Тяжелые металлы в системе почва - растение

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.

 

Необходимость   меди   для   нормального   функционирования растительных организмов объясняется, прежде всего, ее участием в разнообразных  окислительно-восстановительных реакциях (Школьник, 1974;

Ильин, 1985: Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989; Протасова и др., 1992).

Медь   является   составной   частью   многих   окислительно-восстановительных ферментов, в которых она образует прочный  комплекс со специфическим белком. Ферменты, содержащие медь принимают  участие в окислении различных органических соединений. Она влияет на азотный обмен в растениях, в ее присутствии активность нитрат - редуктазы возрастает (Ильин, 1985).

Судя по обзору литературы, сделанному М. Л. Школьником (1974), присутствие  меди в растениях необходимо для  накопления органических форм фосфора, особенно эфиро - Сахаров; для формирования генеративных органов, для биосинтеза и сохранения гемоглобина в клубеньках бобовых культур, что указывает на участие элемента в процессах дыхания в ауксиновом и азотном обменах.

Многие исследователи, как указывалось ранее, отмечают большое биологическое значение цинка и его необходимость для растений (Школьник, 1974; Ильин, 1985; Алексеев, 1987; Полевой. 1989; Val, Monge, 1990). В растения цинк поступает в форме катиона Zn^ (Ильин, 1985). Он накапливается в листьях, репродуктивных органах и конусах нарастания (Полевой, 1989). В растительных клетках цинк концентрируется в ядре и митохондриях (Ильин, 1985). Установлено, что цинк активнее накапливается в злаковых, чем в бобовых (Алексеев, 1987), а динамика содержания цинка различна у разных видов (Bednar, Bednarova, 1984; Bockheim, Leide, 1991). Цинк оказывает многостороннее действие на обмен веществ, входит в состав ряда ферментов, активизирует работу 13 металлоферментных комплексов, способствует более полному использованию углекислого газа в фотосинтезе, влияет на синтез белков и ауксина (Школьник, 1974; Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989; Полевой, 1989; и др.). М.Г. Абуталыбов (1961) подчеркивает,

 

что цинк в растении усиливает  восстановительные процессы, чем отличается от меди, стимулирующей синтез более окисленных соединений.

Биологическая роль кадмия изучена слабо, отмечается токсичность  данного элемента (Ковда, 1985). По Дж. Эмсли (1993) кадмий - токсикант, канцероген, тератоген. Он негативно влияет на рост и развитие растений. Содержание кадмия в растениях зависит от концентрации его подвижных форм в почве. Установлено, что корневой барьер снижает поступление кадмия в листья, причем это эффект сильнее проявляется на черноземах (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989). У человека избыток кадмия вызывает болезнь Итай - Итай (Ковда, 1985). В литературе не встречается данных о влиянии кадмия на подвижность основных макроэлементов (азота, фосфора и калия) в почве.

Из литературных источников известно, что никель относится к элементам среднего биологического захвата, для которого в степном ландшафте характерна малая подвижность и слабый вынос из почвенной толщи (Перельман, 1975). Никель накапливается в тканях растений, но его биологическая роль не вполне ясна (Алексеев, 1987; Протасова и др., 1992). Есть указания на не специфичное влияние никеля на ряд металлоферментых комплексов, на участие его в формировании спиральной структуры рибосом, активацию некоторых ферментов. Отмечено благотворное влияние никеля на ростовые процессы растений при его нормальной концентрации в почвах (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989; Протасова и др., 1992)

Многие авторы отмечают, что подвижность тяжелых металлов в почве в большей степени  зависит от содержания подвижных  форм азота, фосфора и калия (Ринькис, 1975; Аштаб, 1994; Степанок, Голенецкий, 1991; Черных, 1991; lolimick, 1970), но каким образом тяжелые металлы влияют на подвижность азота, фосфора и калия в литературных источниках пока не встречалось.

В наших исследования проведены наблюдения за содержанием подвижных форм азота, фосфора и калия в течение трех лет (1996 — 1998 гг.).

 

44

В 1996 году (в первый год  искусственного загрязнения почвы  тяжелыми металлами) анализ почвы на содержание в ней азота обменного  аммония и подвижных форм фосфора и калия проводили в период уборки яровой пшеницы и сахарной свеклы. Нитратный азот по ряду причин в этом году не определяли.

По результатам анализа (табл. 4) установлено, что загрязнение  почвы кадмием оказало влияние  на содержание азота обменного аммония под сахарной свеклой, где его содержание при дозах загрязнения 1,5 и 3,0 мг/кг было ниже по сравнению с контролем. В то время как более высокое загряз-

Таблица 4

Влияние загрязнения  почвы тяжелыми металлами на содержание подвижных форм азота, фосфора и калия в почве (в период уборки, 1996г).

Элемент	Дозы внесения, мг/кг	Азот обменного аммония, мг/кг почвы (в слое 0 -40 см)		Фосфор (по Чирикову), мг/ЮОгр почвы, (в слое 0-20 см)		Калий (по Чирикову), мг/ЮОгр почвы, (в слое 0-20 см)
		Яровая пшеница	Сахарная свекла	Яровая пшеница	Сахарная свекла	Яровая пшеница	Сахарная свекла
Контроль		2,10	2,35	23,4	25,3	9,1	4,6
Cd	1,5	2,20	1,90	26,5	21,0	10,9	7,0
	3,0	2,25	1,75	27,5	26,0	10,9	5,6
	6,0	2,00	3,75	15,0	23,3	9,0	6,3
Си	50	1,65	3,65	22,0	22,0	13,8	6,3
	100	1,70	3,80	18,5	22,5	9,3	9,6
	200	2,00	4,65	20,0	22,5	14,2	3,5
Ni	50	1,85	2,55	25,0	26,0	6,7	4,1
	100	1,65	3,45	22,5	22,0	14,8	3,8
	200	2,15	3,40	24,0	24,0	10,2	4,1
Zn	150	2,10	-	18,5	-	6,3	-
	300	2,10	-	14,5	-	8,7	-
	600	2,15	-	18,5	-	4,7	-

 

 

нение почвы кадмием (6,0 мг/кг) приводило к повышению азота  обменного аммония почти в  два раза по сравнению с уровнями загрязнения соответствующими 0,5 и 1,0 ПДК. По-видимому, высокий уровень загрязнения оказал негативное влияние не только на рост и развитие растений, но и на процессы нитрификации. В то же время содержание подвижного фосфора и калия на этом варианте было ниже по сравнению с другими дозами загрязнения. Следовательно, при более высоком содержании аммонийного азота в почве, растения вынуждены поглощать больше фосфора и калия, или высокий уровень загрязнения почвы кадмием тормозил не только процессы нитрификации, но и на мобилизацию подвижных форм фосфора и калия.

Медь по атомной массе  относится к тяжелым металлам, но она является необходимым микроэлементом (как указывалось ранее) в питании  растений. В связи с этим после  яровой пшеницы содержание азота, фосфора  и калия при внесении в почву меди в дозах соответствующих 0,5 и 1,0 ПДК было ниже, чем при высоком уровне загрязнения почвы этим элементом. По-видимому, яровая пшеница положительно отзывалась на внесение мели в невысоких концентрациях и более интенсивно поглощала азот, фосфор и калий. Сахарная свекла в связи с биологическими особенностями отличается от яровой пшеницы по требованию к элементам питания и поэтому содержание азота, фосфора в почве после уборки этой культуры было выше, чем после яровой пшеницы, а подвижного калия ниже, за исключением варианта, где вносили медь в дозе 100 мг/кг. Сахарная свекла, являясь калиелюбивой культурой, выносит больше калия, и, следовательно, обедняет почву калием.

Цинковые соли вносили  только под пшеницу. Установлено, что  цинк не оказал существенного влияния на содержание в почве азота обменного аммония, но резко снижал содержание подвижных форм фосфора и калия. По-видимому, как отмечают некоторые авторы (Спицына, 1984; Аштаб, 1994),цинк способствует лучшему поглощению растениями фосфора. В

 

наших исследованиях установлено, что цинк не только влияет на фосфорное, но и на калийное питание растений яровой пшеницы.

Содержание калия в  почве под яровой пшеницей при  загрязнении кадмием, медью и  никелем по большинству вариантов  было выше по сравнению с контролем. По-видимому, мобилизация подвижного калия связана с тем, что кадмий, медь и никель являясь двухвалентными катионами взаимодействуя с твердой фазой почвы, вытесняли катионы калия из почвенно-поглощающего комплекса в почвенный раствор. Та же тенденция наблюдается и под сахарной свеклой только по кадмию и меди при загрязнении дозой соответствующей 1,0 ПДК, более высокое загрязнение медью (доза соответствующая 2,0 ПДК) и никелем на всех уровнях загрязнения содержание подвижного калия было ниже по сравнению с контролем.

По-видимому, растения сахарной свеклы при более высоких концентрациях  меди и никеля усиленно поглощали  калий. Следует отметить, что содержание подвижного калия в почве под  сахарной свеклой было значительно  ниже, чем под яровой пшеницей. По-видимому, это связано с тем, что сахарная свекла калиелюбивая культура и выносит много калия с урожаем.

3.2. Влияние  уровней загрязнения почвы тяжелыми  металлами на мобилизацию подвижных  форм азота.

Способность почв в той  или иной степени снабжать растения азотом, аккумуляция и динамика подвижных азотных соединений, а также факторы влияющие на эти процессы - важнейшие вопросы, связанные с этой проблемой. Накопленная к настоящему времени литература по режиму азотных соединений в почве различных регионов нашей страны и за рубежом содержит весьма важные теоретические положения и практические выводы

 

по регулированию азотного питания. Л.М. Бурлаковой (1984) дан довольно полный обзор литературы по данной теме.

В своих исследованиях  А.Е. Кочергин и О.А. Остроумова (1957), А.Е. Кочергин (1974), Г.П. Гамзиков (1971, 1974, 1976) и другие исследователи сделали заключение, что основным источником азотного питания сельскохозяйственных культур на черноземах Сибири является нитратный азот, и содержание его в почве есть объективный показатель обеспеченности растений азотом.

Многие исследователи  отмечают необходимость изучения накопления аммонийного азота как потенциальной  формы для образования нитратного азота в почве (Возбуцкая, 1960; Bremner, Show, 1955). Минеральные формы азота в почве образуются в результате жизнедеятельности микроорганизмов. При их образовании протекают сложные биохимические процессы с участием ферментов (Пейве, 1961). Процессы аммонификации, вызывающие разложение азотистых органических соединений с образованием аммиака, широко распространены в природе. Они протекают в почве с помощью ферментов,  выделяемых  различными  микроорганизмами   (грибами, актиномицетами, анаэробными бактериями). Процесс аммонификации идет в две фазы: окисление аммиака происходит сначала до азотистой, и затем до азотной кислоты с образованием нитратов.

Исследования П. Рахно  с соавторами (1971) (цитировано по Л.М. Бурлаковой,  1984) позволили сделать  весьма важные выводы о количественной динамике почвенных бактерий, которая  не имеет постоянного сезонного характера, и изменяется от конкретных факторов влияния. От них зависит и содержание общего минерального азота в почве. К конкретным факторам влияния авторы относят влажность почв, ее температуру, содержание и поступление в почву питательных веществ для микроорганизмов,   токсичность    почв,    взаимоотношение    между микроорганизмами, свойствами почв, воздействие солнечной активности.

 

В 1997 году изучали последействие  тяжелых металлов на мобилизацию  подвижного азота в почве под  яровой пшеницей в зернопаропропашном и зернопаровом севооборотах, т.е. предшественниками яровой пшеницы были сахарная свекла и яровая пшеница соответственно.

В 1998 году в обоих севооборотах выращивали овес, как завершающую  культуру в севооборотах и в этом случае изучали второе последействие тяжелых металлов.

Установлено (табл. 5, прил. 1, 2, 5), что на второй год после  загрязнения почвы тяжелые металлы  оказали неоднозначное влияние  на мобилизацию подвижных форм азота. В меньшей степени оказывало  влияние на содержание нитратного азота в период кущения загрязнение почвы кадмием, где содержание нитратного азота в почве было выше по сравнению с загрязнением другими элементами. Но следует отметить, что повышение уровня загрязнения почвы этим элементом до 2,33 мг/кг снижало одновременно содержание нитратного и аммонийного азота. Следовательно, высокий уровень загрязнения тормозил процессы аммонификации и нитрификации, т.е. действовал ингибирующе на почвенную биоту. К периоду уборки негативное влияние на процессы нитрификации загрязнение кадмием оказало на всех уровнях загрязнения, и содержание нитратного азота в почве было ниже по сравнению с контролем, в то время как содержание аммонийного азота возрастало, и только при высоком уровне загрязнения (6,0 мг/кг) наблюдалось негативное влияние кадмия и на процессы аммонификации.