As и pb растениями амаранта из дерново подзолистой почвы и солонца гидроморфного
1На правах рукописи
Адимале Фелисьен НАКОПЛЕНИЕ As И Pb РАСТЕНИЯМИ АМАРАНТА ИЗ ДЕРНОВО ПОДЗОЛИСТОЙ ПОЧВЫ И СОЛОНЦА ГИДРОМОРФНОГО Специальность – 03.02.13 Почвоведение
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук
Санкт-Петербург 2011 2
Работа выполнена на кафедре агрохимии и агроэкологии Санкт-Петербургского государственного аграрного университета
Научный консультант: кандидат биологических наук, доцент Ефремова Марина Анатольевна
Официальные оппоненты: доктор сельскохозяйственных наук, профессор Попов Александр Иванович кандидат биологических наук Сухачёва Елена Юрьевна
Ведущая организация: ГНУ АФИ Россельхозакадемии
Защита диссертации состоится «29» декабря 2011 г. в 16 часов на заседа нии Совета Д 212.232.32 по защите докторских и кандидатских диссертаций при Санкт-Петербургском государственном университете в ауд. № 1 кафедры ботаники СПбГУ по адресу: 199034, Санкт-Петербург, Университетская наб., 7/9. Факс: 8 (812) 328-97-03.
С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке им. М. Горького Санкт-Петербургского государственного университета.
Автореферат разослан «» _ 2011 г.
Ученый секретарь совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.232.32 Никитина В. Н.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность исследований. Антропогенная деятельность приводит к длительному загрязнению почвы токсичными химическими элементами, спо собными по трофической цепи накапливаться в организме человека. К вещест вам первого класса опасности относят мышьяк и свинец, попадающие в почву из выбросов промышленных предприятий, отходов жизнедеятельности совре менного общества, а также в процессе эксплуатации агроэкосистем. Самоочи щение почвы от тяжелых металлов и металлоидов происходит чрезвычайно медленно. Использование в сельскохозяйственном производстве территорий, подверженных химическому загрязнению, предполагает принятие мер, направ ленных на снижение накопления экотоксикантов в продукции растениеводства.
Почвы, загрязненные токсичными элементами, могут быть подвергнуты фито ремедиации. Любое направление дальнейшего использования загрязненных почв предполагает изучение влияния агроэкологических факторов на поведение химических элементов-токсикантов в системе почва-растение.
Исследование накопления свинца и мышьяка растениями из почв разных типов является актуальным с точки зрения разработки рекомендаций по ис пользованию загрязненных территорий, выявления агрохимических мероприя тий, изменяющих скорость и величину биогеохимических потоков этих элемен тов в агроэкосистеме. Изучению поведения тяжелых металлов и мышьяка в почвах было посвящено значительное количество научных работ (Зырин Н.Г., Садовникова Л.К., 1985, Алексеев Ю.В., 1987;
Добровольский В.В., 1987, Гла зовская М.А., 1988;
Ильин В.Б., 1991;
Овчаренко М.М., 1997;
Adriano D.C., 2001, Ладонин Д.В., 2003 и др.). Однако для разработки технологии по управ лению продукционным процессом на загрязненной территории необходимо знать общие закономерности миграции токсикантов в агроландшафтах и осо бенности их поведения в системе почва-растение с учетом физико-химических свойств почвы и физиологических параметров растений.
Цель и задачи исследований. Цель исследований – выявление закономер ностей накопления Pb и As амарантом из загрязненных этими элементами дер ново-подзолистой среднесуглинистой почвы и солонца гидроморфного.
Задачи исследований:
1) определить влияние разных доз суперфосфата на параметры роста ама ранта на солонце гидроморфном в полевых условиях приморской низменности Бенина;
2) изучить влияние суперфосфата на параметры накопления Pb и As расте ниями амаранта из солонца гидроморфного и дерново-подзолистой среднесуг линистой почвы;
3) сравнить параметры накопления As и Pb амарантом из почв разных ти пов;
4) определить тип взаимодействия между As и Pb при их накоплении ама рантом из почв разных типов;
5) изучить накопление As растениями амаранта при разной степени загряз нения дерново-подзолистой почвы и солонца этим токсикантом;
6) сравнить фракционный состав фосфатов и As-содержащих соединений в пахотном горизонте дерново-подзолистой почвы и солонца гидроморфного.
Научная новизна. Определены параметры накопления As и Pb амарантом из дерново-подзолистой почвы и солонца гидроморфного при одноэлементном и полиэлементном их загрязнении экотоксикантами, а также в условиях изме нения дозы фосфорного удобрения. Впервые установлены:
коэффициенты накопления As и Pb амарантом из солонца гидроморфного в условиях приморской низменности Бенина;
влияние дозы суперфосфата на накопление As и Pb амарантом из хорошо окультуренной среднесуглинистой дерново-подзолистой почвы и солонца гидроморфного;
влияние совместного загрязнения почвы As и Pb на накопление этих эко токсикантов растениями амаранта из почв разных типов;
фракционный состав As-содержащих соединений в дерново-подзолистой среднесуглинистой почве и солонце гидроморфном после их загрязнения.
Практическая значимость. Установленные в ходе исследований законо мерности накопления Pb и As амарантом могут быть использованы при ведении растениеводства на загрязненной токсичными элементами территории. Выяв ленные зависимости накопления As и Pb растениями от дозы суперфосфата могут быть использованы при разработке мероприятий по фиторемедиации почв, загрязненных этими химическими элементами.
Основные положения, выносимые на защиту:
распределение As и Pb в системе почва-растение зависит от концентрации экотоксикантов и физико-химических параметров почвы;
доза фосфорного удобрения (суперфосфата) играет существенную роль в процессе накопления As и Pb растениями из почв разных типов;
совместное загрязнение почв разных типов мышьяком и свинцом сущест венно увеличивает накопление токсикантов по сравнению с моноэлементным загрязнением;
фракционный состав As-содержащих соединений в загрязненных арсени том натрия дерново-подзолистой среднесуглинистой почве и солонце гидро морфном слабо связан с фракционным составом фосфатов.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на заседаниях кафедры агрохимии и агроэколо гии СПбГАУ, на ежегодной научно-практической конференции профессорско преподавательского состава СПбГАУ (Санкт-Петербург, Пушкин, 2011), на конференции молодых ученых (Санкт-Петербург, Пушкин, СПбГАУ, 2010), на международном агропромышленном конгрессе «Инновации – основа развития агропромышленного комплекса» (Санкт-Петербург, 2010). По материалам дис сертации опубликованы 4 печатные работы, в том числе 3 статьи – в изданиях, рекомендованных ВАК.
Публикации. По результатам диссертационных исследований опублико вано 4 работы, в том числе три в изданиях, рекомендованных ВАК.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введе ния, 3 глав, выводов, библиографического списка. Содержание работы изложе но на 128 страницах. Материалы диссертации проиллюстрированы 21 таблицей и 10 рисунками. Библиографический указатель содержит 246 источников.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ Изучение закономерностей распределения Pb и As в системе почва – рас тение проводили в нескольких опытах, поставленных с 2008 по 2010 гг. на со лонце гидроморфном и дерново-подзолистой среднесуглинистой почве (табл.1).
Во всех экспериментах выращивали амарант (Amaranthus gangeticus L.), кото рый во многих странах широко используется в пищу. В качестве минеральных удобрений использовали простой суперфосфат (26 % д.в.), мочевину (46 % д.в.) и сульфат калия (45 % д.в.). Повторность опытов 3-х кратная.
Таблица 1. Виды и объекты исследований Pb Pb, As As Солонец гидроморфный (Сг) Дерново- Дп и Сг Объекты подзолистая почва (Дп) Вид иссле- Полевой опыт Лабораторный Вегетационный Лабораторный дования опыт (2) опыт (3) опыт (4) (1) NK- Фон NK- Фон NK- Фон NPK- Фон 1. 1. 1. 1.
Фон + P80 Фон + P1 Фон + P1 Фон + As 2. 2. 2. 2.
Фон + P160 Фон + P2 Фон + P2 Фон + As 3. 3. 3. 3.
Схема Фон + P240 Фон + P3 Фон + P3 Фон + As 4. 4. 4. 4.
опыта Фон + P320 Фон + P4 Фон + P4 Фон + As 5. 5. 5. 5.
Фон + P400 Фон + As 6. 6.
Для постановки ряда опытов использовали образцы солонца гидроморф ного лугового нитратного высокосолончаковатого слабозасоленного глубокого малогумусного глыбистого. Грунтовые воды на участке приморской низменно сти Бенина, где закладывался полевой опыт, находятся на глубине менее чем 3м от поверхности. Верхняя граница солевых выделений регистрируется на глуби не около 48 см. Надсолонцовый горизонт, являющийся в современный период пахотным, – глубокий (более 18 см), отличается легким гранулометрическим составом. Физико-химические показатели почвы были определены по методи кам, рекомендуемым для анализа солонца. Содержание гумуса 0,88%, рН(Н2О) 8,4, содержание обменного Na – 7,85 мэкв/100 г почвы. Емкость поглощения 23,5 мэкв/100 г. Содержание подвижных соединений фосфора в пахотном слое почвы 54,26 мг/100 г почвы (по Мачигину), высокое содержание элемента мо жет быть объяснено насыщенностью верхнего горизонта почвы остатками ра ковин морских животных. Содержание подвижного калия 21,48 мг К2О/100 г. В результате антропогенной деятельности солонец загрязнен свинцом (73, мг/кг). Содержание As 4,4 мг/кг почвы. Содержание кислоторастворимых со единений Pb и As в почвах было определено по методу К.Е. Гинзбург с оконча нием анализа на эмиссионном спектрометре с индуктивно-связанной плазмой «Оптима-2100 DV». Анализ водной вытяжки солонца представлен в табл.2. Для солонца гидроморфного приморской низменности Бенина характерен нитрат ный тип засоления. Среди водорастворимых веществ почвы большая доля (око ло 62%) приходится на органические вещества.
Таблица 2. Характеристика водной вытяжки солонца гидроморфного Общая щелочность Анионы Катионы Прокален. остаток Активная кислот Сухой остаток ность Pb Сумма Сумма HCO3 CO32 SO42 Mg2+ NO3 Ca2+ Na+ K+ Cl ммоль/100г почвы % мг/кг 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 3, 0, 0, 2, 0, 3, 29, Агрохимические показатели дерново-подзолистой среднесуглинистой почвы были определены по методикам ГОСТ. Исходя из полученных результа тов, почву опыта можно отнести к категории хорошо окультуренных дерново подзолистых почв. Пахотный горизонт имеет темно-серую окраску при мощно сти 27 см. Для почвы характерны повышенное содержание органического ве щества (4,95%), нейтральная реакция среды (рHKCl 6,2) высокая степень насы щенности основаниями 95,72%, очень высокое содержание подвижного фосфо ра 35 мг Р2О5/100 г почвы и высокое содержание обменного калия 18,53 мг/ г почвы. Содержание кислоторастворимых соединений Pb в дерново подзолистой почве - 20,6 мг/кг - меньше ПДК и ОДК, нормируемых для этого элемента в почве. Содержание As - 5,2мг/кг почвы - вдвое превышает ПДК. То есть выбранная дерново-подзолистая почва антропогенно загрязнена мышья ком.
К химическому анализу растения амаранта были подготовлены путем мокрого озоления в смеси концентрированных кислот НNO3 и HClO4 (соотно шение 1:5). Содержание As и Pb в растворах было определено – на атомно абсорбционном спектрометре Varian AAS-240 VGA-77 и эмиссионном спек трометре с индуктивно-связанной плазмой «Оптима-2100 DV».
Для характеристики поведения As и Pb в системе почва-растение исполь зованы расчетные величины: коэффициент накопления элемента растениями (КН), вынос элемента растениями, доступная доля элемента в почве. КН – от ношение концентрации элемента в растениях к его валовому содержанию в почве. Валовое содержание представляет собой сумму концентрации кислото растворимой формы элемента и количества элемента, внесенного в почву опыта с целью загрязнения. Вынос элемента рассчитывался как произведение массы растений на концентрацию химического элемента в растениях. Доступная доля химического элемента в почве рассчитана как отношение выноса элемента рас тениями амаранта из почвы (мг/сосуд) к общему содержанию элемента в почве (мг/сосуд) перед высадкой растений (т.е. к сумме содержания кислотораство римых соединений элемента и искусственно привнесенного в почву количества элемента).
Опыт 1. Полевой опыт. Для полевого опыта была выбрана техногенно за грязненная свинцом почва приморской низменности Бенина (солонец гидро морфный). На выбранном участке традиционно выращивают овощные культу ры. Опыт микрополевой, площадь делянки – 1 м2. Расположение делянок – трехрядное систематическое. Амарант был высажен в почву в виде рассады по 16 растений на одну делянку. Возраст растений при посадке составил 11 суток.
Предварительно молодые растения проращивались и содержались в школке.
Уборку амаранта проводили на 33 день вегетации.
Опыт 2. Лабораторный опыт. Цель эксперимента состояла в изучении нако пления Pb растениями амаранта из солонца гидроморфного, загрязненного As, при увеличении концентрации фосфатов в почве. Содержание свинца в почве не корректировалось. Загрязнение почвы мышьяком создавалось за счет внесе ния в почву раствора Na3AsO3 одновременно с удобрениями, после чего содер жание мышьяка в почве составило с учетом первоначального содержания эле мента в почве (до опыта) 8,8 мг/кг абсолютно сухой почвы. Опыт проводился в пластиковых сосудах, масса абсолютно сухой почвы - 300 г/сосуд. Возраст рас тений при высадке в сосуде составил 10 суток. Уборку амаранта проводили на 41 день вегетации. К моменту уборки на каждый сосуд приходилось по 6 расте ний. После уборки и учета урожая с каждого опытного варианта составлялась объединенная растительная проба на определение содержания свинца.
Опыт 3. Вегетационный опыт, в котором исследовались параметры накоп ления Pb и As амарантом из дерново-подзолистой среднесуглинистой почвы при увеличении содержания ней фосфатов. Перед размещением почвы в сосуды Кирсанова она была смешена с удобрениями и растворами солей As и Pb одно временно. Масса почвы в каждом сосуде – 5 кг. При внесении растворов Na3AsO3 и Pb(NO3)2 в почву валовое содержание свинца и мышьяка в ней уве личилось на 96 мг/кг (3 ПДК) и 4 мг/кг (2 ПДК) соответственно. Таким обра зом, после загрязнения почвы концентрация Pb в ней составила 116,6 мг/кг абс.
сухой почвы, концентрация As – 9,2 мг/кг. Возраст растений при высадке в почву составил 11 суток. Уборку амаранта проводили на 48 день вегетации. К моменту уборки на каждый сосуд приходилось по 7 растений. Во время их ве гетации в опыте поддерживалась оптимальная влажность почвы на уровне 70 % ППВ.
Опыт 4. Лабораторный опыт по исследованию накопления As амарантом из дерново-подзолистой среднесуглинистой почвы и солонца гидроморфного при разной степени загрязнения почв этим токсикантом. Варианты опыта соответ ствуют следующим уровням загрязнения почвы мышьяком: 1;
2;
3;
4 и 5 ПДК.
Опыт проводился в пластиковых сосудах, масса абсолютно сухой почвы в каж дом сосуде составляла 300 г. Почву загрязняли раствором Na3AsO3 при внесе нии удобрений, после этого инкубировали в течение 1 месяца при комнатной температуре в лабораторном помещении. Влажность почвы в течение опыта поддерживали на уровне 70% от ППВ. В подготовленные сосуды были высеяны семена амаранта по 18 штук/сосуд. После прорастания амаранта в каждом со суде было оставлено по 10 растений. Уборку амаранта проводили на 27 день вегетации.
После уборки и учета урожая с каждого опытного варианта составлялась объединенная растительная проба для определения содержания мышьяка. Кро ме того, в почвах опыта был определен групповой и фракционный состав фос фатов и мышьяксодержащих соединений (по методу К.Е. Гинзбург и Л.С. Лебе девой, 1971). Эти исследования были проведены только в двух вариантах: при загрязнении почвы As в дозе 6 и 10 мг/кг.
Основные показатели, полученные, в исследованиях, подвергались матема тической обработке методами корреляционного и дисперсионного анализов в программе MS Exel 2003.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ 1. Накопление Pb растениями амаранта из солонца гидроморфного (полевой опыт) Увеличение дозы суперфосфата способствовало падению величины уро жайности амаранта, что, по-видимому, обусловлено увеличением концентрации солей в почвенном растворе (табл. 3). Установлено, что у культурных растений на засоленных почвах нарушаются минеральное питание и обмен веществ, за держивается развитие особенно в начальной фазе, ослабляется фотосинтез и, как следствие, снижается урожай (Кошкин Е.И.,2010).
При увеличении дозы суперфосфата до 160-240 кг/га концентрация Pb в растениях амаранта и КН уменьшились в 2 раза по сравнению с контролем (рис.1). Это явление может быть связано с химическим закреплением Pb в со ставе фосфорных соединений, а также со способностью растений применять защитные механизмы, ограничивающие поступление тяжелых металлов через мембраны клеток.
При больших дозах удобрения накопление Pb в надземную часть растений увеличилось. Можно предположить, что при созданной нами искусственно высокой концентрации солей в корнеобитаемой зоне развивается следующая после адаптации стадия стрессовой реакции растений – стадия истощения [Пронина Н.Б., 2000]. Это состояние растений связывают с нарушением мем бранных барьеров или процессов и объясняют значительной потерей мембран ной целостности, в результате чего транспирация приводит к поглощению и транспорту ионов согласно схеме массового потока.
Таблица 3. Масса амаранта и накопление Pb из солонца гидроморфного Концентрация Pb Масса растений в растениях, Вынос, Варианты опыта (воздушно сухая), мг/кг абсолютно г/га т/га сухой массы N100K100– фон 0,325 3,08 1, фон + P80 0,266 2,72 0, фон + P160 0,292 1,62 0, фон + P240 0,265 1,56 0, фон + P320 0,206 2,69 0, фон + P400 0,202 2,81 0, НСР05 0,050 - Точность опыта, % 7,43 - r (от дозы Р2О5) -0,91 -0,12 -0, r (от массы растений) - -0,14 0, Рисунок 1. - Влияние простого суперфосфата на накопление Pb амарантом из солонца гидроморфного Вынос металла растениями амаранта снижался при увеличении содержания фосфатов в почве и возрастал при увеличении массы растений, на что указыва ют данные корреляционного анализа (табл.3). Причем, вынос свинца амарантом более тесно связан с содержанием фосфора в почве, чем с изменением массы растений. По-видимому, в снижении накопления тяжелого металла растениями из солонца химическое закрепление свинца фосфатами играет не меньшую роль, чем влияние процессов роста и развития растений.
2. Накопление Pb амарантом при загрязнении почвы As и Pb (лабораторный опыт) Растения испытывали угнетение при внесении фосфорных удобрений. При увеличении дозы простого суперфосфата в 5 раз масса растений уменьшилась более чем в 2 раза (без учета контрольного варианта) (табл.4).
Концентрация Pb в растениях амаранта и его коэффициенты накопления возрастали прямо пропорционально дозе суперфосфата и обратно пропорцио нально массе амаранта. В лабораторном опыте параметры накопления Pb ама рантом в 7 раз выше, чем в полевом эксперименте. В модельных опытах иссле дуемые факторы проявляют себя более ярко. Однако столь высокое увеличение параметров накопления Pb можно связать с тем, что почва дополнительно за грязнена As. Поступление As в растения способствовало усилению негативных физиологических процессов, наблюдаемых при солевом стрессе.
Таблица 4. Влияние суперфосфата на массу растений, накопление Pb ама рантом из солонца, загрязненного мышьяком, и актуальную кислотность почвы Концентрация Масса Вынос Доступ Pb растений Варианты в растениях, КН ная рН Pb, (воздушно опыта мг/кг абсо- мкг/сосу доля, (Н2О) Pb сухая), лютно сухой д % г/сосуд массы 1. NK+As – фон 8, 0,737 6,59 0,09 4,85 0, 2. Фон + P0,1 8, 0,399 8,57 0,12 3,42 0, 3. Фон + P0,2 8, 0,086 23,42 0,32 2,01 0, 4. Фон + P0,4 7. 0,105 19,47 0,26 2,04 0, 5. Фон + P0,5 7, 0,117 27,53 0,37 3,22 0, среднее - 17,12 0,23 3,11 0, НСР05 0,014 - - - r (от дозы Р2О5) -0, -0,81 0,86 0,86 -0,58 -0, r (от массы - -0,88 -0,89 0,92 0,92 раст.) Внесение фосфорного удобрения способствовало снижению актуальной кислотности почвы, по-видимому за счет свободной ортофосфорной кислоты, содержащейся в простом суперфосфате (Анспок П.И., Штиканс Ю.А., Визла Р.Р, 1981). Снижение рНН2О сопровождалось увеличением биодоступности Pb, корреляционная зависимость КН свинца растениями от величины актуальной кислотности тесная отрицательная полиномиальная, r=-0,98 (рис.2). Перегиб функции в области рН 7,9-8,0, возможно, связан с изменением химической формы Pb в почвенном растворе, т.к. элемент амфотерен.
Вынос свинца растениями тесно положительно коррелировал с массой амаранта и уменьшался при увеличении дозы суперфосфата (табл. 4). Растени ям оказалась доступна малая доля от общего содержания Pb в почве, заключен ной в объеме лабораторного сосуда, в среднем только 0.014%.
Рисунок 2. - Влияние актуальной кислотности солонца на накопление Pb амарантом 3. Накопление Pb и As амарантом из дерново-подзолистой среднесугли нистой почвы (вегетационный опыт) 3.1 Накопление Pb амарантом В вегетационном опыте увеличение концентрации фосфора в дерново подзолистой почве способствовало возрастанию урожайности амаранта (r=0,7).
Однако достоверное увеличение массы растений зафиксировано только при внесении в почву 0,5 г Р2О5/кг почвы (табл.5). Вероятно, малая отзывчивость растений на внесение суперфосфата связана с высоким содержанием подвиж ного, и, следовательно, доступного для них фосфора в почве опыта.
Между параметрами накопления Pb, концентрацией и КН Pb, и дозой фос форного удобрения не выявлена достоверная прямолинейная зависимость, од нако коэффициент корреляции указывает на обратно пропорциональную связь.
Если при нахождении корреляционной зависимости не учитывать контрольный вариант, то значение коэффициента корреляции возрастает до r=-0,89. Можно предположить, что при внесении суперфосфата в почве формируются слаборас творимые соли фосфатов свинца.
Математическая обработка данных показывает, что полиномиальная функ ция более точно, чем прямолинейная описывает влияние дозы фосфора на КН Pb в растениях амаранта (рис. 3).
Невысокие дозы суперфосфата способствовали увеличению КН свинца ама рантом в 2 раза и более. Можно предположить, что это явление связано с акти вированием роста амаранта при внесении удобрений, усилением роста корне вой системы растений, что проявилось в увеличении выноса Pb растениями.
При внесении более высоких доз суперфосфат Р0,3-0,4 наблюдается снижение на копления тяжелого металла растениями, однако наименьшие КН свинца, дос тигнутые в последних вариантах опыта, не значительно отличаются от кон трольного варианта. Таким образом, внесение суперфосфата на хорошо окуль туренной дерново-подзолистой среднесуглинистой почве, загрязненной свин цом, не эффективно с точки зрения получения более чистой растениеводческой продукции.
Таблица 5. Накопление Pb и As растениями амаранта при увеличении концен трации фосфатов в дерново-подзолистой почве (вегетационный опыт) Pb As растениях, мг/кг растениях, мг/кг Доступная доля, Доступная доля, Масса Концентрация в Концентрация в абс. сух. массы абс.сух. массы растений мкг/сосуд мкг/сосуд Варианты Вынос, Вынос, (возд.
опыта % % сухая), г/сосуд NK+As+Pb-фон 3,32 2,35 7,80 0,001 0,25 0,83 0, фон + P0,1 3,27 4,94 16,15 0,003 0,26 0,85 0, фон + P0,2 4,29 4,82 20,68 0,004 0,26 1,12 0, фон + P0,3 4,50 2,10 9,45 0,002 0,30 1,35 0, фон + P0,4 5,10 2,26 11,53 0,002 0,37 1,89 0, Среднее значе - 3,29 13,12 0,002 0,29 1,17 0, ние НСР05 1,51 - - - - - r (от дозы Р2О5) 0,70 -0,33 -0,13 -0,13 0,91 0,89 0, r (от массы рас - -0,20 0,14 0,14 0,85 0,95 0, тений) Параметры накопления Pb растениями амаранта из дерново-подзолистой почвы значительно ниже, чем из солонца в лабораторном опыте: концентрация Pb – в 5,2 раза, КН – в 8,2 раза. Более прочному закреплению свинца в дерново подзолистой почве способствовали более тяжелый гранулометрический состав и более высокое содержание гумуса.
Вынос свинца растениями и его доступная доля в дерново-подзолистой поч ве были слабо связаны с дозой фосфорного удобрения и с массой растений (табл.5). Расчетная величина доступной для надземной части растений доли Pb была не более 0,004% от того количества металла, которое оказалось в почве вегетационного сосуда после ее загрязнения в ходе закладки опыта. Это в 2 раза ниже минимального аналогичного показателя, полученного в лабораторном опыте на солонце, в который свинец нами не вносился. Таким образом, из дер ново-подзолистой почвы тяжелый металл менее доступен растениям, чем из со лонца гидроморфного.
Рисунок 3. - Влияние суперфосфата на накопление Pb амарантом из дерно во-подзолистой среднесуглинистой почвы 3.2 Накопление As амарантом На загрязненных почвах растения могут накапливать экстремально высокие количества As, свыше 6000 мг/кг сухой массы (Кабата-Пендиас, А., Пендиас, Х., 1989). Почва нашего вегетационного опыта была загрязнена арсенитом на трия, доза мышьяка, внесенного в почву, составила 2 ПДК. Средняя концен трация As в растениях амаранта, выросших на дерново-подзолистой поч ве, составила 0,29 мг/кг сухой массы (табл.5). Абсолютные параметры на копления As в растениях в среднем были ниже, чем параметры накопления Pb:
концентрация – в 11,3 раза, вынос растениями – в 10,8 раза (табл.5, 6). Относи тельные параметры накопления As и Pb, КН и относительная доля выноса эле мента растениями из почвы, были практически одинаковыми. Таким образом, доступность мышьяка растениям амаранта из дерново-подзолистой почвы и доступность свинца сопоставимы.
Концентрация As в растениях амаранта в сильной степени зависела от их массы (r=0,85) и от дозы фосфорного удобрения (r=0,91). Так как масса амаран та находилась в тесной связи с дозой фосфорных удобрений (r=0,84), то можно утверждать, что увеличение концентрации фосфатов в окультуренной средне суглинистой дерново-подзолистой почве способствовало увеличению накопле ния As в растениях за счет увеличения его выноса растениями, что подтвер ждают рассчитанные в эксперименте значения выноса As (табл.14).
Между КН As и дозой фосфорного удобрения обнаружена прямопропор циональная зависимость (r=0,91) (рис. 4).
Фосфор и мышьяк согласно их положению в Периодической системе явля ются элементами-аналогами. В соответствии с этим Р и As могут конкуриро вать за места сорбции на поверхности твердой фазы почвы и на поверхности корневой системы в экологически важных диапазонах рН (Саркар Д., Датта Р., 2009). Исследованиями на микроорганизмах (Чакраборти Р., Рой П., 2009), по казано, что арсенаты поступают в бактериальную клетку через быстрые неспе цифические системы поглощения фосфатов, тот же механизм накопления арсе ната можно предположить для растений. Считается, что арсенит-ион не может использовать систему транспорта фосфатов, хотя специальных исследований, как этот ион поступает в клетку, не проводилось. Результаты нашего опыта не указывают на наличие конкуренции между ионами фосфатов и арсенитов, в со ставе которых внесен As в дерново-подзолистую почву, при их накоплении растениями амаранта.
Рисунок 4.- Влияние простого суперфосфата на накопление As амарантом из дерново-подзолистой среднесуглинистой почвы Накопление As растениями амаранта из почв разных типов 4.
(лабораторный опыт) 4.1 Параметры накопления As амарантом Масса амаранта, выращенного на дерново-подзолистой почве (табл. 6), увеличивалась при возрастании концентрации в ней мышьяка (r=0,9). Эффект стимуляции роста растений под действием мышьяка наблюдался и ранее (Зы рин Н.Г., Садовникова Л.К., 1985). Предполагается, что он частично обу словлен стерилизацией почвы. Возможно, что мышьяк как восстановитель усиливает действие окислительных ферментов в клетках растений. Досто верное увеличение массы амаранта в лабораторном опыте наблюдалось, начи ная с дозы загрязнения 6 мг As/кг дерново-подзолистой почвы.
Мышьяк, внесенный в солонец, ингибировал рост амаранта (r=-0,94) (табл.
6). При загрязнении солонцовой почвы мышьяком в дозе 2 мг As/кг снижение массы амаранта составило 32%. Достоверное снижение массы растений (57%) зафиксировано при загрязнении почвы в количестве 6 мг As/кг почвы. Таким образом, на солонце As оказался более фитотоксичен, хотя валовое содержание мышьяка в дерново-подзолистой почве несколько выше, чем в солонце гидро морфном. Вероятно, твердая фаза дерново-подзолистой почвы активно погло щала мышьяк за счет образования комплексов металлоида с (гидр)оксидами железа, гуминовыми кислотами, так что концентрация доступного для растений мышьяка была значительно ниже дозы внесения. В солонцовой почве легкого гранулометрического состава с рН 8,4 и низким содержанием органического вещества мышьяк был более подвижен. Кроме того, произрастающие на солон це растения были ослаблены солевым стрессом.
Содержание As в амаранте изменялось в характерных для этого растения пределах, отмеченных ранее в мониторинговых исследованиях, проведенных в индустриально загрязненных агроэкосистемах Индии (Чандра Сехар К., Чари Н.С., Камала С.Т., Кишан Рао А., Пинский Д.Л., 2006). Средняя концентрация мышьяка в растениях амаранта на дерново-подзолистой почве в среднем в раза ниже, чем на солонце (табл.6). В этих же пределах различались коэффици енты накопления токсиканта растениями.
Концентрация As в растениях амаранта и его КН на обеих почвах возраста ли пропорционально содержанию металлоида в почве (рис. 5). Связь между КН As и его валовым содержанием в дерново-подзолистой почве достоверно опи сывается прямолинейной зависимостью (r=0,98). На солонце зависимость имеет тенденциозный характер (r=0,72). Можно предположить, что концентрация доступного растениям As в почвенном растворе солонца определяется допол нительными факторами, например, образованием комплексов с растворимыми органическими соединениями, изменяющими подвижность мышьяка в системе почва-растение.
Вынос мышьяка растениями на дерново-подзолистой почве увеличивался, благодаря возрастанию массы амаранта при увеличении концентрации элемен та в почве (табл. 6). На солонце вынос As амарантом также возрастал, но здесь наблюдалось угнетение растений при усилении загрязнения почвы и, вероятно, снижение избирательной способности корневой системы.
Рисунок 5. - Зависимость накопления As амарантом от его концентрации в почве 4.1 Исследование фракционного состава фосфатов As-содержащих со единений дерново-подзолистой почвы и солонца гидроморфного Фракционный и групповой состав фосфатов определяли в двух вариантах, при загрязнении почвы As в дозах 6 и 10 мг/кг почвы. Увеличение загрязнения дерново-подзолистой почвы мышьяком способствовало возрастанию концен трации однозамещенных фосфатов в 2,5 раза (табл. 7). В этом же эксперименте наблюдалось возрастание массы растений при увеличении содержания As в почве (табл. 6). Сопряженный анализ этих данных позволяет предположить, что внесение мышьяка в дерново-подзолистую почву способствовало некоторой ее стерилизации, т.е. чем больше была степень загрязнения почвы, тем меньше ак тивность сообщества микроорганизмов, в том числе микроорганизмов, иммо билизующих фосфор из почвы. В итоге в варианте с более высокой степенью загрязнения мышьяком растениям становится доступной более значимая с точ ки зрения их питания часть общего количества макроэлемента.
Содержание однозамещенных и двухзамещенных фосфатов в среднем по двум ва риантам было почти одинаково и составило в дерново-подзолистой почве соответст венно 23,9 и 25,2% (рис. 6). Сумма фосфатов кальция разной степени замещенности (Ca-PI+Ca-PII+ Ca-PIII) оказалась высокой - 70,3% от содержания гидролизуемых фосфатов.
Таблица 6. Масса амаранта и параметры накопления As растениями амаранта из дерново-подзолистой почвы и со лонца гидроморфного при разной степени загрязнения почв As Дерново-подзолистая среднесуглинистая почва Солонец гидроморфный Доза Концентра- Концентра As, Валовое Масса Валовое Масса Варианты ция As в ция As в мг/кг содержание растений Вынос As, содержание As растений Вынос As, опыта растениях, растениях, поч- As в почве, (возд. сух.), мкг/сосуд в почве, (возд. сух.), мкг/сосуд мг/кг абс. мг/кг абс.
вы мг/кг почвы г/сосуд мг/кг почвы г/сосуд сух. массы сух. массы 1 - 5,2 0,067 - - 4,4 0,247 - 2 2 7,2 0,071 0,02 0,001 6,4 0,168 0,06 0, 3 4 9,2 0,111 0,09 0,010 8,4 0,140 0,43 0, 4 6 11,2 0,227 0,17 0,039 10,4 0,106 0,65 0, 5 8 13,2 0,202 0,26 0,053 12,4 0,096 0,65 0, 6 10 15,2 0,212 0,32 0,068 14,4 0,083 0,80 0, Среднее зна - - 0,15 0,17 0,034 0,14 0,52 0, чение НСР05 - - 0,083 - - - 0,127 - r (от массы - 0,85 0,89 - - -0,98 -0, растений) r (от дозы As) 0,90 1,00 0,99 - -0,94 0,93 0, Сумма гидролизуемых фосфатов в этой почве при увеличении степени ее загрязнения мышьяком возрастала слабо, на 2,4% (табл. 7). В среднем по двум вариантам отмечается высокое содержание гидролизуемых фосфатов в дерно во-подзолистой почве 52,2% от общего содержания почвенных фосфатов (рис.
6), что объясняется внесением удобрений.
Наибольшее количество гидролизуемых фосфатов в солонце гидроморфном приурочено к наиболее растворимым фракциям однозамещенных и двухзаме щенных фосфатов. На их долю пришлось 79% активного фосфора почвы (рис.
6). По-видимому, к ним относятся не только фосфаты кальция, но в значитель ной степени – фосфаты натрия.
Активные фосфаты в солонце в сумме составили только 23,4% от общего содержания фосфора (рис. 6). Количество негидролизуемых соединений фос фора в 3 раза больше, чем в дерново-подзолистой почве. Вероятно, запас нерас творимых соединений фосфора обеспечен большим содержанием в солонце об ломков раковин морских животных.
Фракционный состав фосфатов, % ис.
Рис. 6 Групповой и фракционный составы фосфатов в почвах разных типов Таблица 7. Фракционный состав фосфатов и As-содержащих соединений в почвах разных типов Вытяжки Валовое со- Аммонийно- Ацетатно- Фтор Доза As, Сумма всех Щелочная Сернокислая держание молибдатная молибдатная аммонийная мг/кг почвы вытяжек фосфора Ca-PI Ca-PII Al-P Fe-P Ca-PIII Фосфаты Дерново-подзолистая среднесуглинистая почва мг/кг мг/кг мг/кг мг/кг мг/кг мг/кг %* %* %* %* %* 6 2993 214 7,2 454 15,2 213 7,1 251 8,4 395 13,2 10 2993 534 17,8 334 11,2 245 8,2 219 7,3 267 8,9 среднее значение 374 12,5 394 13,2 229 7,65 235 7,85 331 11,0 Солонец гидроморфный 6 5672 533 9,40 517 9,11 182 3,21 25,8 0,45 93,8 1,65 10 5672 533 9,40 493 8,69 164 2,89 18,7 0,33 90,6 1,60 среднее значение 533 9,40 517 9,11 182 3,21 25,8 0,45 93,8 1,65 As-содержащие соединения Дерново-подзолистая среднесуглинистая почва мг/кг мг/кг мг/кг мг/кг мг/кг мг/кг %* % % % % 6 11,2 1,82 16,2 - - - - - - 1,50 13,4 3, 10 15,2 1,18 7,8 - - - - - - 1,47 9,7 2, среднее 13,2 1,5 12,0 - - - - - - 1,48 11,5 3, Солонец гидроморфный 6 10,4 9,7 93,6 - - - - - - - - 9, 10 14,4 9,9 68,8 - - - - 0,7 4,9 1,7 11,5 12, среднее 12,4 9,8 81,2 - - - - 0,35 2,82 0,85 6,86 11, %* - доля от валового содержания элемента в почве Распределение As в исследуемых фракциях слабо корреллировало с распре делением фосфора: r=0,46 на солонце и r=-0,41 на дерново-подзолистой почве (табл. 7). Отрицательный коэффициент корреляции на дерново-подзолистой почве может указывать на некоторую конкуренцию между соединениями фос фора и мышьяка при поглощении твердой фазой почвы. Тенденция к положи тельной корреляции исследуемых параметров на солонце, емкость поглощения которого очень мала, возможно, отражает близкую растворимость соединений As и P в условиях щелочной реакции.
гидролизуемых As-содержащих Фракционный состав соединений, % Рис. 7 Групповой и фракционный состав As-содержащих соединений Данные исследований показывают, что As прочно закреплен в твердой фазе дерново-подзолистой почвы, т.к. активные соединения As составили всего 23,5% (рис. 7). В солонце количество гидролизуемых соединений As было в 3, раза больше, хотя валовое содержание элемента в обеих почвах находилось примерно на одном уровне. Это может быть связано с невысокой сорбционной емкостью легкосуглинистой малогумусированной почвы и высокой величиной рН почвы, при которой As подвижен (Глазовская М.А.,1988). По-видимому, та кое большое количество гидролизуемых As-содержащих соединений в солонце является причиной превышения в 3,3 раза величины КН As растениями амаран та на этой почве по сравнению с дерново-подзолистой почвой.
В дерново-подзолистой почве мышьяк гидролизуемых соединений равно мерно распределялся между легкорастворимой фракцией однозамещенных ар сенитов (арсенатов) и фракцией труднорастворимых трехосновных As содержащих соединений кальция (рис. 7). Его содержание в других фракциях не удалось зарегистрировать. В солонце однозамещенные соединения мышьяка составили 89,1% от содержания гидролизуемых соединений элемента и 81,2% от общего содержания As в почве.
ВЫВОДЫ 1. Внесение простого суперфосфата в солонец гидроморфный достоверно снижало массу амаранта (r=-0,91), что, вероятно, обусловлено усилением со стояния солевого стресса растений.
2. Внесение простого суперфосфата в солонец гидроморфный в дозах 80 240 кг P2O5/га способствовало снижению коэффициента накопления Pb рас тениями амаранта в 2 раза. Более высокие дозы фосфорного удобрения уве личивали накопление свинца в растениях, что, по-видимому, связано с поте рей способности растений избирательно поглощать из почвы химические элементы в условиях солевого стресса.
3. Внесение простого суперфосфата в дерново-подзолистую почву в реко мендованной для вегетационного опыта дозе способствовало возрастанию КН Pb в растениях амаранта в 2 раза. Дальнейшее увеличение дозы супер фосфата в 4 раза сопровождалось снижением КН Pb в 2,3 раза, что может быть обусловлено формированием нерастворимых фосфатов свинца. Однако минимальные КН Pb в вариантах с применением простого суперфосфата близки по значению КН Pb в контроле, где удобрение не применялось.
4. КН Pb амарантом из среднесуглинистой дерново-подзолистой почвы в 8, раза ниже, чем из солонца (в условиях полиэлементного загрязнения почв).
Меньшая биодоступность Pb из дерново-подзолистой почвы связана с более тяжелым гранулометрическим составом и большим содержанием органиче ского вещества в этой почве по сравнению с солонцом гидроморфным.
5. Между Pb и As при их накоплении растениями амаранта из почв разных типов проявляется взаимодействие по типу синергизма. При полиэлементном загрязнении солонца гидроморфного свинцом и мышьяком КН Pb в растени ях амаранта были в 7 раз выше, чем в условиях моноэлементного загрязнения почвы свинцом. Коэффициенты накопления As амарантом из дерново подзолистой почвы, загрязненной свинцом, были в 2,8 раза больше, чем при одностороннем загрязнении почвы мышьяком.
Возрастание концентрации фосфатов в окультуренной среднесуг 6.
линистой дерново-подзолистой почве способствовало увеличению КН As в растениях амаранта (r=0,91). Причина этого явления состоит в интенсифика ции роста растений и увеличения выноса As из-за применения суперфосфата.
Параметры накопления As растениями амаранта из дерново 7.
подзолистой почвы и солонца гидроморфного возрастали прямо пропорцио нально концентрации элемента в почве. Увеличение содержания As в обеих почвах в 2 раза (без учета контрольного варианта) привело к возрастанию его КН в растениях амаранта в 7 раз на дерново-подзолистой почве и в 6,3 раза на солонце. Коэффициенты накопления As амарантом из среднесуглинистой дерново-подзолистой почвы в среднем в 3,3 раза ниже, чем из солонца.
Анализ фракционного состава фосфатов в почве через 2 месяца по 8.
сле внесения простого суперфосфата показал, что в дерново-подзолистой почве содержание гидролизуемых фосфатов составило 52%, в солонце гид роморфном – 23%, что, по-видимому, связано с присутствием в солонце большого количества обломков раковин морских животных, содержащих в своем составе фосфор. В солонце гидроморфном к наиболее растворимым фракциям однозамещенных и двухзамещенных фосфатов приурочено 78% активного фосфора почвы. В дерново-подзолистой почве в эти фракции вхо дит 49% от общего количества гидролизуемых фосфатов.
Содержание гидролизуемых As-содержащих соединений в дерново подзолистой почве в 3,8 раза меньше, чем в солонце гидроморфном при со поставимом валовом содержании элемента в обеих почвах. В солонце одно замещенные соединения мышьяка заняли 89% от общего количества его гид ролизуемых соединений. Высокая подвижность As в солонце гидроморфном является причиной большего накопления As растениями амаранта из этой почвы по сравнению с дерново-подзолистой почвой.
Список работ, опубликованных по теме диссертации 1. Адимале Ф., Ефремова М. А. Накопление Pb и As растениями амаранта из дерново-подзолистой почвы // Известия СПбГАУ. 2010. № 18. С. 57–61.
2. Ефремова М. А., Адимале Ф. Накопление As растениями амаранта из дер ново-подзолистой и солонцовой почв // Известия СПбГАУ. 2010. № 19.
С. 87–92.
3. Ефремова М. А., Адимале Ф. Влияние свойств почвы на накопление As рас тениями амаранта // Известия СПбГАУ. 2010. № 20. С. 47–53.
4. Шурпатова В. Г., Адимале Ф. Накопление Pb растениями амаранта из дер ново-подзолистой почвы //Вестник студенческого научного общества. – СПб: Изд-во С.-Петерб. гос. аграрн. ун-та. 2010. С. 211–213.