CC BY
142
УДК 574.24:581.19 Т.С. Бородулина, В.И. Полонский
ВЛИЯНИЕ НЕФТЕЗАГРЯЗНЕНИЯ ПОЧВЫ НА ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
РАСТЕНИЙ ПШЕНИЦЫ
В вегетационных опытах изучено влияние различных концентраций нефти в почве на физиологические процессы пшеницы. Установлено, что значения показателей площади листьев и надземной части биомассы растений пшеницы снижаются при увеличении концентрации поллютанта от 0,3 до 6 г/кг. Зарегистрировано значительное уменьшение показателей роста и водного режима пшеницы при максимальном уровне нефтезагрязнения почвы (6 г/кг), исследуемом в данной работе. Отмечено возрастание ингибирования процесса транспирации в течение вегетации.
Ключевые слова: нефть, почва, пшеница, длина и площадь листьев, биомасса, количество зерен в колосе, длина колоса, количество побегов, транспирация.
T.S. Borodulina, V.I. Polonsky SOIL OIL POLLUTION INFLUENCE ON THE WHEAT PLANT PHYSIOLOGICAL CHARACTERISTICS
The influence of various oil concentrations in soil on the wheat physiological processes is studied through the vegetation experiments. It is determined, that the indices of leaf surface and wheat plant biomass elevated part decrease at pollutant concentration increase from 0,3 to 6 g/kg. Significant decrease of growth and wheat water regime indices at the maximum level of soil oil pollution (6 g/kg), researched in the work is recorded. Transpiration process inhibition increase during vegetation is registered.
Kew words: oil, soil, wheat, leaf length and surface, biomass, grain number in the ear, ear length, shoot number, transpiration.
Введение
Нефть и ее персистентные компоненты являются приоритетными загрязнителями окружающей среды, в том числе и почвы [22]. Поступая в почву, они ухудшают ее биологические, химические и физические свойства [3, 6, 11,
12, 16]. Нефтезагрязнение окружающей среды сопровождается сильным негативным воздействием на растения [2,
5, 19, 20], вследствие изменения физико-химических свойств почвы, главным образом из-за увеличения гидро-фобности и заполнения нефтью почвенных капилляров и прямого токсического действия углеводородов нефти (фитотоксичности) [3, 5, 17].
Согласно результатам исследования Н.А. Киреевой с соавторами [8], урожай вико-ячменной смеси при первоначальной дозе загрязнения почвы нефтью 8 л/м2 снизился по сравнению с контрольным вариантом в 1,5 раза, а при дозах 16 и 25 л/м2 - в 3,2 и 6 раз соответственно. По данным В.М. Назарюка с коллегами [10], загрязнение почвы нефтью (1% нефти от общей массы почвы) негативно отразилось на величине урожайности зерновых культур. В загрязненном поллютантом варианте опыта корневая система овса была развита хуже, чем у растений контрольного варианта. Урожай зерна овса снизился более чем в три раза, а на второй год у культуры ячменя он практически выровнялся между контролем и вариантом при содержании нефти 1% от массы почвы.
Как известно, одной из наиболее чувствительных реакций растительного организма в ответ на воздействие практически любого стресс-фактора является водный режим, с которым тесно связаны линейные характеристики роста, обусловленные эффективностью прохождения фазы растяжения клеток [14]. По всей вероятности, амплитуда этой реакции в течение вегетации будет изменяться. С одной стороны, исходя из общих сведений об адаптации, уровень устойчивости организма в онтогенезе, как правило, возрастает, что должно уменьшать величину этой амплитуды [18]. С другой стороны, в экспериментах с выращиванием пшеницы в условиях низких концентраций в почве показано прогрессирование с возрастом растений негативной реакции роста листьев в длину [13]. В доступной литературе данных, посвященных изучению показателей водного режима растений в динамике при условиях низких уровней нефтезагрязнения, нам встретить не удалось.
Целью настоящей работы являлось исследование влияния различных концентраций нефти в почве на интегральные физиологические характеристики растений, связанные с ростом и водным режимом.
Объекты и методы исследования
В качестве модельного объекта исследования использовали яровую пшеницу. При проведении вегетационного опыта почву очищали от растительных остатков и корней и заполняли ею вегетационные (пластмассовые) сосуды емкостью 3 л. В экспериментах на поверхность почвы вносили эмульсию нефти в воде в концентрациях 0 (контроль); 0,3; 1; 3 и 6 г/кг. Семена пшеницы проращивали в чашках Петри и высевали в сосуды. В каждом вегетационном сосуде находилось по 10 растений пшеницы. Повторность трехкратная.
Пшеницу выращивали в остекленной теплице в течение 40 суток. С помощью периодического взвешивания вегетационных сосудов влажность почвы в них поддерживали на уровне 60% полной влагоемко-сти. Параллельно измеряли скорость испарения влаги из сосудов с почвой с аналогичными концентрациями нефти, но без растений. На основании полученных данных определяли динамику интенсивности транспирации пшеницы. После завершения опытов проводили учет высоты и сухой биомассы растений, измерение длины, площади листовых пластинок и их толщины, определение количества побегов у растений, количества зерен в колосе и длины колоса.
Результаты обработаны статистически с помощью пакета программ Microsoft Excel 2003.
Результаты и их обсуждение
При увеличении концентрации нефти в почве была выявлена тенденция к закономерному уменьшению толщины листа-флага (табл. 1).
Таблица 1
Ростовые показатели пшеницы при разных уровнях нефтезагрязнения почвы (значения в колонках с разными буквами существенно различаются между собой при Р<0,05)
Концентрация нефти, г/кг Толщина листа-флага, мкм Площадь листьев главного побега 1 растения, см2 Содержание воды в надземной части биомассы, % Сухая масса надземной части 10 растений, г
0 135±10,2а 45,4±0,9а 80,3±0,2а 2,6±0,2а
0,3 а +1 31 49,8±0,7б 78,3±0,2б 2,6±0,2а
1,0 129±8,6а 45,8±1,1а 79,4±1,2аб 2,0±0,2а
3,0 119±8,4а 37,6±0,8в 79,9±0,7аб 1,6±0,1б
6,0 а +1 32,9±0,5г 75,5±0,6в 1,2±0,1в
При уровне загрязнения почвы поллютантом 3-6 г/кг регистрировалось существенное снижение площади листьев главного побега (на 28%) и двукратное уменьшение надземной части биомассы растений. При этом наблюдалось падение содержания воды в листьях и побегах, особенно заметное при максимальном уровне нефти в почве. В условиях данной концентрации нефти отмечено снижение роста листьев в длину (табл. 2). Интересно, что достоверная реакция начиналась только со второго листа.
Следует отметить, что присутствие поллютанта в почве в использованных концентрациях никак не влияло на темпы развития растений пшеницы: фаза колошение во всех вариантах наступила в один срок -на 35 сутки вегетации. Из данных, представленных в таблице 3, можно видеть, что достоверного снижения показателей потенциальной продуктивности растений не отмечалось. Исключение составляла длина колоса при максимальном уровне нефтезагрязнения.
Таблица 2
Влияние нефтезагрязнения почвы на рост листовых пластинок пшеницы в длину
(значения в колонках с разными буквами существенно различаются между собой при Р<0,05)
Концентрация нефти, г/кг Длина первого листа, см Длина второго листа, см Длина третьего листа, см Длина четвертого листа, см Длина пятого листа, см Длина шестого листа, см
0 21,6±1,1а 29,2±1,4а 37,0±1,6а 35,0±1,2а 26,9±1,1а 16,7±0,7а
0,3 20,6±0,9а 28,4±1,3а 38,6±1,5а 31,8±1,2аб 25,6±0,8аб 17,7±1,1а
1 22,8±1,1а 17,7±1,1в 35,1±1,6аб 30,7±1,0аб 23,8±1,0аб 17,0±1,1а
3 19,6±0,9а 25,7±1,0аб 32,7±1,4аб 29,1±0,9бв 22,9±0,7аб 16,9±0,8а
6 17,9±0,9а 23,2±0,8б 29,6±1,5б 25,7±0,9в 20,9±1,5б 14,6±0,9а
Таблица 3
Влияние нефтезагрязнения почвы на показатели потенциальной продуктивности пшеницы
(значения в колонках с разными буквами существенно различаются между собой при Р<0,05)
Концентрация нефти, г/кг Высота растения, см Общее количество побегов, шт/растение Количество зерен в колосе главного побега, шт. Длина колоса главного побега, см
0 41±2,7а 1,2±0,2а 32±2,8а 5,5±0,3а
0,3 40±2,4а 1,0±0,2а 38±2,1а 6,1±0,4а
1,0 33±3,8а 1,9±0,4а 36±3,0а 5,6±0,6а
3,0 36±2,8а 1,3±0,2а 30±1,5а 6,4±0,3а
6,0 30±3,5а 1,1±0,2а 27±2,3а 3,9±0,3б
Показатель интенсивности испарения воды из сосудов с почвой без растений в вариантах с внесением нефти практически не отличался от контроля за исключением варианта с максимальным уровнем нефтезагрязне-ния (рис. 1). В течение вегетации в случае контроля интенсивность транспирации закономерно повышалась по классической кривой большого роста (рис. 2). Что касается вариантов опыта, то даже малое добавление нефти в сосуды сопровождалось снижением скорости транспирации. При этом в течение вегетации отмечалось нарастающее отставание указанного физиологического показателя в вариантах опыта от контроля.
6 15 24 32 40
Время, сутки
Рис. 1. Динамика интенсивности испарения воды из почвы вегетационных сосудов без растений:
1- контроль; 2,3,4,5 - варианты опыта с концентрацией нефти соответственно 0,3; 1,0; 3,0; 6,0 г/кг
сухой почвы
Рис. 2. Возрастная динамика интенсивности транспирации пшеницы: 1 - контроль; 2,3,4,5 - варианты опыта с концентрацией нефти соответственно 0,3; 1,0; 3,0; 6,0 г/кг сухой почвы
В работе показано ингибирование физиологических показателей пшеницы при концентрации нефти от 1 до 6 г/кг. Согласно данным ряда литературных источников, снижение роста и развития пшеницы обычно происходит при более высоких концентрациях нефти в почве. Так, В.Н. Седых и Л.А. Игнатьева [14] установили, что содержание нефти на уровне 1% от массы почвы вызывало торможение роста пшеницы от фазы 1-го настоящего листа до фазы трубкования относительно контроля примерно на 40%. Концентрация поллютанта в пределах 3-5% оказывала значительное ингибирующее влияние на рост этой культуры. Причем такие концентрации нефти сдерживали не только рост растений, но и их развитие. Если опытные растения пшеницы находились в фазе кущения, то контрольные переходили уже в фазу выхода в трубку.
По данным Н.А. Киреевой с коллегами [9], при загрязнении нефтью темно-серой лесной почвы в концентрации 1% от массы почвы происходило увеличение ассимиляционной поверхности растений яровой пшеницы (на 16% превышало контроль), повышалась водоудерживающая способность тканей, возрастало содержание хлорофилла в листьях (на 11% по сравнению с контролем). Отмечено стимулирующее действие нефти в данной концентрации на накопление сырой биомассы, которая на 8% превысила показатели контрольного варианта. В полевых опытах количество колосков у пшеницы резко снижалось уже при минимальной дозе нефти. С увеличением содержания нефти в почве уменьшалась величина урожая зерна и содержания в нем сырого протеина.
Такое расхождение в действии нефти в различных концентрациях на растения пшеницы можно объяснить как различным составом нефти (который зависит от места ее добычи), так и глубиной вегетационных сосудов, в которых выращивали объекты исследования. По некоторым данным [19], полная гибель травостоя происходила при утечке 1,1 л/ м2, или содержании 0,5 % нефти в 15 см слое почвы. Поскольку исследования ряда авторов проводились в основном в полевых условиях, можно предположить, что именно поэтому растения в их опытах оказались устойчивые к более высоким уровням нефтезагрязнения почвы [15].
В лабораторных экспериментах на 4-суточных проростках пшеницы показана существенная стимуляция роста корней и побегов (по длине и массе) в условиях искусственного нефтезагрязнения почвы от 3 до 6 г/кг, при этом ингибирование ростовых процессов отмечалось только при концентрации поллютанта 9 г/кг и выше [1]. В настоящих исследованиях, выполненных на взрослых растениях, отрицательная реакция на присутствие нефти в корнеобитаемой среде, оцененная по интегральным характеристикам роста и водного режима, начиналась при значительно меньшем содержании поллютанта, чем в цитируемой работе. При этом угнетение роста листьев в длину происходило, начиная только со второго яруса, т.е. было отсрочено во времени (табл. 3).
В литературе была высказана мысль о кумулятивном механизме длительного действия нефти на растения пшеницы [13]. Логично допустить, что нарастающее в онтогенезе отрицательное влияние нефти
на растения может быть обусловлено либо снижением уровня устойчивости организмов, либо прогрессирующим повреждающим действием поллютанта. Последнее может представлять, во-первых, физический механизм (усиливающийся дефицит кислорода, воды, минеральных элементов вследствие образования гидрофобной пленки на корнях) и, во-вторых, фитотоксический эффект (вследствие накопления в растениях ядовитых соединений, которые образует в корнеобитаемой среде развивающаяся специфическая микрофлора). В пользу первого свидетельствует увеличивающийся в последней трети вегетации разрыв в интенсивности транспирации между контролем и вариантами опыта (см. рис. 2). О втором могут говорить литературные данные учета изменения комплекса микромицетов в направлении увеличения доли фитотоксичных видов и стимулирования образования ими фитотоксинов [7].
Литература
1. Бородулина Т.С., Полонский В.И. Влияние нефтезагрязнения почвы на прорастание семян пшеницы и салата // Проблемы развития АПК Саяно-Алтая: мат-лы межрегион. науч.-практ. конф. Ч. 2. - Абакан: Хакасское кн. изд-во, 2009. - С. 78-81.
2. Гашева М.Н., Гашев С.Н., Соромотин А.В. Состояние растительности как критерий нарушенности лесных биоценозов при нефтяном загрязнении // Экология. - 1990. - № 2. - С. 77-78.
3. Горникова С.В., Середина П.В. Влияние нефти на физико-химические свойства почв нефтегазоносных районов Томского Севера. - Томск, 1985. - 34 с.
4. Роль почвенной микробиоты в рекультивации нефтезагрязненных почв / В.С. Гузев [и др.] // Микроорганизмы и охрана почв. - М.: Изд-во МГУ, 1989. - С. 121-150.
5. Демидиенко А.Я., Демурджан В.М., Шеянова А.Д. Изучение питательного режима почв, загрязненных нефтью // Агрохимия. - 1983. - № 9. - С. 100-103.
6. Илларионов С.А. Экологические аспекты восстановления нефтезагрязненных почв. - Екатеринбург: УрО РАН, 2004. - 194 с.
7. Киреева Н.А., Галимзянова А.М., Мифтахова А.М. Микромицеты почв, загрязненных нефтью, и их фитотоксичность // Микология и фитопатология. - 2000. - Т. 34. - Вып.1. - С. 36-41.
8. Киреева Н.А., Мифтахова А.М., Кузяхметов Г.Г. Влияние удобрений на продуктивность вико-ячменной смеси на почвах, загрязненных нефтью // Агрохимия. - 2004. - № 7. - С. 72-76.
9. Киреева Н.А., Мифтахова А.М., Салахова Г.М. Рост и развитие растений яровой пшеницы на нефтезагрязненных почвах и при биоремедиации // Агрохимия. - 2006. - № 1. - С. 85-90.
10. Назарюк В.М., Кленова М.И., Калимуллина Ф.Р. Роль минерального питания в повышении продуктивности растений и регулировании пищевого режима почвы, загрязненной нефтью // Агрохимия. - 2007. - № 7. - С. 64-73.
11. Проблемы диагностики и нормирования загрязнения почв нефтью и нефтепродуктами / Ю.И. Пиков-ский [и др.] // Почвоведение. - 2003. - № 9. - С. 1132-1140.
12. Пиковский Ю.И. Трансформация техногенных потоков нефти в почвенных экосистемах // Восстановление нефтезагрязненных почвенных экосистем. - М., 1988. - С. 7-22.
13. Полонский В.И., Полонская Д.Е. Реакция растений на низкие уровни нефтезагрязнения // Сиб. вестн. с.-х. науки. - 2009. - № 8. - C. 18-22.
14. Полонский В.И., Сурин Н.А. Оценка зерновых злаков на устойчивость к неблагоприятным экологическим факторам. - Новосибирск: Изд-во СО РАСХН, 2003. - 128 с.
15. Седых В.Н., Игнатьев Л.А. Влияние отходов бурения и нефти на физиологическое состояние растений // Сиб. экол. журн. - 2002. - № 1. - С. 47-52.
16. Влияние нефти на почвенный покров и проблема создания нормативной базы по влиянию нефтезагрязнения на почвы / С.Я. Трофимов [и др.] // Вестн. МГУ. Сер. 17. Почвоведение. - 2000. - № 2. - С. 30-34.
17. Халимов Э.Н., Левин С.В., Гузев В.С. Экологические и микробиологические аспекты повреждающего действия нефти на свойства почвы //Вестн. МГУ. Сер.17. Почвоведение. - 1996. - №.2. - C. 59-64.
18. Чиркова Т.В. Физиологические основы устойчивости растений. - СПб.: Изд-во СПб. ун-та, 2002. - 242 с.
19. Шилова И.И. Биологическая рекультивация нефтезагрязненных земель в условиях таежной зоны // Восстановление нефтезагрязненных почвенных экосистем. - М.: Наука, 1988. - С. 159-168.
20. Шилова И.И. Влияние загрязнения нефтью на формирование растительности в условиях техногенных песков нефтегазодобывающих районов Среднего Приобья // Растения и промышленная среда. -Свердловск, 1978. - Вып. 5. - С. 44-52.
21. McGrath D. Oil spillage on grassland effects on grass and soil // Farm Food Research. - 1988. - V. 19.
- № 5. - P. 28-29.
22. Shukla O.P. Biodegradation for Environmental Management // Everyman's Science. - 1990. - V. 25. -
№ 2. - P. 46-50.
УДК 551.481.2 + 571.51 Л.В. Карпенко, В.Д. Карпенко
ОЦЕНКА ЭКОЛОГО-ГЕОХИМИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ТОРФЯНЫХ ПОЧВ В ЗОНЕ ТЕХНОГЕННЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ
Приводятся результаты эколого-геохимической оценки торфяных почв термокарстовых и горнотундровых болот в долине р. Кета-Ирбо, протекающей в западных отрогах плато Путорана. Установлено, что степень их загрязнения техногенными элементами зависит, главным образом, от геоморфологического положения и гидротермического режима болот.
Ключевые слова: торфяные почвы, плато Путорана, аэротехногенные загрязнения, тяжелые металлы, сера.
L.V. Karpenko, V.D. Karpenko ESTIMATION OF ECOLOGICAL AND GEOCHEMICAL CONDITION OF PEAT SOILS IN THE TECHNOGENIC EXPOSURE ZONE
The results of the ecological and geochemical estimation of peat soils of the thermokarst and mountain-tundra marshes in the Keta-Irbo river valley, running in the western spurs of the Putorana plateau are given. It is determined that degree of their technogenic element contamination depends mainly on the geomorphological position and the marsh hydrothermic regime.
Key words: peat soils, Putorana plateau, aerotechnogenic contamination, heavy metals, sulfur.
Введение
Норильский горно-металлургический комбинат (НГМК) является основным источником загрязнения окружающей среды севера Красноярского края, так как разработка любых сульфидных платиноидно-медно-никелевых месторождений связана с высокой экологической опасностью [1]. По данным авторов, только Норильский никелевый завод в год выбрасывает в атмосферу до 12 тыс. т пыли, в которой содержится 2 000 т никеля, 350 т меди и 20 т кобальта.
Компонентный состав техногенных выбросов НГМК является мощным геохимическим фактором, изменяющим и перераспределяющим миграцию химических элементов под влиянием преобладающих ветров, режима атмосферных осадков, удаленности от источников загрязнения, особенностей рельефа и растительности. Миграционные формы металлов достигают наибольшей концентрации в геохимически подчиненных ландшафтах, типичным представителем которых являются низинные болота [2].
Известно, что болота могут играть положительную роль в «гашении» агрессивных экологически опасных веществ техногенного происхождения за счет взаимодействия с органическими компонентами и водной фазой торфов. Однако буферная «емкость» гидроморфных комплексов имеет определенный порог устойчивости, за пределами которого начинается деградация самой системы. Как отмечал В.В. Крючков [3], во внутренних водоемах, имеющих значительно меньшие площади и объемы, чем воздушные пространства, экологический коллапс наступает гораздо быстрее, чем в наземных экосистемах.
Цель настоящей статьи - рассмотреть эколого-геохимическое состояние торфяных почв в долине р. Кета-Ирбо, находящихся в зоне слабого влияния аэротехногенных выбросов Норильского комбината, выявить степень их загрязнения тяжелыми металлами (медью, никелем, кобальтом, свинцом) и серой.
