Особенности аккумуляции макроэлементов и тяжелых металлов в почве и растениях земляники садовой (Fragaria ananassa)

Важной задачей современного растениеводства является получение экологически безопасной продукции. В связи с этим остро встает проблема загрязнения почвенного покрова, а именно наиболее актуальная на сегодняшний день – проблема загрязнения тяжелыми металлами (ТМ). Благодаря буферным свойствам почв, часть попадающих на их поверхность ТМ инактивируется, но большая доля остается мобильной и активно потребляется растениями. Основную роль в загрязнении ТМ растениеводческой продукции играют их подвижные соединения, доступные растениям. Растения способны накапливать металлы в тканях или на поверхности, являясь промежуточным звеном в цепи «почва – растение – животное – человек» [1, 10-12].

Кроме того, в условиях продовольственного дефицита, актуальной остается проблема интенсификации сельскохозяйственного производства для увеличения урожайности различных культур. Минеральное питание относится к факторам, посредством которых можно направленно влиять на развитие и урожайность растений. Этим объясняется неослабленное внимание к вопросам минерального питания.

Главным источником элементов питания, без которых растения не могут нормально расти и плодоносить, является почва, ее состав и свойства могут оказывать влияние на потребление элементов растениями. Обеспеченность почв элементами питания и их доступность растениям зависит от многих условий почвы и от соотношения их между собой [2, 4].

Вопрос о влиянии почвенных факторов на обеспеченность основными питательными элементами и содержание ТМ в ягодных растениях изучен недостаточно. В связи с этим при исследовании влияния экологических факторов на растительные организмы особое внимание заслуживает изучение действия физико-химических и агрохи-

мических свойств почвы на элементный состав ягодных растений.

Цель исследований – изучить содержание минеральных веществ и тяжелых металлов в почве и фитомассе растений земляники садовой.

Задачи исследований: определить агрохимические свойства почвы (содержание гумуса, легкогидролизуемого азота, подвижных и валовых форм Mn, Cu, Zn, Co, Cd и Pb, рН среды), проследить динамику содержания элементов питания (N, P, K) и ТМ в почве и растениях земляники в условиях капельного орошения.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Объектами изучения являлись почва прикорневой сферы и фитомасса земляники садовой ( Fragaria ananassa ) сорта Эльсанта. Исследования проводились в 2003, 2008-2010 гг. на орошаемом участке ООО «Сад» расположенном в Приволжском районе степной зоне Самарского Заволжья. Почва участка – чернозем обыкновенный слабогумусированный среднемощный среднесуглинистый.

Образцы почв отбирались сопряженно с пробами растений в соответствии с «Методическими указаниями…» [7]. Проанализировано 150 почвенных и 75 растительных образцов.

В отобранных образцах определяли содержание гумуса по Тюрину; легкорастворимых солей в водной вытяжке; подвижного фосфора и обменного калия – по Чирикову и по Мачигину; содержание легкогидролизуемого азота в кислотной (0,5Н H 2 SO 4 ) вытяжке – по Тюрину и Кононовой в модификации Кудеярова; рН солевой вытяжки; концентрацию тяжелых металлов методом атомно-абсорбционной спектроскопии; содержания тяжелых металлов в надземной фитомассе проводили пламенным и электротермическим вариантами атомно-абсорбционной спектроскопии с предварительной подготовкой проб методом «сухой» минерализации [8]; содержание макроэлементов (Р, К) в надземной фитомассе – методом

мокрого озоления; содержание азота в надземной фитомассе – специальным портативным прибором N-тестер. Содержание подвижного фосфора и обменного калия получены разными методами, для сопоставимости полученные результаты лабораторных анализов по Мачигину пересчитаны по методу Чирикова.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

В результате исследований было установлено, что в 2003 г. содержание гумуса в верхнем горизонте почвы участка равнялось 3,9%. Это существенно ниже фонового значения для южной зоны Самарской области. К 2010 г. его концентрация уменьшилась до 2,4%. Ежегодные потери органики составляли около 0,21%, что свидетельствует об интенсивной потере питательных веществ (табл. 1).

Анализы реакции почвенного раствора показали, что параметры рН в 2003 г. находились в пределах от 7,1 до 7,5. Обследования участка в 2010 г. показало, что рН на большей части участка (70%) оказался близком к нейтральным индексам (рН 6,6), а на остальной части территории (30%) сдвинуто в слабощелочную сторону (рН 7,8), что является неблагоприятным фактором для роста и развития земляники. Очевидно, данные изменения связаны с особенностью режима орошения и частичным подъемом грунтовых вод.

За исследуемый период содержание подвижного фосфора уменьшилось в 8,3 раза (со 175 до 21,2 мг/кг почвы), а обменного калия и легкогидролизуемого азота увеличилось в 4,4 раза и 1,8 раза соответственно (с 51 до 223 мг/кг и 25,7 и 42,0 мг/кг почвы). Приведенные данные свидетельствуют о несбалансированном внесении минеральных удобрений и одностороннем увеличении запаса элементов питания в почве.

Обследование почвы на содержание ТМ выявило, что концентрация их подвижных и валовых форм в почве находится ниже норм ПДК и ОДК. За период с 2003 по 2010 г. содержание в пахотном слое почвы валовых форм ТМ изменилось следующим образом: концентрация Mn увеличилась в 1,1 раза, Cu, Zn, Co, Cd, Pb – снизилась в 1,1; 1,2; 1,5; 3,3; 1,3 раза соответственно. Снижение уровня валовых форм можно объяснить переводом их в подвижные формы, вымыванием при орошении в нижележащие горизонты, поглощением растениями [1].

Анализ данных за 2008-2010 гг. по содержанию подвижных форм Cu,Co, Pb, Cd показал, что их концентрация в верхнем слое почвы уменьшилась, соответственно, в 1,3; 4,2; 5,4; и 6,7 раза.

Исследования растительных образцов, отобранных в 2008 г. выявил, что концентрация Zn и Cd в надземной фитомассе земляники ниже критической в 3,4 и 340,9 раза, а содержание Pb и Cu ниже фонового уровня по Самарской области в 2,2 и 2,6 раза (табл. 2).

Таблица 2. Содержание тяжелых металлов в надземной фитомассе земляники (фаза – цветения-плодоношения)

	Год обследования	Тяжелые металлы в сухом веществе растений, мг/кг
		Mn	Fe	Pb	Zn	Cu	Cd
1	2008*	5040 4070	4140 6071	0,11 0,14	42,0 60,7	8,73 10,08	0,021 0,023
3	2009	249,8	199,7	-	28,3	4,87	-
4	Среднее содержание ТМ в надземной фитомассе Fragaria vesca L., произрастающих в Самарской области [11]	MD	MD	ОО	oo cm	Я
5	Критическая концен трация ТМ в воздуш но-сухой фитомассе [11]			8	8		о
6	Фитотоксическая концентрация ТМ в воздушно-сухой фитомассе [11]	О			о	8	о

Примечание: * в числителе – показатели по здоровым растениям, в знаменателе – по больным

Содержание Mn и Fe в растительных образцах 2008 г. значительно превышало фоновое значение (в 97,5 и 15,2 раза) и фитотоксические индексы (Mn - в 9,1 раза). Средняя концентрация в надземной фитомассе всех изученных тяжелых металлов в образцах больных растений по сравнению со здоровыми выше: Fe – 1,5 раза, Pb – 1,3 раза, Zn – 1,4 раза, Cu – 1,2 раза, Cd – 1,1 раза; и Mn ниже в 1,2 раза.

За период между обследованиями 2008-2009 гг. содержание в надземной фитомассе земляники Zn, Cu, Mn и Fe снизилось в 18,2; 25,6; 1,8 и 1,9 раза соответственно, что предположительно связано с поглощением этих элементов растениями предыдущих генераций и улучшением качества поливной воды. Так, в образцах растений, выращенных в 2009 г., содержание Mn превышает фоновое в 5,3 раза, но не достигает фитотоксическо-го значения (в 2,0 раза ниже), Fe и Cu – ниже фоновых показателей в 1,7 и 5,0 раз, а Zn – выше фонового показателя в 1,3 раза.

На основании полученных данных рассчитаны коэффициенты биоаккумуляции подвижных элементов больными и здоровыми растениями земляники (табл. 3) по формуле I a = I x / n x , где I x – содержание элементов в золе растений, n x – содержание элементов в почве.

Среднее значение коэффициента биоаккумуляции тяжелых металлов уменьшается в ряду Mn > Zn > Cu > Cd > Pb, минеральных элементов – N > K > P. Для кадмия и свинца коэффициенты биоаккумуляции меньше 1, что означает их слабое поглощение из почвы.

Таблица 3. Коэффициент биоаккумуляции элементов в почве и надземной фитомассе земляники

	Год обследования	Значение коэффициента биоаккумуляции (Ia)
		N	P	K	Mn	Cu	Zn	Cd	Pb
1	2008*	762,65 761,68	14,58 44,12	87,50 40,00	311,11 248,17	58,20 59,29	123,53 173,43	0,08 0,09	0,04 0,05
2	2009	663,74	107,81	61,03	26,29	32,47	26,95	-	-

Прмечание: * в числителе – показатели по здоровым растениям, в знаменателе – по больным.

ВЫВОДЫ

• 1.    Обследованный участок характеризуется невысоким уровнем содержания гумуса и его быстрой потерей в пахотном слое почвы, недостаточной обеспеченностью подвижным фосфором и избыточной концентрацией обменного калия, что свидетельствует о нерациональном использования естественного плодородия почв и несбалансированности доз вносимых минеральных удобрений.

• 2.    С целью оптимизации значений рН и создания благоприятных условий для роста и развития растений земляники необходимо спланировать мероприятия по уменьшению содержания солей в верхнем горизонте почвы и точнее рассчитывать оросительные нормы.

• 3.    Содержание изученных тяжелых металлов Mn, Fe, Pb, Zn, Cu, Cd (как валовых, так и подвижных форм) в почве обследованного участка ниже норм ПДК и ОДК, а также фоновых значений. Однако концентрация в фитомассе земляники в отдельные годы может значительно превышать допустимые значения, что требует дальнейшего изучения их миграции и аккумуляции в системе «почва-растение».