Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние изученности вопроса (обзор литературы) 10
1.1 Региональные особенности распределения тяжелых металлов в почвах.. 10
1.2 Формы нахождения тяжелых металлов в почве ..15
1.3 Источники поступления тяжелых металлов в экосистемы 20
1.4 Почвы пригородной зоны 28
1.5 Некоторые аспекты влияния человека на растения 32
2 Объекты, методы и условия проведения исследований 34
2.1 Агрохимическая характеристика почв 34
2.2 Метеорологические условия в годы проведения исследований 40
2.3 Общие сведения об объектах и методике проведения исследований 42
3 Уровни содержания тяжелых металлов в почвах пригородной зоны города Омска 45
3.1 Направленность и интенсивность изменения содержания тяжелых металлов в почвах пригородной зоны (линейный вид антропогенной нарушенности окружающей среды) 46
3.2 Баланс тяжелых металлов и его динамика в почве (кг/га) в зависимости от действия транспортной инфраструктуры 54
3.3 Прогноз накопления тяжелых металлов в почвах пригородной зоны.. 61
4 Накопление тяжелых металлов растениями в зависимости от степени загрязнения почв 72
4.1 Уровни содержания тяжелых металлов в растениях 73
4.2 Поступление тяжелых металлов в растения в зависимости от их содержания в почве 84
5 Нормирование интенсивности загрязнения экосистем тяжелыми металлами 97
5.1 Расчет предельного содержания элемента в почве в зависимости от линейного вида антропогенного загрязнения ..98
5.2 Выбор математических моделей накопления тяжелых металлов в системе почва - растение 103
5.3 Зависимость формирования урожайности фитомассы многолетних трав от содержания тяжелых металлов в растениях 116
5.4 Картографическое отображение результатов 127
5.5 Формулы прогноза полос загрязнения почвы 137
6 Агрономическая, биоэнергетическая и экономическая оценка загрязнения почв и растений тяжелыми металлами 142
Общие выводы 144
Рекомендации производству 147
Библиографический список 148
Приложения 163
- Источники поступления тяжелых металлов в экосистемы
- Общие сведения об объектах и методике проведения исследований
- Баланс тяжелых металлов и его динамика в почве (кг/га) в зависимости от действия транспортной инфраструктуры
- Поступление тяжелых металлов в растения в зависимости от их содержания в почве
Введение к работе
Активная хозяйственная деятельность человека постоянно наносит определенный вред окружающей среде. Отходами хозяйственной деятельности загрязняются воздушный бассейн, водные источники и почвенный покров. Все это создает экологические проблемы.
Среди множества проблем, стоящих в настоящее время перед человечеством, охрана окружающей среды занимает, пожалуй, одно из первых мест. Интенсивная антропогенная нагрузка на природные ресурсы вызывает изменение направлений и темпов миграции микроэлементов, входящих в фоновый состав почв и поступающих дополнительно из различных источников загрязнении.
Устойчивость любой экосистемы определяется устойчивостью почв, т.е способностью почвы выполнять свои экологические функции, которые определяются степенью выдерживаемости все возрастающему техногенному воздействию [9,27].
Основными источниками загрязнения почв и растений являются крупные города, населенные пункты с выбросами их промышленных предприятий и отходов производства, ненормированное применение в сельскохозяйственном производстве различного рода агрохимикатов, а также и все современные транспортные средства (воздушный, железнодорожный, морской и автомобильный). Среди многочисленных загрязнителей природной среды тяжелые металлы (ТМ) считаются самыми опасными - к ним условно относят химические элементы с атомной массой свыше 50, обладающие свойствами металлов или металлоидов [2,3,4,38,40,44,48,67].
Автотранспортное загрязнение является одним из наиболее опасных, оказывающих жесткое влияние на придорожные экосистемы. В выхлопных газах обнаружено более 200 различных веществ, из которых только 5 нетоксичны [43]. С работой автомобильного транспорта связано загрязнение почв в наибольших количествах свинцом, кадмием и цинком [2,3,43,45,97].
Большая часть поступления тяжелых металлов в агроценозы по Омской области происходит через атмосферные осадки: так поступление свинца с атмосферными осадками и выбросами за 1991-2000 гг. составило -59%, цинка - 64%, меди -71 % [2,11,48]. Доля города Омска в сумме выбросов по Омской области составила около 82% и от автотранспорта около 62%. Почвы придорожных полос и пригородной зоны города получают загрязнение ТМ намного больше, чем пахотные земли, удаленные от источников загрязнения.
Степень загрязнения придорожных полос ТМ более четко выражается в химическом составе растений, чем в составе почвы [97]. При постоянно возрастающем уровне загрязнения, концентрации ТМ в растениях могут возрастать в десятки и сотни раз [4]. Увеличивающийся токсический прессинг, накапливаясь по цепочке питания, может негативно отражаться на здоровье человека [68,95].
В настоящий момент меньше всего данных о загрязнении почв придорожных полос, мало изучена закономерность миграции и аккумуляции ТМ в системе почва - растение в этой зоне. Закономерности поведения ТМ в объектах внешней среды изучали в основном в моделирующих экспериментах, а в естественных условиях они изучены недостаточно [65].
В подобных условиях важная роль отводится мониторингу состояния окружающей среды, который позволяет отслеживать изменения, изучать закономерности и моделировать исследуемые процессы, с целью принятия своевременных решений направленных на предотвращение антропогенных кризисов.
Математические модели в современных условиях становятся инструментом изучения взаимоотношений человека с окружающей средой, они позволяют управлять природными ресурсами, учитывая в качестве компонентов модели возможные антропогенные воздействия.
Активная деятельность человека ставит новые задачи в визуализации антропогенных изменений, в составлении дежурных карт текущих
изменений с применением современных средств и программных технологий картографирования.
Таким образом, стабильное загрязнение тяжелыми металлами почв придорожных полос Омской области может нанести значительный вред произрастающим ни них растениям, а также животным и человеку, потребляющим эту продукцию. Поэтому необходимо проведение систематического мониторинга этих химических элементов и изучения закономерностей миграции в системе почва — растения.
Цель и задачи исследования. Цель работы: произвести
агроэкологическую оценку действия тяжелых металлов в системе почва -растения в условиях придорожных полос экологического загрязнения исследуемой системы с целью разработки рекомендаций по оптимальному использованию земель вдоль автотрасс для сельскохозяйственного производства.
Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
установить влияние тяжелых металлов (свинца, кадмия, цинка, марганца, никеля, меди) на химический элементный состав почвы;
изучить взаимодействие тяжелых металлов в системе почва - растения;
изучить влияние источников антропогенного загрязнения (автомагистрали и города) на содержание и накопление ТМ почвой и растениями;
получить математические модели зависимости содержания ТМ в исследуемых элементах системы;
построить математические модели прогноза содержания ТМ в растениях в зависимости от их содержания в почве;
разработать математическую модель прогноза полос загрязнения относительно оси автотрассы для ведения сельскохозяйственного растениеводства;
- выполнить картографическое отображение полученных результатов.
- Дать информацию агрохимической службе и землеустроительным
организациям, составляющим проекты землеустройства, об экологической
7 опасности использования земельных полос вдоль автотрасс для растениеводства.
Научная новизна. По результатам агроэкологической оценки действия ТМ в системе почва-растение получены математические модели в виде линейных уравнений регрессии и на их основе разработаны формулы для прогнозирования содержания тяжелых металлов в растениях в зависимости от их содержания в почве вдоль автотрасс Омской области.
Получены данные о динамике процесса загрязнения почв при удалении от автотрассы и города, как источников загрязнения.
Разработана математическая модель, позволяющая определить границы опасной экологической зоны для растениеводства в пригороде г. Омска вдоль автомагистралей.
Практическая значимость и реализация результатов исследования.
Основные выводы и положения диссертации могут быть использованы в агрохимических центрах при определении количественной оценки переходя ТМ в растения из почвы, а также при определении накопления ТМ почвой придорожных полос. Полученные нормативные характеристики могут быть использованы землеустроительными организациями при проектировании отводов земель под посевы сельскохозяйственным предприятиям и выделении наделов для садоводческих товариществ, а также при отведении участков под выпас и сенокошение.
Результаты исследований используются в Центре агрохимической
службы «Омский», Западно-Сибирском филиале ФГУП
Госземкадастрсъемка, а также в учебном процессе Омского ГАУ на факультетах: агрохимии, почвоведения и экологии в курсах «Агрохимия», «Система применения удобрений», «Физиологические основы питания растений»; землеустроительном - в лекционном курсе по дисциплине «Землеустройство» (Приложения Н, О, П).
8 Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены на ежегодных научно - практических конференциях ОмГАУ (2000-2004 г), международной научно - практической конференции, посвященной 125-летию Омского регионального отделения Русского географического общества «История, природа, экономика» (2002г.), Сибирской государственной геодезической академии (2004 г.), Межрегиональной научно-практической конференции «Природа и природопользование на рубеже XXI века» (2003 г.), IV съезде Докучаевского общества почвоведов (2004 г.) и на ежегодных отчетах аспирантов кафедры агрохимии ОмГАУ (2000-2004г.)
По материалам диссертации опубликовано 7 работ: в сборнике научных трудов Омского ГАУ «Земельные ресурсы Сибири: изучение, управление, реформирование» (2002 г.), в сборнике материалов международной научно - практической конференции, посвященной 125-летию Омского регионального отделения Русского географического общества «История, природа, экономика» (2002 г.), в специализированном научно - производственном журнале «Сельское хозяйство Сибири» - №2, №3 (2003 г.), в сборнике материалов IV республиканской молодежной научной конференции «XXI век: экологическая наука в Армении» (Ереван, 2003 г.)в сборнике материалов LIII Международной конференции, посвященной 70-летию СГГА (Новосибирск, 2004 г.),, в материалах IV съезда Докучаевского общества почвоведов (Новосибирск 2004г.).
Аннотация работы. Исследования проводились на базе кафедры агрохимии ОмГАУ и Центра агрохимической службы «Омский». Объектом исследования стали почвы и произрастающие на них растения вдоль основных автомагистралей пригородной зоны г. Омска. Почвенный покров представлен черноземами обыкновенными или лугово-черноземами среднемощными среднегумусовыми тяжелосуглинистыми. Выбор растений продиктован их широкой распространенностью в районе, а также различной видовой принадлежностью: кострец безостый, мышиный горошек, мышиный
горошек (розовый), тысячелистник, пижма, ячмень, пшеница. Изучалось накопление и взаимодействие ТМ в системе почва - растение в зоне жесткого антропогенного загрязнения.
Экспериментальные исследования выполнены на опытном поле и в проблемной лаборатории диагностики питания растений кафедры агрохимии ОмГАУ.
При проведении автором исследований, большая помощь была оказана директором ФГУ «Центр агрохимической службы "Омский"» Красницким В.М., за что автор выражает ему глубокую признательность, а также сотрудникам ФГУ ЦАС — Авериной Г.Н., Лебедевой Т.Н., Ряполову А.В. За консультации при проведении исследований автор благодарит доцентов кафедры агрохимии Трубину Н.К, Стишенко О.В., Синдиреву А.В.
Особую благодарность автор выражает доценту кафедры геодезии Седышеву М.Е, за консультации при проведении исследований.
Автор выражает свою глубокую признательность и искреннюю благодарность за оказанную помощь своему руководителю Ю.И.Ермохину -доктору с.-х. наук, профессору, заслуженному деятелю науки РФ, академику международной академии АО, лауреату премии академика Д.Н.Прянишникова
10 1. Состояние изученности вопроса (обзор литературы)
Источники поступления тяжелых металлов в экосистемы
Источники поступления тяжелых металлов в почву весьма разнообразны. Их можно объединить в две группы: природные и техногенные. К природным источникам относят следующие: пыль, лесные пожары, вулканическая деятельность, эрозионные процессы, растительность, морские соли, сгорание метеоритов [2,3,4]. Природные источники не могут оказать существенного влияния на загрязнение почв тяжелыми металлами. Деятельность людей коренным образом изменяет естественные потоки химических элементов, поступающих в почву [3]. Основными техногенными источниками являются: добыча и переработка полезных ископаемых, сжигание топлива и нефтепродуктов, автотранспорт, производство и переработки сельскохозяйственной продукции [3,4,5]. Загрязнение почв происходит за счет поступления тяжелых металлов из атмосферы, удобрений, пестицидов, с осадками сточных вод, твердых бытовых отходов и отходов промышленности. Поступление тяжелых металлов из атмосферы В результате антропогенной эмиссии металлов их концентрации в промышленно развитых районах превышают фоновые в десятки раз [4]. Атмосфере отводится существенная роль в массопереносах веществ, в том числе и тяжелых металлов в глобальных (океан-атмосфера-континент) и локальных (почва — растение - атмосфера) системах.
Функционирование биогеоценозов во многом зависит от стабильности протекания этих процессов, которые к настоящему времени изучены явно не достаточно [9,65]. Автор [1] выделяет в процентном соотношении основные источники техногенного загрязнения атмосферы и расставляет их по степени наносимого вреда окружающей среде, в том числе, и почве: - тепловые или иные электростанции - 27%, -предприятия черной металлургии - 24,3%, -предприятия по добыче и переработке нефти — 15,5%, -транспорт- 13,1%, -предприятия цветной металлургии — 10,5%, -предприятия по добыче и изготовлению строительных материалов - 8,1%. Наиболее мощным источником атмосферного загрязнения являются предприятия топливно-энергетического комплекса, особенно работающие на угле (126). В тонне обогащенного угля содержится 100-500 г свинца, 300-800 г циркония, 60-80 г скандия, 400-500 г ртути, 100-150 г молибдена, и многих других металлов [40]. Если подсчитать суммарный выброс в атмосферу одной ТЭС в сутки, то получится мощный техногенный поток, загрязняющий почву не только в районе действия предприятия, но и на расстоянии 1-2 км от источника. Так в районе золоотвала ТЭЦ-4 г. Омска выявлены почвы с превышением ПДК по кадмию и цинку. Загрязнители оказывают влияние ни только на почву, но и увеличивают содержание тяжелых металлов в сельскохозяйственных растениях: пшенице, картофеле, кукурузе [41]. Концентрация тяжелых металлов происходит в основном в верхнем -15 см слое почвы [3]. Автором приводится сводная таблица 1.3 загрязняющих атмосферу и, как следствие почву, веществ [42].
Существенное влияние на загрязнение почв тяжелыми металлами, поступающими из атмосферы, по мнению многих авторов, оказывают предприятия черной и цветной металлургии [1,3,15, 23,24,39]. На поверхность почвы в результате их деятельности выпадают осадки в виде техногенной пыли, в которых содержатся: свинец, кадмий, мышьяк ртуть, хром, цинк и др. токсичные элементы. Накапливаясь в основном в верхних гумусовых горизонтах, они меняют свойства почв: наблюдается подкисление, увеличивается их эродированность [66]. Так, выбросы свинца в атмосферу резко увеличились в последнее время: при сжигании нефти и бензина в атмосферу поступает около 50% всего глобального выброса этого элемента [4]. Глобальное годовое поступление кадмия в результате работы промышленных предприятий — 7600 т, тогда как из природных источников в 8 раз меньше (960 т) [39]. Наиболее зараженными оказываются почвы в радиусе 2-5 км от металлургических предприятий. Недостаточное внимание уделяется такому мощному источнику загрязнения почв тяжелыми металлами, как транспорт. Все средства современного транспорта являются источниками загрязнения атмосферы [2,3,43,44,46,48]. Автотранспортное загрязнение является одним из наиболее опасных, оказывающих жесткое влияние на придорожные экосистемы. Загрязнение почв за счет выбросов только автотранспорта составляет в России до 15%, в Германии, США до 50% всех загрязнителей [67]. Всего в выхлопных газах обнаружено более 200 различных веществ, из которых только 5 нетоксичны [3]. С работой автомобильного транспорта связано загрязнение почв свинцом и кадмием в наибольших количествах. При сжигании одного литра бензина в воздух поступает и оседает на почву и растения 200-400 мг свинца входящего в состав антидетонационной присадки [4]. По данным [43] при сжигании этилированного бензина ежегодно выбрасывается в атмосферу около 0,07 тыс.т цинка. Однако основным поставщиком этого элемента в окружающую среду является износ резиновых автопокрышек- 2,2 тыс. тонн в год [44].
Общие сведения об объектах и методике проведения исследований
Объектами исследования стали почвы и произрастающие на них растения вдоль основных автомагистралей пригородной зоны города Омска. Почвенный покров изучаемой территории представлен черноземами обыкновенными или лугово-черноземами среднемощными среднегумусовыми тяжелосуглинистыми. Для которых характерна некоторая растянутость гумусового слоя и глееватость нижних горизонтов. Выбор растений продиктован их широкой распространенностью в регионе, а также различной видовой принадлежностью. Кострец безостый (Bromusinermis Leyss) семейства злаковых. Распространен во всех зонах региона: степной, лесостепной и лесной. Мышиный горошек (Vicia сгасса) семейства мотыльковых. Встречается во всех зонах Омской области, наиболее часто на луговых, лесных и степных сенокосах и пастбищах. Донник желтый (Melilotus officinalis) семейства мотыльковых, обильно встречается в степной и лесостепной зонах, обычно около дорог. Тысячелистник обыкновенный (Achillea millefolium) семейства сложноцветных, произрастает повсеместно по лугам, степям, степным склонам, выгонам и у дорог. Пижма обыкновенная (Tanacetum vulpositae), семейства сложноцветных. Растет почти повсеместно, чаще встречается на полях вдоль дорог и канав [95]. Пшеница мягкая (Triticum aestifum), семейство злаковых. Широко культивируется в большинстве областей России, преимущественно в степной и лесостепной зонах. Возделывается на полях. Ячмень обыкновенный (Hordeum vulgare), семейство злаковых. Культивируется как кормовое и крупяное растение почти по всей территории России (на севере граница распространения заходит за полярный круг, в горах - поднимается до 3 тыс. м над уровнем моря). Возделывается на полях. Единичные образцы культурных и некоторых дикорастущих растений собраны для сравнительной оценки. Общие сведения о методике проведения исследований Согласно Методическим рекомендациям [96] методика исследования включала в себя полевые и камеральные работы. Полевые работы состояли из подготовительного этапа и непосредственного отбора образцов почв и растений в полевых условиях. Подготовительный этап полевых работ заключается в выборе места проботбора, в процессе которого на генерализированной схеме
Омской области были выделены участки полевых обследований (элементарные геохимические ландшафты). Для целей картографического отображения загрязнения обследованной территории определена категория сложности. Для исследуемой территории это II и III категории, для которых соответствуют масштабы 1:10000 -1:25000 [1]. Время проведения отбора образцов почв и растений — июль каждого года наблюдений. Полевые работы включали отбор образцов почв и растений согласно намеченным маршрутам вдоль автомагистралей на расстоянии около 50 км от источника загрязнения (города), пробы отбирались на пикетах через каждые 5 километров, по обе стороны от автострады (как источника загрязнения) у дороги (около 3-5 м) и на расстоянии не менее 100 метров в обе стороны от дороги. Почвы отбирали с помощью ручного бура (d 25 мм) со скошенным заостренным концом, с глубины до 20 см. Образцы почв и растений после взятия помещались в специально приготовленные полиэтиленовые пакеты и снабжались этикетками с указанием номера, даты и названия образца (для растений), а также маршрута. Во время производства камеральных работ весь отобранный материал, доставленный в день сбора на место, раскладывался для предварительной обработки. Отобранный материал подвергался высушиванию в термостате при температуре 60С. Затем измельчался до порошка. Пробы почв растирали в ступке и пропускали через сито с отверстиями до 0,1 мм. Таким образом, образцы почв и растений подготавливались для проведения химических анализов в лабораторных условиях. Методика лабораторных исследований Химический анализ образцов почв и растений на содержание в них ТМ производился в лабораторных условиях филиала кафедры агрохимии -ЦАС «Омский» В почве определяли кислорастворимые формы тяжелых металлов. Подвижные формы соединений Mn, Zn, Си, Ni, Cd, Pb извлекались ацитатно-аммонийным буферным раствором с рН = 4,8, при соотношении почва: экстрагент 1:10 (2н). НС1). Время взаимодействия 1 час при взбалтывании на ротаторе. Вытяжка фильтруется через сухой складчатый фильтр, в полученном фильтрате определялось количество тяжелых металлов методом атомной - абсорбционной спектрофотомерии в пламени воздух - ацетилен и закись азота ацетилен на спектрофотометре «Hitachi - 180/80».
Баланс тяжелых металлов и его динамика в почве (кг/га) в зависимости от действия транспортной инфраструктуры
Тяжелые металлы, в виде микроэлементов, присутствуют в почвах в тех или иных количествах и необходимы произрастающим растениям для жизни и роста .Изменение содержания ТМ в почве, может изменить поглощение их растениями. Подобные изменения могут происходить как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения их содержания в почве, что в любом случае может негативно отразиться на растениях.
Количественные характеристики изменений (прихода и расхода) ТМ в почве могут быть получены определением баланса химических элементов в почве и растениях. Центральным научно-исследовательским институтом агрохимического обслуживания сельского хозяйства (ЦИНАО) проведены балансовые расчеты [4] поступления и выноса ТМ для почвы Московской области (таблица 3.5).
Поступление ТМ существенно превышает их вынос с урожаем и внутрипочвенным стоком. Загрязнение почв свинцом и кадмием, как токсичными ядами, носит необратимый характер, и поэтому процесс накопления различных форм свинца и кадмия в поверхностном слое почв постоянно продолжается, а это имеет огромное экологическое значение, так как эти элементы отравляют окружающую среду. Так, согласно данным Аристархова А.Н и Харитоновой А.Ф. [109], вариабельность статей поступления и расхода ТМ определяет динамичность показателей баланса, среднегодовой баланс ТМ показывает прибыль токсических элементов на поверхность пахотных почв по всем видам поступлений, что указывает на увеличение содержания ТМ в почвах.
Влияние микроэлементов на процессы роста и развития растений в течение вегетации находит отражение в изменении урожайности, считается, что снижение урожайности на 5-10% при применении ТМ говорит об их токсичности [20]. Однако в ряде случаев тяжелые металлы не оказывают отрицательного действия на растения, а даже стимулируют их рост. Согласно опытным данным, внесение никеля в дозе 22 и цинка 36 кг/га, оказывает положительное действие на урожайность свеклы и моркови. Никель и цинк, внесенные в указанной концентрации, выступают активатором окислительно- восстановительных процессов в растительных клетках, тем самым, улучшая обмен веществ. Кадмий и свинец не входят в число необходимых элементов питания растений, однако, они эффективно поглощаются как корневой системой, так и листьями, что объясняется тем, что растворимые формы этих металлов в почве всегда легко доступны растениям [16,51]. Согласно нашим исследованиям, вынос кадмия с урожаем столовой свеклы составляет 6,5г/га (5,3% от содержания его в почве), с урожаем моркови - 4,5г/га (3,8% от содержания его в почве). Совместное их влияние в больших дозах может отрицательно действовать на растения, что приводит к различным последствиям. Известно, что корнеплоды (морковь, свекла и др.) по выносу химических элементов с урожаем занимают одно их первых мест.
Обобщенные данные по выносу тяжелых металлов, полученные кафедрой агрохимии за период с 1997 по 1999 гг. представлены в таблице 3.6.
Согласно данным, приведенным в таблице 3.6, изменение фона дополнительным внесением кадмия, никеля и цинка способствует наибольшему увеличению выноса тяжелых металлов (исключая вынос кадмия свеклой). Кроме того, различный уровень содержания кадмия, никеля и цинка при внесении их в почву способствует не только изменению продуктивности корнеплодов, но и изменяет их способность усваивать подвижные формы тяжелых металлов из почвы, что сказывается на общем выносе и балансе химических элементов в почве и растениях [20].
При внесении никеля и цинка в указанных дозах, установлено положительное влияние на формирование корнеплодов свеклы и моркови (таблица 3.7).
Каждый килограмм внесенного никеля и цинка окупался соответственно 6,5 и 2,4 ц корнеплодов столовой свеклы, а также 5,6 и 3,6 ц корнеплодов моркови. Внесение кадмия не оказало существенного влияния на увеличение урожая столовой свеклы и уменьшило, в среднем, урожайность моркови. Результаты, проводимых по кафедре агрохимии исследований показывают, что дополнительное внесение в почву ТМ способно оказывать влияние на урожайность культур и на подвижность других химических элементов в почве. В результате этого, изменяется вынос химических элементов с урожаем, что в конечном итоге, ведет к изменению баланса тяжелых металлов, как в положительном, так и в отрицательном направлениях.
В условиях интенсивного антропогенного загрязнения почвы ТМ вынос тяжелых металлов растениями также увеличивается, но не столь значительно по сравнению с поступлением. Поэтому с течением времени разрыв между поступлением и выносом возрастает, что ведет к накоплению ТМ почвой. Накопление таких ТМ, как свинец, медь и цинк ведет к снижению урожайности. Так при производстве исследований, в опытах, проводимых на землях СибНИИСХоза, при внесении чистых солей ТМ (Pbioo Сшоо Zmoo), урожайность корне - и клубнеплодов на черноземе выщелоченном понизилась на 3, 5 % у свеклы и на 5,3% у моркови (таблица 3.8).
Поступление тяжелых металлов в растения в зависимости от их содержания в почве
Связанные в единую цепочку жизни на Земле почва и растения взаимодействуют и обогащают друг друга питательными веществами в виде макро и микроэлементов. Микроэлементы необходимы растениям в небольших количествах. В почвах металлы-микроэлементы содержатся также в небольших количествах, их подвижность невелика, и можно предположить наличие некоторого равновесия в системе почва-растение [3,4,23,101]. Растения, поглощая химические элементы, способны регулировать этот процесс, если концентрация химических элементов достаточна низка. При повышении концентрации в почве процесс регулирования поступления микроэлементов в значительной степени подавляется [4], но почва, благодаря свойствам буферности, способна инактивировать токсиканты. При дальнейшем повышении концентрации ТМ в почвенных растворах растение способно самостоятельно сопротивляться губительным действиям токсикантов: часть ионов ТМ, содержащихся в почвенных растворах, абсорбируется корнями растений на внешней их поверхности [1,3,4,5].
Поступление и перемещение химических элементов в живой ткани растений возможно двумя путями: аппоплазматическим (по свободному пространству клеточных оболочек и межклеточных пространств, по принципу диффузии, и потока воды с растворенными в них веществами) и симплазматическим (избирательно поглощая ионы и ограничивая проникновение в клетку избыточных ионов) [17,103]. Указанные пути определяют уровни содержания тяжелых металлов в различных органах растений: в корнях, надземной части и плодах [1,3]. Ряд накопления ТМ частями растений можно представить в следующем виде: корни стебли листья семена клубни корнеплоды [1,2,3].
Корни накапливают тяжелые металлы в наибольших количествах, т.к.. именно корни способны депонировать проникнувшие в плазму ионы ТМ за счет образования малоподвижных соединений с органическими веществами [1,3]. Задерживая ТМ в корнях, растения уменьшают их влияние на элементный химический состав наиболее важных и чувствительных частей растительного организма, а именно, репродуктивных органов — плодов и семян [5]. Наиболее чистыми от ТМ подземными частями растений считаются клубни и корнеплоды, т.к. они не имеют проводящих путей ксилемы и их загрязнение объясняется диффузией через кожуру.
Эти выводы подтверждаются данными, полученными Центром 1 агрохимической службы «Омский». В ботве свеклы столовой и картофеля содержание свинца и цинка значительно выше, чем в клубнях. По свинцу это превышение составило от 10 до 30 раз; по цинку — в среднем в 12 раз. При этом загрязнение не повлияло на содержание ТМ в клубнях [2]. Что касается зерновых культур, то содержание свинца в зерне пшеницы . и ячменя в 3,4 раза меньше, чем в соломе, а меди и цинка, наоборот, в зерне больше, чем в соломе, но на небольшую величину (от 0,5 до 1,2 мг/кг) [1,2]. Это, вероятно, можно объяснить загрязнением надземной части за счет атмосферных осадков и пыли [1,3,16].
Поступление тяжелых металлов в растительные организмы возможно не только через корневую систему, но и через листья [1,3,4,16]. При этом пыль способна проникать как прямо в устьица, так и через покровные ткани листовой пластинки. По скорости проникновения в растения металлы можно распределить следующим образом: Cd Pb Zn Си Mn [1,3].
Растения способны концентрировать химические элементы в количествах значительно превышающих их содержание в окружающей среде (в десятки и даже сотни раз) [1,3,17,103,104,105]. Однако для нормального роста и развития растений необходим сбалансированный состав химических элементов. Поступление ТМ в больших концентрациях может приводить к дисбалансу и губительным последствиям, как для растительного организма, так и для последующих организмов, участвующих в цепи питания. Содержание микроэлементов в растениях значительно варьирует и определяется их поступлением, которое зависит от множества факторов: химических свойств металлов, концентрации и доступности микроэлементов в среде, уровня кислотности среды, условий влажности, температуры, аэрации в зоне корневой системы, возраста растений и анализируемого органа [3,4,23]. В результате наших исследований были получены данные, представленные в таблице 4.10 по которым можно судить о колебаниях в содержании ТМ в почве и растениях. В представленных расчетах растения были представлены как обобщенный элемент исследований.
