления, изменяющих транслокацию техногенных микроэлементов при переходе от моно- к полиэлементному загрязнению. Во-первых, это почвенный антагонизм, проявляющийся в конкуренции катионов металлов за адсорбционные места почвенных компартментов. Вследствие этого возрастает и подвижность элементов-загрязнителей.

В качестве второго явления, регулирующего переход ТМ, можно рассматривать антагонизм и синергизм при поглощении корнями растений. В контрольном варианте опыта и в вариантах с искусственным загрязнением почвы ТМ самая высокая подвижность установлена для кадмия (табл. 2), подвижность цинка в целом несколько ниже и самой низкой оказалась подвижность свинца, возможно, в виду более прочного закрепления его в основном гумусовыми веществами торфяной почвы. Подтверждение нашим данным можно найти в других работах, где характер подвижности этих металлов уменьшался в ряду Cd > 2и > РЬ [3, 4, 7, 13].

Загрязнение почвы кадмием совместно с цинком (3 вар.) приводило к повышению в 1,06 раза степени подвижности последнего, а со свинцом, наоборот, к его незначительному закреплению (2 вар.). Возможно, в данном случае могли происходить конкурентные взаимоотношения между катионами с различными почвенными компонентами. При этом свинец выступал как антагонист цинка и обладал большим химическим сродством по отношению к органической части торфяной низинной почвы.

При биэлементном загрязнении почвы кадмием и свинцом (4 вар.) концентрация подвижных соединений свинца в почве возрастала в 1,44 раза по сравнению с подвижностью свинца при совместном его нахождении в почве с цинком (2 вар.). В данном случае кадмий выступал как антагонист свинца, вытесняя его в почвенный раствор с твердой фазы почвы.

Одновременное присутствие в почве цинка и кадмия (3 вар.) вызывало возрастание подвижности соединений последнего в 1,41 раза по сравнению с его подвижностью в почве совместно со свинцом (4 вар.). Следовательно, цинк препятствовал интенсивному взаимодействию кадмия с почвой и образованию прочносвязанных соединений.

2. Концентрация подвижных форм соединений ТМ в торфяной низинной почве, мг/кг, с учетом фонового содержания ТМ в почве

Степень Степень Степень

№ вар. Zn подвижности, % Pb подвижно-сти, % Cd подвижно-сти, %

1 11,52 29,12 4,25 22,35 0,05 62,50

2 48,96 44,69 8,38 15,51 - -

3 52,08 47,53 - - 7,00 92,32

4 - - 12,07 22,34 4,95 65,28

5 55,20 50,38 8,86 16,40 6,54 86,25

6 51,12 46,67 10,17 18,83 9,63 63,85

7 48,96 44,70 27,48 30,87 6,37 84,01

8 94,56 52,67 12,33 22,83 6,51 85,86

r (ТМ вал./ТМ 0,99 0,90 0,95

подв.)

3 вар. Увеличение вдвое доли присутствия кадмия в почве (6 вариант) привело к значительному уменьшению в 1,35 раза его подвижности наряду с цинком и некоторому увеличению активности соединений свинца по сравнению с 5 вар. Загрязнение почвы свинцом в концентрации 70 мгРЬ/кг (7 вар.) отразилось на увеличении в 1,90 раза подвижности свинца в почве и на снижении перехода соединений цинка и кадмия в соединения подвижных форм вытесняемых раствором ААБ с рН 4,8. Повышение концентрации цинка в почве (8 вар.) почти не вызывало существенного изменения в подвижности как самого цинка, так и кадмия, но увеличило в 1,40 раза степень подвижности соединений свинца в почве по сравнению с 5 вар.

Одним из существенных показателей качества растениеводческой продукции, выращенной на загрязненных почвах, является содержание в ней ТМ обладающих высоким токсичным эффектом действия на живые организмы. Концентрация цинка и свинца в растениях тимофеевки контроля отличается несколько завышенным содержанием по сравнению с их фоновым уровнем концентрации (20-45 и 0,1-5,0 мг/кг соответственно) в большинстве растений, выращенных на незагрязненных металлическими токсикантами почвах. Концентрация кадмия в тимофеевке соответствует усредненному содержанию в растениях (0,05-0,2 мг/кг) [13].

Сравнение концентраций цинка, свинца и кадмия в растениях тимофеевки с величинами их ПДК в кормах для сельскохозяйственных животных показало следующее: во всех вариантах опыта, в том числе и контроле, растения тимофеевки содержали цинк в концентрациях, превышающих ПДК (50,0 мг/кг сух. массы растений) в 1,09-2,19 раза (табл. 3). Таким образом, выращивание тимофеевки даже на «чистых» торфяных низинных почвах нежелательно, в противном случае оно должно обязательно сопровождаться мероприятиями, направленными на снижение подвижности цинка в почве.

3. Концентрации и особенности накопления Zn, Pb и Cd тимофеевкой луговой из торфяной низинной почвы, мг/кг, с учетом

N° вар. 1 Zn К.Н. Pb К.Н. Cd К.Н.

1 54,61 1,38 5,71 0,30 0,05 0,62

2 78,23 0,71 2,11 0,04 - -

3 89,58 0,82 - - 1,55 0,20

4 - - 5,40 0,10 2,31 0,30

5 72,80 0,66 4,26 0,08 0,72 0,09

6 93,98 0,85 6,39 0,12 1,23 0,08

7 109,34 1,00 6,38 0,07 1,01 0,13

8 100,00 0,56 6,77 0,12 0,80 0,10

В нашем случае конкурентные взаимоотношения между катионами цинка, свинца и кадмия (5-8 вар.) выражаются в еще более сложной форме, чем только при двустороннем загрязнении почвы металлами, что подтверждается в исследованиях других авторов [14]. Полиэлементное загрязнение почвы кадмием наряду с цинком и свинцом (5 вар.) приводило к увеличению в 1,13 и 1,05 раза подвижности в почве цинка и свинца соответственно по сравнению со 2 вар. Внесение в почву цинка вызывало трансформацию подвижных соединений свинца в менее подвижные в 1,36 раза, а кадмия, наоборот, в более подвижные в 1,32 раза по отношению к 4 вар. опыта. Добавление в почву свинца вместе с цинком и кадмием отражалось на повышении и снижении подвижности их соединений в 1,06 и 1,07 раза соответственно по сравнению с

Что касается свинца, то растения тимофеевки в отличие от цинка, эффективнее сопротивлялись его проникновению из торфяной почвы в надземные органы, возможно за счет усиления барьерных функций корней и инактивации органическими соединениями корневых выделений [9, 12, 14]. В данном случае это обстоятельство можно рассматривать с положительной стороны. Однако большая часть растений содержала свинец в таких количествах, которые превышали допустимую концентрацию (ПДК 5,0 мг/кг) в 1,08-1,35 раза.

Выращивание тимофеевки на незагрязненной торфяной почве делает ее продукцию пригодной по содержанию в ней кадмия для скармливания сельскохозяйственным животным. Однако растения тимофеевки опытных вариантов уже содержали кадмий в 2,4-7,7 раза больше, чем установлено ПДК (0,03 мг/кг) металла в растительных кормах.

Наиболее интенсивно накопление ТМ растениями, судя по величине коэффициента накопления, происходило из незагрязненной почвы. При загрязнении почвы ТМ отмечалась общая тенденция относительного снижения величин (К.Н.), особенно в вариантах с двойными концентрациями. Накопление растениями кадмия при загрязнении им почвы приводило к увеличению аккумуляции цинка тимофеевкой (3 вар.) по сравнению с его накоплением на фоне загрязнения почвы свинцом (2 вар.) в 1,15 раза. На фоне загрязнения почвы кадмием (4 вар.) концентрация свинца в тимофеевке возрастала в

Плодородие №3*2009

This document was created using

Solid Converter PDF

49

2,56 раза по сравнению с накоплением свинца из почвы совместно с цинком (2 вар.). Загрязнение торфяной почвы свинцом (4 вар.) вызывало усиление накопления кадмия растениями в 1,49 раза из почвы в отличие от накопления его из почвы вместе с цинком (3 вар.), а увеличение поглощения свинца растениями происходило только в присутствии кадмия, а не цинка. В этом случае отчетливо проявлялось синер-гетическое действие между свинцом и кадмием, что находит подтверждение в других исследованиях [2].

Сочетанное присутствие в почве кадмия вместе с цинком и свинцом (5 вар.) приводило к снижению и увеличению в 1,07 и 2,01 раза накопления растениями цинка и свинца соответственно по сравнению со 2 вар. В свою очередь внесение в почву цинка уменьшало проникновение в тимофеевку свинца в 1,27 раза и особенно кадмия в 3,20 раза по сравнению с 4 вар. Подобным образом происходило снижение накопления растениями цинка в 1,23 раза и кадмия в 2,15 раза в смеси со

свинцом по сравнению с 3 вар. Увеличение концентрации Cd в почве (6 вар.) значительно способствовало повышению накопления растениями РЬ в 1,5 раза и в меньшей степени в 1,29 раза 2и по сравнению с 5 вар. Удвоение концентрации цинка в почве (8 вар.) вызывало повышение поступления РЬ и Cd в растения в 1,59 и 1,11 раза соответственно относительно их накопления растениями 5 вар. Отмеченная нами особенность взаимодействия цинка со свинцом и кадмием выявлена в работах ранее [10, 11]. Повышение вдвое начальной концентрации РЬ в почве (7 вар.) отразилось на увеличении аккумуляции 2и и Cd растениями в 1,50 и 1,40 раза соответственно по сравнению с накоплением их растениями 5 вар.

Изменение концентраций валовых и подвижных форм соединений каждого из металлов в почве сильнее сказывалось на изменении накопления растениями цинка, затем кадмия и в меньшей степени свинца, на что указывают рассчитанные коэффициенты корреляции (табл. 4).

0,67 0,71 0,82 0,86 0,72 0,62 0,37 0,12 0,20 0,18 0,21 0,23 0,44 0,48 0,43 0,46 0,27 0,40

Переход цинка из почвы в растения тимофеевки также зависел от присутствия в почве свинца и кадмия. Совокупное нахождение в почве цинка или кадмия со свинцом не оказывало сколько-либо заметного влияния на формирование в растениях концентрации свинца. В большей степени концентрация кадмия в растениях определялась самим кадмием, цинком и свинцом.

На основании проведенного анализа представленных данных можно заключить, что немалую роль в явлениях почвен-но-растительного антагонизма и синергизма между химическими элементами играют их концентрации и соотношения в торфяной низинной почве. Литература

1. Журбицкий З.И. Теория и практика вегетационного опыта. М.: Наука, 1986. 266 с. 2. Кабата Пендиас А., Пендиас Х. Микроэлементы в почвах и растениях. М.: Мир, 1989. 439 с. 3. Каплунова Е.В. Трансформация соединений 7п, РЬ и Cd в почвах: Автореф. канд. дисс. М.: 1983. 20 с. 4. Ларгин И.Ф., Приемская С.Е., Мокроусова И.В. О геохимической подвижности макро - и микроэлементов в торфяных залежах. Сб. статей: Исследования торфяных месторождений. Калинин, 1975. С. 54. 5. Методические указания по анализу торфа и торфяной продукции для сельского хозяйства. Л.: 1980. 83 с. 6. Методические указания по определению тяжелых металлов в почвах сельхозугодий и продукции растениеводства (издание 2-е). Министерство

сельского хозяйства РФ, ЦИНАО. М.: 1992. 61 с. 7. Обухов А.И., Плеханова И.О. Детоксикация дерново-подзолистых почв, загрязненных тяжелыми металлами: теоретические и практические аспекты //Агрохимия. 1995. №2. С. 108-116. 8. Предельно-допустимые концентрации (ПДК) химических веществ в почвах и допустимые уровни их содержания по показателям вредности (по состоянию на 01.01.1991). М.: Госкомприрода СССР, № 02 - 2333 от 10.12.90. 9. Соколов О.А., Черников В.А. Экологическая безопасность и устойчивое развитие. Книга 1. Атлас распределения тяжелых металлов в объектах окружающей среды. Пущино, ОНТИ ПНЦ РАН, 1999. 164 с. 10. Степанок В.В. Влияние высоких доз свинца на элементный состав растений //Агрохимия. 1998. №7. С. 69-76. 11. Степанок В.В. Влияние сочетания соединений тяжелых металлов на урожай сельскохозяйственных культур и поступление тяжелых металлов в растения //Агрохимия. 2000. №1. С. 74-80. 12. Тиво П.Ф., Быцко И.Г. Тяжелые металлы и экология. Мн.: Юнипол, 1996. 192 с. 13. Тяжелые металлы в системе почва-растение-удобрение./Под общей ред. М.М. Овчарен-ко. М.: ЦИНАО, 1997. 290 с. 14. Фатеев А.И., Мирошниченко Н.Н., Самохвалова В.Л. Миграция, транслокация и фитотоксичность тяжелых металлов при полиэлементном загрязнении почвы //Агрохимия. 2001. №3. С. 57-61. 15. Лицуков С.Д., Акинчин А.В. Агроэкологиче-ские особенности возделывания овощных культур на почвах, загрязненных тяжелыми металлами. //Достижения науки и техники АПК. -2008.-№9.- С 17-19.

Zinc, lead, and cadmium in the low-moor peat soil-plant system under polyelement contamination

A.A. Utkin

St. Petersburg State Agrarian University, Peterburgskoe sh. 2, Pushkin, St. Petersburg, 196601 Russia Summary. Features of antagonism and synergism between zinc, lead, and cadmium in soil and plants were established at the polyelement contamination of low-moor peat soil. The nature of the phenomena under study was largely determined by the concentrations and proportions of metals in the soil.

Key words: low-moor peat soil, plant, heavy metal, zinc, lead, cadmium, antagonism, synergism, polyelement contamination

5D

Плодородие №3*2009

Solid Converter PDF

This document was created using