Влияние химических веществ на накопление свинца и цинка растениями овощей на типичных черноземах

В условиях интенсивного развития промышленности, энергетики, транспорта, разработки полезных ископаемых, активной химизации сельского хозяйства происходит рост уровня загрязнения природной среды, в том числе почв и растений.

В последние десятилетия среди наиболее опасных загрязнителей являются тяжелые металлы. По масштабам загрязнения и воздействию на биологические объекты тяжелые металлы занимают особое место среди загрязняющих веществ. Многие из них необходимы растениям, но в результате значительной концентрации в почве они становятся токсичными для них.

Роль химических элементов в формировании биоресурсного потенциала – это важный и далеко не изученный вопрос в экологии [1]. Особое значение в настоящее время приобрели исследования экологической роли в функционировании биосферы химических элементов, входящих в группу тяжелых металлов. Низкие концентрации этих элементов представляют необходимость для жизнедеятельности растительных и животных организмов, активно участвуя в биологических процессах в составе биокатализаторов и биорегуляторов [2], высокие же – оказывают на растения различные токсические действия [3].

Основная доля тяжелых металлов, загрязняющих природную среду, попадает в почву.

Почва является мощным аккумулятором этих элементов и практически не теряет их со временем. Особенно прочно фиксируют тяжелые металлы гумусосодержащие горизонты. Особенность загрязнения почв усугубляется тем, что химическое загрязнение долгое время может не проявляться в силу высокой буферности почв.

Основными источниками поступления тяжелых металлов в почву являются тепловые электростанции, предприятия по добыче и переработке черных и цветных металлов, химическая промышленность, сельскохозяйственное производство и жилищно-коммунальные комплексы [4, 5]. Почвы, загрязненные тяжелыми металлами, могут на долгие годы стать непригодными для производства растениеводческой продукции [6]. Миграция тяжелых металлов в агроэкосистемах определяется рядом факторов. Среди них наибольшее значение имеют почвенные условия и биологические особенности самих растений [7-15]. Это требует глубоких исследований в системе почва - удобрение - растение.

Для оценки существующих уровней загрязнения необходим анализ данных экологического мониторинга для регионов, который должен быть дополнен исследованиями с целью разработки приемов детоксикации почв, загрязненных тяжелыми металлами.

Фитотоксичное действие тяжелых металлов проявляется при высоком уровне техногенного загрязнения ими почв и во многом зависит от свойств и особенностей конкретного металла. В природе ионы тяжелых металлов редко встречаются изолированно друг от друга. Поэтому разнообразные сочетания и концентрации разных металлов в среде приводят к изменениям свойств отдельных элементов в результате их синергического или антагонистического воздействия на живые организмы.

Чаще всего учеными рассматриваются свинец, кадмий, цинк, медь, никель, хром.

Целью наших исследований являлось изучение приемов снижения поступления свинца и цинка в растения картофеля, столовой свеклы и фасоли.

Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:

• - изучить влияние извести, навоза и совместного внесения извести и навоза на поступление свинца и цинка в растения картофеля, столовой свеклы и фасоли.

Повышенный интерес к свинцу вызван его приоритетным положением в ряду основных загрязнителей окружающей природной среды. Металл токсичен для микроорганизмов, растений, животных и людей.

Загрязнение почвенного покрова цинком считается также опасным экологическим явлением, так как он является микроэлементом и может накапливаться в растениях выше нормы.

Цинк способен накапливаться в организме человека и животных, т.к. сравнительно легко усваивается из пищи и воды и проникает в различные органы и ткани.

УСЛОВИЯ, МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Исследования проводились на черноземе типичном тяжелосуглинистого гранулометрического состава в условиях Белгородской области.

Опыт был заложен в четырехкратной повторности, по схеме:

• 1.    Контроль (без удобрений и внесения тяжелых металлов);

• 2^.   N 180 Р 180 К 180 ;

• 3.  N 180 Р 180 К 180 + ТМ;

• 4.  N 180 Р 180 К 180 + Известь (4 т/га) + ТМ;

• 5.  N 180 Р 180 К 180 + Навоз (50 т/га) + ТМ;

• 6.    N 180 Р 180 К 180 + Известь (4 т/га) + Навоз (50 т/га) + ТМ;

• 7.    N 360 Р 360 К 360 + ТМ.

Агрохимические показатели опытного участка: содержание гумуса – 5,8%, рН KCl -5,6, подвижного фосфора – 312 мг/кг, обменного калия – 174 мг/кг, азота легкогидролизуемого – 175 мг/кг, свинца – 21,5 мг/кг, цинка – 44,4 мг/кг. Посевная площадь делянки – 4,5 м². Для проведения опыта использовали нитрофоску.

Минеральные, органические и известковые удобрения вносили одновременно на поверхность почвы и заделывали их при перекопке участка вручную. Тяжелые металлы в дозах: ZnSO 4 (395,6 г/м²), Pb(СН 3 СОО) 2 *Рb(ОН) 2 (82,0 г/м²), вносили каждый отдельно, предварительно смешав их соли с почвой, для того, чтобы не было между ними непосредственного контакта. Затем почву делянки перекапывали. Определение тяжелых металлов проводили по методическим указаниям разработанным ЦИНАО (1993).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Содержание свинца и цинка в основной продукции овощных культур представлено в таблице 1. Содержание свинца в клубнях картофеля на контроле составило 0,287 мг/кг, в варианте N 180 P 180 K 180 – 0,297. На делянках, загрязненных токсичными элементами, содержание свинца в клубнях составило от 0,350 мг/кг в варианте N 180 P 180 K 180 + ТМ + известь + навоз до 0,427 мг/кг в варианте N 360 P 360 K 360 + ТМ, что ниже ПДК на 0,15 и 0,073 мг/кг соответственно. Внесение извести и совместное внесение извести и навоза снижало накопление свинца в клубнях картофеля на 0,013 и 0,03 мг/кг соответственно, двойная доза минеральных удобрений не оказывала положительного влияния на снижение свинца в клубнях картофеля.

Содержание цинка в клубнях картофеля составило на контроле 5,583 мг/кг, в варианте N 180 P 180 K 180 – 5,020 мг/кг. На загрязненных делянках содержание цинка не превышало ПДК и составило в варианте N 180 P 180 K 180 + ТМ – 7,287 мг/кг. Внесение извести и совместное внесение извести и навоза снижало поступление цинка в клубни картофеля и его содержание составило в варианте N 180 P 180 K 180 + ТМ + известь – 7,007 мг/кг, в варианте N 180 P 180 K 180 + ТМ + известь + навоз – 6,820 мг/кг, что на 0,28 и 0,467 мг/кг меньше по сравнению с вариантом N 180 P 180 K 180 + ТМ. Внесение двойной дозы минеральных удобрений не снижало поступление цинка в клубни.

Таблица 1 - Содержание свинца и цинка в основной продукции (мг/кг)

Варианты	Картофель		Столовая свекла		Фасоль
	Рb	Zn	Рb	Zn	Рb	Zn
Контроль	0,287	5,583	0,263	6,91	0,56	14,86
N 180 P 180 K 180	0,297	5,020	0,311	6,93	0,59	13,65
N 180 P 180 K 180 + ТМ	0,380	7,287	0,565	8,53	0,74	23,40
N 180 P 180 K 180 + ТМ + известь	0,367	7,007	0,324	7,54	0,56	13,24
N 180 P 180 K 180 + ТМ + навоз	0,383	7,807	0,495	8,50	0,58	13,29
N 180 P 180 K 180 + ТМ + навоз + известь	0,350	6,820	0,358	8,41	0,54	14,54
N 360 P 360 K 360 + ТМ	0,427	8,153	0,688	9,58	0,67	22,42
ПДК	0,5	10,0	0,5	10,0	0,5	50,0

Содержание свинца в корнеплодах составило 0,263 мг/кг на контроле, в варианте N 180 P 180 K 180 - 0,311 мг/кг. На делянках с внесением тяжелых металлов поступление свинца в корнеплоды столовой свеклы увеличивалось и составило в варианте N 180 P 180 K 180 + ТМ - 0,565 мг/кг, что выше ПДК на 0,065 мг/кг. Внесение извести, навоза и совместное внесение извести и навоза снизило накопление свинца до безопасного уровня и содержание его составило 0,324; 0,495 и 0,358 мг/кг соответственно, что на 0,176; 0,005 и 0,142 мг/кг ниже уровня ПДК. Внесение двойной дозы минеральных удобрений влияло на повышение содержания этого элемента в корнеплодах до уровня 1,376 ПДК или 0,688 мг/кг.

Содержание цинка в корнеплодах столовой свеклы составило на контроле 6,91 мг/кг, в варианте N 180 P 180 K 180 – 6,93 мг/кг. В варианте N 180 P 180 K 180 + ТМ содержание цинка в корнеплодах увеличилось и составило 8,53 мг/кг, однако это ниже уровня ПДК на 1,47 мг/кг. Внесение извести снижало содержание цинка до 7,54 мг/кг, навоза до 8,50 мг/кг и совместное их внесение до 8,41 мг/кг, а внесение двойной дозы минеральных удобрений увеличивало содержание цинка в корнеплодах до 9,58 мг/кг, что на 0,42 мг/кг ниже, чем ПДК.

Если содержание свинца в клубнях картофеля составило на контроле 0,287 мг/кг, в корнеплодах столовой свеклы 0,263 мг/кг, то в бобах фасоли 0,56 мг/кг, что на 0,273 мг/кг и 0,297 мг/кг больше соответственно. В варианте N 180 P 180 K 180 + ТМ содержание свинца составило 0,74 мг/кг, что выше ПДК на 0,24 мг/кг. Внесение извести, навоза и совместное внесение извести и навоза снижало содержание свинца до уровня – 0,56; 0,58 и 0,54 мг/кг соответственно. Двойная доза минеральных удобрений снижала содержание свинца всего лишь на 0,07 мг/кг. Фасоль накапливает цинк интенсивнее, чем картофель и столовая свекла более чем в два раза. На контроле содержание цинка в бобах составило 14,86 мг/кг, в варианте N 180 P 180 K 180 - 13,65 мг/кг, а в варианте N 180 P 180 K 180 + ТМ – 23,40 мг/кг. Внесение извести, навоза и совместное внесение извести и навоза снижают поступление цинка, почти в два раза и содержание его составило 13,24; 13,29 и 14,54 мг/кг соответственно. Двойная доза минеральных удобрений снижает накопление цинка, но незначительно, всего лишь на 0,98 мг/кг. В результате наших исследований было установлено, что на третий год возделывания сельскохозяйственных культур более активно проявляется способность извести и навоза снижать накопление свинца и цинка.

Данные о содержании свинца и цинка в побочной продукции представлены в таблице 2.

Таблица 2- Содержание свинца и цинка в побочной продукции, мг/кг

Варианты	Картофель		Столовая свекла		Фасоль
	Рb	Zn	Рb	Zn	Рb	Zn
Контроль	0,556	3,796	0,886	5,91	2,72	20,59
N 180 P 180 K 180	0,573	4,400	0,874	6,01	2,73	20,09
N 180 P 180 K 180 + ТМ	1,037	10,930	1,020	13,3	6,52	66,8
N 180 P 180 K 180 + ТМ + известь	0,663	6,970	0,973	8,93	3,51	43,38
N 180 P 180 K 180 + ТМ + навоз	0,843	7,453	1,010	8,83	3,63	48,49
N 180 P 180 K 180 + ТМ + навоз + известь	0,770	7,890	0,956	9,00	3,65	45,96
N 360 P 360 K 360 + ТМ	0,977	10,987	0,991	13,35	6,44	72,63

Накопление свинца ботвой картофеля выше, чем клубнями в 1,94 раза на контроле и в 1,93 раза в варианте N 180 P 180 K 180 . В варианте N 180 P 180 K 180 + ТМ содержание свинца в ботве составило 1,037 мг/кг, что в 2,73 выше, чем в клубнях. Внесение извести снизило поступление свинца в ботву картофеля до 0,663 мг/кг, внесение навоза до 0,843 мг/кг и совместное внесение извести и навоза до уровня 0,770 мг/кг. Внесение двойной дозы удобрений оказывало положительное влияние на снижение свинца в ботве и содержание его составило 0,977 мг/кг, что на 0,06 мг/кг ниже по отношению к варианту N 180 P 180 K 180 + ТМ. Содержание цинка в ботве картофеля составило на контроле 3,796 мг/кг, а в варианте с внесением удобрений – 4,4 мг/кг, что на 1,787 и 0,62 мг/кг меньше по сравнению с клубнями.

На делянках, загрязненных тяжелыми металлами, накопление цинка в ботве происходило интенсивнее, чем клубнями картофеля, и содержание его составило 10,930 мг/кг, что на 3,643 мг/кг выше по отношению к клубням. Внесение извести, навоза и совместное внесение извести и навоза снижало поступление цинка до уровня 6,97; 7,453 и 7,890 мг/кг соответственно. Двойная доза минеральных удобрений не снижала поступление цинка в ботву, и содержание его составило 10,987 мг/кг.

Поступление свинца в ботву столовой свеклы происходило интенсивнее, и содержание его на контроле составило 0,886 мг/кг, в варианте N180P180K180 – 0,874 мг/кг, что на 0,623 мг/кг и 0,563 мг/кг соответственно выше по отношению к корнеплодам. На делянках, загрязненных тяжелыми металлами, содержание свинца составило 1,020 мг/кг. Внесение извести, навоза, совместное внесение извести и навоза, и двойная доза минеральных удобрений снижало поступление свинца на 0,047; 0,010; 0,064 и 0,029 мг/кг соответственно. Содержание цинка на контроле в ботве столовой свеклы составило 5,91 мг/кг; в варианте N180P180K180 – 6,01 мг/кг.

На делянках, загрязненных тяжелыми металлами, содержание цинка в ботве составило 13,30 мг/кг, что на 4,77 мг/кг выше по сравнению с корнеплодами. Внесение извести, навоза и совместное внесение извести и навоза снижало поступление цинка на 4,37; 4,47 и 4,30 мг/кг соответственно. В варианте N 360 P 360 K 360 + ТМ содержание этого элемента составило 13,35 мг/кг, что выше на 0,05 мг/кг по отношению к варианту N 180 P 180 K 180 + ТМ.

Интенсивность поступления свинца в солому фасоли выше, чем в бобы. На контроле содержание свинца в соломе составило 2,72 мг/кг, что выше на 2,16 мг/кг, чем в бобах. В варианте N 180 P 180 K 180 содержание токсиканта составило 2,73 мг/кг, а на загрязненных делянках – 6,52 мг/кг. Внесение извести, навоза и совместное внесение извести и навоза снижало поступление свинца в 1,86; в 1,80 и в 1,79 раза соответственно. Двойная доза минеральных удобрений снижала поступление свинца в солому, но незначительно, всего лишь на 0,08 мг/кг.

Содержание цинка в соломе фасоли на контроле составило 20,59 мг/кг, в варианте N 180 P 180 K 180 – 20,09 мг/кг. Внесение тяжелых металлов увеличивало накопление цинка в соломе до 66,8 мг/кг. Внесение извести снижало содержание цинка на 23,42 мг/кг, внесение навоза – на 18,31 мг/кг, совместное внесение извести и навоза – на 20,84 мг/кг. Двойная доза минеральных удобрений не снижала накопление цинка в соломе, и содержание его составило 72,63 мг/кг. Содержание цинка в соломе выше чем в бобах более чем в два раза.

В результате наших исследований было установлено, что в звене овощного севооборота культурой, которая в больших количествах поглощает свинец и цинк основной и побочной продукцией, является фасоль. Поступление свинца в клубни картофеля на загрязненных почвах ниже ПДК на 0,120 мг/кг. Внесение извести и совместное внесение извести и навоза снижали поступление свинца в клубни на 3,4% и 7,9% соответственно. Внесение навоза и двойная доза минеральных удобрений не оказывала влияния на снижение поступления этого элемента в клубни картофеля. В последующие годы, при возделывании столовой свеклы и фасоли, известь снижала поступление свинца в корнеплоды столовой свеклы на 42,6% и в бобы фасоли на 24,3%, совместное внесение извести и навоза снижало содержание свинца в корнеплодах столовой свеклы на 36,6%, а в бобах фасоли – на 27,0%. На второй и третий год последействия навоз оказывал положительное влияние на снижение поступления свинца в корнеплоды столовой свеклы и бобы фасоли. Содержание свинца в варианте N 180 P 180 K 180 + ТМ + навоз снизилось в корнеплодах на 12,4% и в бобах фасоли на 21,6%. Двойная доза минеральных удобрений снижала поступление свинца в бобы фасоли, но незначительно, всего лишь на 9,4%.

Содержание цинка в клубнях картофеля, корнеплодах столовой свеклы и бобах фасоли ниже ПДК, даже на делянках, загрязненных этим элементом.

На делянках с внесением извести в клубни картофеля поступило цинка на 3,8% ниже, с внесением извести и навоза на 6,4% ниже по сравнению с вариантом N 180 P 180 K 180 + ТМ.

Внесение навоза и двойная доза минеральных удобрений не снижало содержание цинка в клубнях. В последующие годы, внесение извести и навоза наиболее активно влияли на снижение поступления цинка в корнеплоды столовой свеклы и бобы фасоли. Внесение извести снижало поступление цинка в корнеплоды на 11,6%, внесение навоза на 0,4%, совместное внесение извести и навоза на 1,4%. Двойная доза не оказывала положительного влияния на снижение поступления цинка в клубни картофеля и корнеплоды столовой свеклы, однако снижала поступление этого элемента в бобы фасоли.

ВЫВОДЫ

Внесение извести снижало поступление цинка в бобы фасоли на 43,4%; внесение навоза – на 43,2%; и совместное внесение извести и навоза – на 37,9%. Поступление свинца в ботву картофеля снижалось при внесении извести на 36,1%, при внесении навоза – на 18,7%, при совместном внесении извести и навоза на 25,7%, а в варианте с двойной дозой минеральных удобрений на 5,8%.

При возделывании столовой свеклы на загрязненных почвах внесение извести снижало поступление свинца на 4,6%, внесение навоза – на 1%, совместное внесение извести и навоза на 6,3%, а двойная доза минеральных удобрений снижала поступление свинца в ботву столовой свеклы на 2,8%.

Внесение извести снижало поступление свинца в солому на 46,23%; внесение навоза – на 44,3%; внесение извести и навоза – на 44,0%, а внесение двойной дозы минеральных удобрений – всего лишь на 1,2%.

Из двух, изучаемых нами тяжелых металлов, цинк наиболее активно поступал и накапливался как в основной, так и в побочной продукции изучаемых сельскохозяйственных культур, однако содержание его в основной продукции не превышало уровень ПДК.

Внесение извести снижало поступление цинка в ботву картофеля на 36,2%, внесение навоза – на 31,8% и совместное внесение извести и навоза – на 27,8%. Поступление цинка в ботву столовой свеклы также снижалось при внесении извести, навоза и совместном внесении извести и навоза на 32,9%; 33,6% и 32,3% соответственно. Такая же тенденция наблюдалась и при возделывании фасоли. Внесение извести снижало поступление цинка на 35,1%, внесение навоза – на 27,4% и совместное внесение извести и навоза – на 31,2%.

Внесение извести, навоза и совместное внесение извести и навоза снижают поступление этих токсикантов в ботву картофеля, столовой свеклы и в солому фасоли.

Интенсивность накопления свинца снижается при внесении навоза на второй и третий год после внесения, а в первый год после внесения навоз не оказывал положительного влияния на снижение поступления свинца в клубни картофеля. Такая же тенденция наблюдается и по цинку. В звене овощного севооборота максимальное количество цинка и свинца основной и побочной продукцией накапливает фасоль.

По накоплению свинца и цинка исследуемые культуры можно распределить следующим образом: фасоль > столовая свекла > картофель.