Тяжелые металлы в системе почва - растение

 

 

Важным показателем  оценки погодных условий определенного отрезка времени является гидротермический коэффициент (по Селянинову) -отношение суммы осадков к сумме эффективных температур. Поэтому показателю установлено, что наиболее увлажненным был 1996 год, где ГТК мая - июня и за вегетационный период (ГТК| и ГТКз) были выше среднем ноголетних показателей - 1,41; 1,43 при среднемноголетней 1,16 и 1,15 соответственно.

1997 год по этим показателям  был острозасушливым, где ГТК[  был равен 0,65, а ГТКз 0,76.1998 год  по гидротермическим условиям  был близок к среднемноголетним ГТК] - 1,23; ГТКз — 1,07.

2.3. Объекты  исследований

Почва опытного участка - чернозем выщелоченный среднемощный среднегумусный и среднесуглинистый (табл. 2). Почва характеризуется средним  содержанием гумуса (6,21 - 5,71). Содержание валовых азота и фосфора в слое 0 - 20 см составили соответственно 0,35 и 0,13, и в слое 20-40 см - 0,34 и 0,15 процентов. Почва среднеобеспечена подвижным азотом и фосфором. Обеспеченность подвижным калием повышенная. Почва обладает невысокой  гидролитической кислотностью и невысокой  емкостью поглощения, высоко насыщена основаниями.

Таблица 2 Агрохимическая характеристика почвы опытного участка

Слой почвы, см	Гумус, %	рНв	Валовые,%		Подвижные, мг/ЮОгр почвы			Мг-экв/100 гр почвы			V,%
			N	Р	NH4	Р205	К20	Нг	S	Т
0-20	6,21	6,8	0,35	0,13	2,9	15,0	8,8	1,24	17,46	18,7	93,4
0-40	5,71	6,9	0,34	0,15	3,5	16,0	6,4	0,74	17,82	18,56	96,0

 

 

Исходное содержание тяжелых металлов в почве опытного участка по данным Г.Г. Морковкина и С.И. Завалишина (1999) приведено в таблице 3.

Таблица 3

Исходное содержание тяжелых металлов в почве опытного участка, мг/кг

Слой почвы, см	Валовые формы извлеченные  концентрированными НМОз, НС1 и HF				Подвижные формы, извлеченные  буфером СНзСООН + NH40H, при рН 4,8
	Cd	Си	Ni	Zn	Cd	Си	Ni	Zn
0-20	0,83	23	43	470	0,72	1,5	1,0	3,7
20-40	0,83	26	42	470	0,74	0,23	0,26	3,7

 

Следует отметить, что  содержание валовых форм кадмия, меди и никеля в почве не превышало  предельно - допустимой концентрации (ПДК), в то время, как содержание цинка было высоким (470 мг/кг), что в 1,5 раза превышает ПДК.

Кадмий из всех изучаемых  элементов обладает более высокой  подвижностью, чем медь, никель и  цинк. Содержание подвижной формы  составило 86 - 89 % от валового.

В опыте искусственно загрязняли почву растворами солей  тяжелых металлов: 3CdSC>4 x НзО; CuS04 x 5НзО; №(N03)2 x бН^О; ZnS04 x 7H20, в дозах 0,5; 1,0 и 2,0 ПДК (по Kloke), что соответствовало кадмия 1,5, 3,0 и 6,0 мг/кг; меди 50, 100 и 200; никеля 50, 100 и 200 и цинка 150, 300 и 600 мг/кг почвы.

Тяжелые металлы вносили  в почву по схеме:

1. контроль

2. кадмий 0,5                    8. никель 0,5

3. кадмий 1,0                    9. никель 1,0

4. кадмий 2,0                    10.никель 2,0

5. медь 0,5                       11.цинк 0,5

6. медь 1,0                       12.цинк 1,0

7. медь 2,0                       13.цинк 2,0

 

Опыт был заложен  в трехкратной повторности, площадь  опытной делянки 1, защитки 0,5 м~. Тяжелые  металлы были внесены в 1996 году под сахарную свеклу и яровую пшеницу. Почву, где выращивали яровую пшеницу, искусственно загрязняли кадмием, медью, никелем и цинком. На участке, где выращивали сахарную свеклу, загрязнение почвы цинком не проводили. В последующие годы после этих культур выращивали в 1997 году яровую пшеницу, в 1998 - овес, где изучали 1-е и 2-е последействие тяжелых металлов.

В опыте высевали сорта, районированные в данной зоне яровую пшеницу сорта Целинная 60, сахарную свеклу - Бийская односемянная 50 и  овес - Астор.

2.4. Методы исследований

Для наблюдения за влиянием тяжелых металлов на содержание и  динамику подвижных питательных  веществ в течение вегетации  отбирали образцы почв в слое 0 -20 и 20 — 40 см. В 1996 году почвенные образцы  отбирали до загрязнения почвы ТМ и в период уборки яровой пшеницы и сахарной свеклы. В 1997 и 1998 гг. образцы почв отбирали по основным фазам вегетации яровой пшеницы и овса для определения содержания и динамики подвижных форм азота, фосфора и калия.

В почвенных образцах определяли азот обменного аммония по Коневу в 2 % КС1 с реактивом Несслера, азот нитратов — по методу Гранд - Валь -Ляжа с дисульфофеноловой кислотой, подвижные фосфор и калий - по методу Чирикова в 0,5п СНзСООН с последующим определением на электрофотоколориметре и калий - на пламенном фотометре.

Учет урожая проводили  сноповым методом в 3-х кратной  повторности с последующим обмолотом. В снопах яровой пшеницы и овса определяли продуктивную кустистость, а в зерне массу 1000 зерен. В  корнеплодах и листьях сахарной свеклы определяли содержание сухого вещества.

 

Для расчета выноса N, Р и К урожайностью культур был использован метод определения N, Р и К в одной навеске по Гинзбург и Щегловой путем сжигания растений в концентрированной серной кислоте с добавлением хлорной кислоты, и последующим определением на электрофотоколориметре и пламенном фотометре.

В исследованиях использованы математические методы обработки полученных результатов исследования: урожайных  данных - метод дисперсионного анализа  по Доспехову (1985); зависимость урожайных данных и выноса азота, фосфора и калия растениями, содержание подвижных питательных веществ от уровней загрязнения почвы тяжелыми металлами был   использован    метод    информационно-логического    анализа. Информационно-логический анализ, как и корреляционный, изучает зависимость явления от факторов, последний в силу некоторых условий (необходимость линейности, метричности и др.) ограничен в своем использовании, хотя и успешно применяется при изучении простых зависимостей. Информационно-логический анализ в этом отношении более перспективен (Пузаченко, Мошкин, 1969; Бурлакова, 1975).

 

ГЛАВА 3. Влияние  уровнен загрязнения почвы тяжелыми металлами на мобилизацию подвижных  питательных веществ.

3.1. Роль отдельных  элементов в жизни растений.

Способность почвы снабжать растения нужными им питательными веществами в большой мере определяет плодородие почвы, а, следовательно, и уровень урожайности. Количественно элементы питания, потребляемые растениями, подразделяют на макро-, микро-, и ультрамикроэлементы. Основу минерального питания растений составляют макроэлементы азот, фосфор, калий и кальций.

Азот является основой  всякого жизненного процесса, в том  числе и в почве. Огромное значение роли азота в земледелии придавал Д.И. Прянишников (1965), который указывал, что усвояемый азот почвы является главным фактором жизни растений.

Основная масса почвенного азота сосредоточена в гумусе почв. На долю минеральных форм азота  в почвах по данным Э.И. Шконде (1967) приходится 1 - 4 % от содержания общего азота в  виде аммония, нитратов и нитритов. Вместе с тем, именно минеральные формы азота представляют наибольший интерес, т.к. они являются основным источником азотного питания растений. Наличие в почве минеральных усвояемых для растений форм азот является одним из признаков ее плодородия.

Накопление минеральных  форм азота зависит с одной  стороны от интенсивности процессов  разложения и минерализации органического  вещества, а с другой стороны, от скорости биологического синтеза, новых  азотсодержащих органических соединений (Славнина, 1978).

Значение фосфора в  жизни растений и вообще в жизни  на Земле огромно. Он содержится в  каждой клетке растения, животного  и человека. Без фосфора, как и  без азота, нет жизни: он входит в  состав ядра клеток, ферментов, витаминов, участвует в образовании и превращении углеводов и азотистых веществ. С химическими реакциями фосфора связана энергетика

 

живой клетки. Важную роль фосфор играет в процессах дыхания  и брожения (Авдонин, 1982).

Фосфор принимает активное участие почти во всех процессах происходящих в растениях, поэтому фосфорное питание растений является важным приемом, регулирующим темпы роста и развития растений.

Фосфор  в  растениях  находится  в  нуклеиновых  кислотах, нуклеопротеидах, сахарофосфатах, фитине, крахмале и в минеральной форме.

Для питания растений используются соли фосфорных кислот и некоторые органические соединения. Из органических соединений растения могут использовать фитин и сахарофосфаты.

Существует несколько  фосфорных кислот, но важнейшее значение для растений имеют три: мета-, пиро- и ортофосфорная. В настоящее время доказано, что растения могут использовать соли всех трех кислот. Но практически основным источником питания растений являются соли ортофосфорной кислоты.  Ортофосфорная кислота - трехосновная. Вследствие этого она образует одно-, двух- и трехзамещенные соли. В качестве катионов при образовании солей ортофосфорной кислоты могут быть кальций, калий, магний, натрий, железо, алюминий и др.

Однозамещенные соли ортофосфорной кислоты растворимы в воде и вполне доступны растениям на всех почвах. Двухзамещенные соли не растворимы в воде, но растворимы в слабых кислотах, они хорошо используются растениями. Сложнее обстоит дело с использованием трехзамещенных фосфатов.

В почвах Алтайского края фосфатный режим изучался В.И. Котельниковым (1964), Л.О. Карпачевским (1968), О.И. Антоновой (1969, 1983), Л.М. Бурлаковой (1984) и др., все исследователи отмечают, что в черноземах органические соединения фосфора составляют половину или большую часть валового фосфора.

 

Н.И. Богданов (1954, 1957) отмечает, что сибирские черноземы богаты органическими фосфатами. В составе  фосфорных соединений в пахотных горизонтах Алтайских черноземов органические фосфаты (Бурлакова, 1984) составляют 36 - 59 % от валового содержания.

Большая доля фосфора в черноземах входит в состав органических соединений. В  питании растений  особое  значение  принадлежит минеральному фосфору. Основная масса органических фосфатов доступна растениям лишь после их минерализации, которая, таким образом, является существенным источником накопления фосфатов, доступных растениям.

По влиянию природы  растений  на использование фосфора  труднорастворимых фосфатов большой  интерес представляют исследования Д.Н. Прянишникова и П.С. Коссовича (Ягодин, 1989). Оказалось, что отдельные растения обладают разной  способностью  использовать труднорастворимые фосфаты.

Д.Н. Прянишников, П.С. Коссович и их ученики провели ряд исследований по выяснению причин разной способности  отдельных растений использовать труднорастворимые  фосфаты. Причину этого явления искали в корневых выделениях и в реакции клеточного сока. Оказалось, что клеточный сок растений, способных хорошо усваивать труднорастворимые фосфаты, кислее, чем у растений, не способных их усваивать. Таким образом, корневые выделения растений, несомненно, оказывают влияние на использование труднорастворимых фосфатов. Ф.В. Чириков еще в 1914 году установил, что способность растений усваивать фосфорную кислоту из труднорастворимых фосфатов зависит от их способности воспринимать кальций. По его данным, чем лучше растение воспринимает кальций, тем больше оно способно использовать фосфор из труднорастворимых фосфатов.

Калий принимает значительное участие в минеральном питании  растений, являясь макроэлементом. В растениях калий участвует в выполнении важных физиологических функций: накоплении углеводов, обмене азотистых веществ, регулировании физиологического состояния

 

коллоидов плазмы растительных клеток, поступления воды (Прянишников, 1952), фотосинтезе, ферментных реакциях, регулировании активности других минеральных элементов питания (Барбер, Хамберт, 1965). В связи с этим вопросы калийного питания растений и калийного режима почвы представляют интерес для изучения.

В почве калий находится  в виде простых солей, главным  образом нитратов, карбонатов, сульфатов (воднорастворимый калий), на поверхности коллоидных частиц  (обменный  калий)  и  в  составе  силикатов, алюмосиликатов и других сложных соединений (калий минералов) (Простаков, 1964).

Известно, что основной формой питания растений является подвижный калий, содержание которого обычно составляет 0,5 - 2 % от валовых запасов. По данным А.В. Петербургского (1975), в зависимости от свойств, особенностей растений и других условий доля подвижного калия в общем выносе его урожаем колеблется в пределах 30—90 %.

Содержание подвижного калия в почве зависит от многих факторов, главные из низ - колебания  температуры и влажности почвы, приводящие к неоднократно повторяющемуся явлению смачивания почвы (Пчелкин, 1966).

Известно, что на содержание подвижных форм азота, фосфора и калия существенное влияние оказывают почвенные факторы (влажность, температура и др.).

В наших исследованиях  изучали влияние загрязнения  почвы кадмием, медью, никелем и  цинком на содержание и динамику подвижных  форм азота, фосфора и калия в почве при выращивании яровой пшеницы, сахарной свеклы и овса.

Известно, что некоторые  из изучаемых металлов являются важными  микроэлементами в жизни растений.

Медь относится к  истинным биоэлементам, так как она  всегда присутствует в почвах, растениях, тканях животных и участвует в разнообразных метаболических реакциях.

 

коллоидов плазмы растительных клеток, поступления воды (Прянишников, 1952), фотосинтезе, ферментных реакциях, регулировании активности других минеральных  элементов питания (Барбер, Хамберт, 1965). В связи с этим вопросы калийного питания растений и калийного режима почвы представляют интерес для изучения.

В почве калий находится  в виде простых солей, главным  образом нитратов, карбонатов, сульфатов (воднорастворимый калий), на поверхности коллоидных  частиц  (обменный  калий)  и в составе силикатов, алюмосиликатов и других сложных соединений (калий минералов) (Простаков, 1964).

Известно, что основной формой питания растений является подвижный  калий, содержание которого обычно составляет 0,5 - 2 % от валовых запасов. По данным А.В. Петербургского (1975), в зависимости от свойств, особенностей растений и других условий доля подвижного калия в общем выносе его урожаем колеблется в пределах 30-90 %.