Ляшенко Г.М. Загрязнение почв и растений свинцом в придорожных агроценозах чернозема обыкновенного приазовской зоны ростовской области

Подождите немного. Документ загружается.

атмосферой в стороне от дорог. Количество свинца в воздухе зависит от

плотности движения, близости шоссе, форсирования двигателя (по сравнению

с постоянной скоростью) и направления ветра. Гравитационное осаждение и

наличие крупнодисперсных фракций объясняет высокое содержание свинца в

растительности и почве на расстоянии до 35 м от дорог. (Daines R., 1970; Smith

W.H., 1971). Концентрация свинца в растениях районов с высокой

плотностью движения выше по сравнению с другими районами, а с

подветренной стороны шоссе отмечается наивысшая концентрация части

свинца в воздухе и растительности.

Содержание свинца в растительности быстро уменьшается с

увеличением расстояния от шоссе. Большие частицы осаждаются на расстоянии

около 5 м от шоссе, меньшие частицы осаждаются медленнее на расстоянии до

100 м от шоссе. Свинец, содержащийся в этих меньших частицах, может быть

более растворимым и в связи с этим сильнее действовать на растения. Кроме

того, имеется третья фракция, не оседающая так быстро. Наиболее мелкие

аэрозоли свинца проходят большие расстояния в общих потоках воздуха

(Chow T.J., 1970).

Считается, что значительная часть свинца из выхлопных газов

принадлежит к этой стойкой фракции.

Анализ выборки деревьев (листья, кора и середина ствола) показал, что

направление доминирующего ветра влияет на распределение выбросов

свинца. Кроме того, на сторонах деревьев, обращенных к шоссе, уровень

свинца выше (Smith W.H., 1971). Уровень свинца в листьях райграсса

многолетнего (Lolium perenne) и редиса (Raphanus sativus) соотносился с

атмосферной концентрацией свинца вблизи шоссе, но содержание свинца в

корнях редиса не соотносилось с его содержанием в воздухе (Dedolph R.,

1970).

В траве, листовых овощах и деревьях, растущих рядом с шоссе,

концентрация свинца выше, чем в растениях, растущих далеко от дорог. В

кормовой траве может содержаться достаточно свинца, чтобы представлять

угрозу для здоровья пастбищных животных (Зайцева Н.В., 1999).

Концентрация свинца в городской растительности может быть высокой и

даже превышать концентрацию свинца в растительности вдоль основных

шоссе.

Большая часть свинца, загрязняющего растительность, находится в виде

удаляемой поверхностной пыли (Motto H.L., 1970). В работе Е.Е. Козлова

(Koslow Е.Е., 1977) исследовалось число, распределение, размер и химический

состав частиц, содержащих свинец, на листьях. Среди многочисленных

частиц, связанных с поверхностью листьев, частицы свинца встречались

редко. Обычно свинец находился в виде микрокристаллов или

кристаллических микроагрегатов с максимальным размером 1

-25

мкм. Авторы

предположили, что изменение химического состава частиц, содержащих

свинец, и их агрегация могут произойти в атмосфере или на листе.

1.5. Химический состав растений в связи с содержанием

поллютантов в агроэкосистеме

Растение строит свой организм из определенных химических элементов,

находящихся в окружающей среде. Оно состоит из сухого вещества и содержит

значительное количество воды.

В состав сухого вещества растений входит 90-95 % органических

соединений и 5-10 % минеральных солей.

Среднее содержание свинца в растениях п*10

-5

% (по Виноградову)

(Ягодин Б. А. и др., 1989 ).

Анализ литературных данных показал, что химический состав растений

изучен достаточно хорошо. Установлена, способность растений поглощать из

окружающей среды в больших или меньших количествах практически все

известные химические элементы (Ильин В.Б., 1985; Полевой В.В., 1989;

Bowen H.J., 1966). Одни авторы считают, что так или, иначе, все они

участвуют в жизненных процессах (Виноградов А.П., 1962; Ильин В.Б.,

1991). Другие указывают на то, что для нормальной жизнедеятельности

растений необходимы лишь определенные группы элементов, функции

которых незаменимы (Ильин В.Б., 1985; Кабата-Пендиас А., 1989; Полевой

В.В., 1989). К ним относят С, Н, О, N, Р, S, К, Са, Mg, Fe, Мп, Си, Zn, Mo, В,

Na, Si, Co (Абуталыбов М., 1961; Власюк П.А., 1956; Ильин В.Б., 1985, 1991;

Пейве Я.В., 1971; Полевой В.В., 1989; Чернавина И.А., 1970; Школьник М.Я.,

1974). Свинец в список необходимых для растений элементов не входит. В то

же время, по мнению ряда специалистов (Авцин А.П., 1991), свинец относится

к серьезным кандидатам на эссенциальность, т.е. жизненную необходимость.

На разных этапах эволюции сопряжено с изменениями в составе

биосферы изменялась металлопоглощающая способность растений, поэтому

возникшие в разное время типы растительных организмов характеризуются

разным содержанием тяжелых металлов (Ильин В.Б., 1985; Школьник М.Я.,

1974). А.П. Виноградов (1957, 1962, 1985) высказал предположение о том, что

элементный химический состав растений можно рассматривать как видовой

признак (Ильин В.Б., 1991).

Работы многих исследователей показали, что между химическим

составом растений и элементным составом среды существует несомненная

связь (Ильин В.Б., 1985; Кабата – Пендиас А., 1989; Ковалевский А.Л., 1969;

Леванидов Л.Я. , 1961; Добровольский В.В., 1983), но прямая зависимость в

содержании тяжелых металлов в растениях от содержания в почве часто

нарушается из-за избирательной способности растений к накоплению

элементов в необходимом количестве (Ильин В.Б., 1991). Чаще наблюдают

прямую корреляционную зависимость содержания тяжелых металлов в

растениях от содержания их подвижных форм в почвенном растворе

(Цветкова Н.Н., 1977). По-видимому, существуют два ведущих фактора

формирования элементного состава растений - генетический и экологический.

Их долевое участие меняется в зависимости от изменения условий среды.

Экологический фактор становится ведущим при техногенном загрязнении

среды обитания тяжелыми металлами, особенно их подвижными формами

(Ильин В.Б., 1985, 1991).

Установлено, что растения более устойчивы к повышенным, нежели к

пониженным концентрациями тяжелых металлов в почве (Кабата – Пендиас А.,

1989), но увеличение их до определенных значений практически всегда

отрицательно сказывается на состоянии растений, так как тяжелые металлы

являются наиболее токсичными среди химических элементов (Абуталыбов М.,

1961; Алексеенко В. А., 1990). Все же правильнее говорить не о токсичных

элементах, а о токсичных концентрациях для растений (Ильин В.Б., 1991).

Влияние избытка тяжелых металлов на растения может быть как прямым, так

и косвенным. Косвенное явление проявляется в негативном воздействии

тяжелых металлов на состав и свойства почвы и на ее плодородие (Большаков

В.А., 1978; Важенин Н.Г., 1987). Прямое влияние тяжелых металлов связано с

накоплением их непосредственно в растении (Grill Е., 1985), проявление его

многообразно и описано многими исследователями (Бондарев Л.Т., 1976;

Кабата – Пендиас А., 1989; Турков В.Д., 1980; Wu L., 1975).

Бесспорно, что среди живых организмов главными аккумуляторами

тяжелых металлов являются растения, поэтому необходимо иметь

объективное представление о нормальных (фоновых) концентрациях данных

элементов в компонентах растительного мира. По способности связывать

тяжелые металлы высшие растения располагаются в следующий ряд:

Bryophyta>Pteridophyta>Spermatophyta (Gekeler W., 1989).

Многочисленными экспериментами показано, наличие у растений

способности защищаться от вредного влияния тяжелых металлов.

Различные механизмы такой защиты описаны разными авторами (Ильин

В.Б., 1991; Кабата - Пендиас А., 1989; Павлов Б.К., 1989; Полевой В.В., 1989;

Fernandes J.C., 1991; Foy C D., 1978; Gekeler W., 1989; Grill E., 1985; Taylor

G.J., 1987). Оценка токсичных концентраций и действия тяжелых металлов

очень сложны, так как зависят от многих факторов.

Пути поступления тяжелых металлов в растения разнообразны, основные

из них - корневое и фолиарное (Виноградов А.П., 1985; Кабата - Пендиас А.,

1989; Павлов Б.К., 1989; Шиханов Н.С., 1984). Сведения о

распределении тяжелых металлов по органам растений весьма противоречивы

(Добровольский В.В., 1983; Ильин В.Б., 1973, 1991). Одни авторы

указывают на большую аккумуляцию их в надземных органах (А. Л.

Ковалевский, 1969), другие - в корнях (Павлов Б.К., 1989). Часто отмечаются

различия концентраций тяжелых металлов в разных надземных органах

(листьях, стеблях, плодах), что может быть связано с видоспецифичностью

метаболизма растений и со свойствами самих элементов (Добровольский В.В.,

1983; Жемкова Л.Н., 1989; Diez Т. , 1992; Godzik В., 1991;).

А.Л.Ковалевский (1969) приводит классификацию Д.А.Сабинина, по

которой химические элементы подразделяются на 2 группы: базипетальные

(содержание их уменьшается от листьев к стеблям и корням) и акропетальные

(максимальное содержание их наблюдается в корнях и стеблях, минимальное

— в листьях).

Характер распределения элементов по органам и тканям изменяется в

течение онтогенеза (Ковалевский А.Л., 1969; Ровенская Л.И., 1990).

Установлено, что на загрязненных почвах наименьшее количества тяжелых

металлов свойственно органам запасания (Ильин В.Б., 1991). Многие авторы

указывают на неоднозначную зависимость между доступностью тяжелых

металлов для растений и их содержанием в разных частях растений

(Агжигитова Н.И., 1985; Скарлыгина - Уфимцева М.Д., 1980; Foy C.D., 1978).

Изучение накопления тяжелых металлов в растениях важно для оценки

состояния самого растения, так и для биосферы в целом в плане понимания

процессов круговорота веществ, а также для научной и практической работы

по экологическому мониторингу в связи с углублением процессов техногенеза

(Алексеенко В.А., 1990; Израэль Ю.А., 1984). За норму содержания

тяжелых металлов приняты пределы их концентраций, способствующие

осуществлению нормальной регуляции функций у растений (Второва В.Н.,

1993).

Пределы нормальных концентраций свинца, указанные разными

авторами, не совпадают. Причины этого связаны с видоспецифичностью

металлоаккумуляции, погрешностями пробоотбора, подготовки образцов к

элементному анализу, аналитических методик и, в немалой степени, - с

целями исследований (Алексеенко В.А., 1990). Установлено, что фоновое

(нормальное) содержание тяжелых металлов значительно колеблется у разных

таксономических групп растений и в их отдельных органах, зависит от

условий произрастания и фазы развития (Алексеев Ю.В., 1987;

Добровольский В.В., 1983; Ильин В.Б., 1985, 1991).

По абсолютному содержанию в растениях тяжелые металлы

подразделяют на 4 группы: элементы повышенной концентрации (Sr, Mn,

Zn); элементы средней концентрации (Сu, Ni, Pb, Cr); элементы низкой

концентрации (Mo, Cd, Se, Co); элементы очень низкой концентрации (Hg), a

уровень содержания большинства тяжелых металлов в растениях зависит от

их кларка (Ильин В.Б., 1991).

Таким образом, анализ литературы показывает, что в нашей стране и за

рубежом многие исследователи занимаются изучением свинца в естественных и

искусственных экосистемах. Но полнота раскрытия биологической роли

свинца и факторов накопления не достаточна. Опубликовано много работ о

геохимических свойствах свинца, аккумуляции его в почвах. Но многие

аспекты рассматриваемых проблем находятся на стадии изучения. Большое

внимание уделяется биохимическому районированию территорий на основе

ландшафтного подхода, но его основные положения пока находятся на уровне

концепций.

Техногенное привнесение свинца в окружающую среду является

самостоятельной научной проблемой. В связи с этим в литературе широко

обсуждаются вопросы экологического нормирования содержания свинца в

различных компонентах экосистем и, прежде всего, в воде, воздухе, почвах и

растениях. Анализ литературы показал, что в разных странах нет единого

подхода к разработке нормативных показателей содержания тяжелых

металлов, а существующие нормативы (ПДК, токсичные концентрации и др.)

субъективны, слабо обоснованы. Пристальное внимание исследователей

приковано к техногенным источникам свинца, которые достаточно полно

изучены, но среди них постоянно появляются новые объекты исследований. В

литературе широко обсуждаются различные методические проблемы

количественного изучения содержания свинца в компонентах экосистем. К

настоящему времени установлены фоновые уровни содержания тяжелых

металлов в почвенном покрове и в растениях некоторых конкретных регионов -

Западная Сибирь, Московская область, Самарская область, Воронежская

область, Украина, Молдавия, страны Восточной и Западной Европы,

Поволжье (Ильин В. Б., 1991; Протасова Н.А., 1992; Кузнецов В.К., 1996;

Прохорова Н.В., 1998). Представлены результаты их геохимического

картирования.

Влияние природных и техногенных экологических факторов на

распределение тяжелых металлов в почвенном и растительном покрове

(накопление, закрепление) к настоящему времени изучено плохо. Все это и

послужило основанием для проведения наших исследований и написания

данной работы.

2. УСЛОВИЯ И МЕТОДЫ ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ

2.1. Методика исследования и схемы опытов

Для изучения темы «Загрязнение почв и растений свинцом в

придорожных агроценозах чернозема обыкновенного приазовской зоны

Ростовской области» была использована следующая методика исследований:

Объектом исследований являлся чернозём обыкновенный южно-

европейской фации. Полевой опыт проводился на полях ГУСХП

«Кадамовское» (13,5-14,0 км автомагистрали Новочеркасск - Персиановка),

учебном центре ДонГАУ Октябрьского и СПК «Колос» (58 км

автомагистрали Ростов-на-Дону – Таганрог) Неклиновского районов,

модельно-вегетационный опыт в Неклиновском районе. Схемы опытов:

Опыт 1. Полевой опыт по изучению действия возрастающей техногенной

нагрузки на исследуемые почвы

Мощность грузопотока 4000 авт./сут. Мощность грузопотока более 6000

авт./сут.

Удаленность от автомагистрали, м

100

150

300

Опыт 2. Накопления свинца в агроценозах в зависимости от удаленности

автомагистралей

Мощность грузопотока

4000 авт./сут. Более 6000 авт./сут.

удалённость от

автомагистрали более 3

км (контроль)

удалённость от

автомагистрали 5-10 м

удалённость от

автомагистрали 150 м

удалённость от

автомагистрали более 3

км (контроль)

удалённость от

автомагистрали 5-10 м

удалённость от

автомагистрали 150 м

Опыт 3. Модельно – вегетационный опыт по изучению влияния фолиарного

и почвенного загрязнения свинцом на различные сорта ярового ячменя

Почвенное загрязнение свинцом,

мг/кг почвы

Фолиарное загрязнение свинцом

мг/кг почвы

Одесский 100

Прерия

Задонский 8

Одесский 100

Прерия

Задонский 8

Pb 100

Pb 200

Pb 300

Pb 500

Контроль

Pb 100

Pb 200

Pb 300

Pb 500

Контроль

Полевой опыт был проведён с целью изучения действия

возрастающей техногенной нагрузки на исследуемые почвы: (опыт 1) -

проводили весной по междурядьям озимой пшеницы, на поле СПК «Колос»

расположенном вблизи автомагистрали при мощности грузопотока более 6,0

тыс. авт./сут. Отбор почвенных проб осуществляли при удаленности от

автомагистрали 5, 10-50 (через 10 м), 100 - 300 м (через 50 м). В опыте 2

проводили сравнительную оценку влияния мощности грузопотока 4,0 тыс.

авт./сут. (ГУСХП «Кадамовское») и более 6,0 тыс. авт./сут. (СПК «Колос»),

контроль на полях с удаленностью более 3 км (СПК «Колос», учебный центр

ДонГАУ). Высевали озимую пшеницу (Ермак) и яровой ячмень (Одесский

100) по общепринятой технологии возделывания для зоны, рядовым

способом. Норма высева озимой пшеницы, ярового ячменя соответственно

4,5-5,5; 4,2-5,0 млн. шт. зерен на 1 га. Отбор проб почвы осуществлялся

после появления всходов возделываемых культур (озимая пшеница, ячмень),

захватывая рядки и междурядья, в соответствии с методическими

требованиями к отбору при удаленности от автомагистрали 5-10 м (идет

максимальное накопление), 150 м (накопление в пределах ПДК по

результатам опыта 1), 3 км (контроль). Для оценки количеств поллютантов и

опасности поступления их в выращиваемые растения отбирались почвенные

образцы для определения содержания валовых и подвижных форм свинца в

почве. Растительные образцы отбирали на поле рендомизированным методом

для получения минимальной погрешности в выборочной совокупности.

В модельно-вегетационном опыте (3) изучали влияние свинца при

почвенном (1 год – действие, 2 год - последействие) и фолиарном

загрязнении (1 год - действие) на различные сорта с целью выявления

наиболее устойчивого к возрастающим концентрациям Pb, выявления более

чувствительных биопараметров, а также для сравнения между собой. В

качестве тест - культуры использовали растения ячменя следующих сортов:

Одесский 100, Прерия, Задонский 8. Ячмень в физиолого-экологическом

отношении характеризуется, как культура наиболее устойчивая по

отношению к тяжелым металлам: как к накоплению их, так и к снижению

урожайности в результате накопления поллютантов. На этот факт указывают

ряд исследователей (Пасынкова М.В.,1990; Большаков В.А., 1993; Черных

Н.Г., 1988; Лукин С.В.,1999 и др.).

В качестве элемента - поллютанта использовался свинец. Форма

внесения – уксуснокислая соль (Pb(CH

COO)

O). Изучали: варианты с

внесением (Pb(CH

COO)

O) в почву доз 100,S200,S300 иS500 мг/кг почвы.

В опыте использовались сосуды диаметром 15 см, высотой 25 см. В

каждый сосуд помещали на дно керамзитовый дренаж и 4 кг почвы.

Предварительная подготовка почвы предусматривала измельчение до