Мелиоративная способность насаждений ореха грецкого и ореха черного аккумулировать тяжелые металлы в надземной фитомассе

Размещено на http://www.allbest.ru/

МЕЛИОРАТИВНАЯ СПОСОБНОСТЬ НАСАЖДЕНИЙ ОРЕХА ГРЕЦКОГО И ОРЕХА ЧЕРНОГО АККУМУЛИРОВАТЬ ТЯЖЕЛЫЕ МЕТАЛЛЫ В НАДЗЕМНОЙ ФИТОМАССЕ

Малышева Зинаида Георгиевна, д-р с.-х. наук, доцент

Новочеркасский инженерно-мелиоративный институт имени А.К. Кортунова ФГБОУ ВПО Донской государственный аграрный университет, Новочеркасск, Россия

Цель выполненного научного исследования - оценить возможности ремедиации почв путем аккумуляции тяжелых металлов в надземной фитомассе - листьях, побегах, плодах - насаждений ореха грецкого и ореха черного. Исследования проводились в Ростовской области, Краснодарском и Ставропольском краях

Ключевые слова: ТЯЖЕЛЫЕ МЕТАЛЛЫ, НАСАЖДЕНИЯ ОРЕХА, ЛИСТЬЯ, ПОБЕГИ, ПЛОДЫ, ПОЧВЫ

Почва, как основа экотопа, в значительной мере определяет макро- и микроэлементный состав произрастающих на ней растений. Пути

поступления тяжелых металлов в растения разнообразны, основные из них - корневое и фолиарное [1]. Способность металлов проникать в растения через корни зависит от функций самого металла внутри организма, поэтому они поглощаются из почвы избирательно.

Многочисленные исследования показали, что существует определенная связь между химическим составом компонентов среды [2,3,4,5], но прямой корреляции между содержанием тяжелых металлов в растениях и почве обычно не прослеживается [6].

Для оценки условий химического загрязнения в различных экоси-стемах с доминированием ореха грецкого и ореха черного в условиях степной зоны Северного Кавказа был проведен поэлементный анализ ак-кумуляции металлов в тех фракциях надземной фитомассы (листья, побе-ги, околоплодники, ядра), которые участвуют в опаде, а также в слое 0-20 см черноземов и каштановых почв под этими насаждениями. Образцы (массой 1 кг) со всех частей кроны модельных деревьев одинакового возраста отбирали в конце вегетации. Почвенные образцы в трёхкратной повторности отбирали в осенний период под пологом модельных деревьев из слоя 0-20 см.

Анализ содержания валовых форм тяжёлых металлов во всех почвенных и растительных образцах проводился на установке «Перкин-Эль-мер» методом плазменной атомно-абсорбционной спектрометрии.

Полученные данные обрабатывали математико-статистическим методом [7] с получением уравнений регрессии и коэффициентов тесноты связей.

На основании математико-статистической обработки получены значения показателей тесноты связей между содержанием тяжелых металлов во взаимосвязанных системах: «листья-почва», «побеги-почва», «околоплодники-почва», «ядра-почва», «околоплодники-ядра» (таблица 1).

Вещественные связи в первых четырех системах обеспечиваются ежегодным опадом листьев, ветвей и плодов (околоплодников и ядер) с пополнением (после перегнивания) тяжелых металлов в верхнем слое почвы. Связь «околоплодник-ядро» осуществляется благодаря биологическим процессам.

насаждение орех аккумуляция металл

Таблица 1 - Показатели тесноты связей содержания тяжелых металлов в почвах и фракциях фитомассы

Из данных таблицы 1 следует, что показатели тесноты связей изме-няются от 0,06 до 0,799. Уравнения были получены только для тесных связей [4]. Так для системы «лист-почва» уравнения связи имеют вид:

Cu: при ; (1)

Ni: при ; (2)

Zn: при ; (3)

Co: при ; (4)

Pb: при ; (5)

Cd: при , (6)

где - содержание микроэлемента в слое почвы 0-20 см, мг/кг;

- содержание металла в листьях, мг/кг;

- коэффициент корреляции.

Анализ уравнений (1)-(6) показывает, что существуют прямые связи между содержанием валовых форм Cu, Ni, Zn, Co, Pb и Cd в поверхностном слое почвы и в листьях. По содержанию Mn и Cr тесных связей в системе «лист-почва» не обнаружено (коэффициенты тесноты связей изменяются от 0,142 до 0,284). Эти связи определяются общим воздушным поступлением техногенных поллютантов на поверхность листьев и почвы. Кроме этого связь поддерживается ежегодным опадом, большую часть которого составляют листья.

Данные наблюдений и графическая интерпретация соответствующих уравнений регрессии приведены на рисунках 1-6.

Рисунок 1 - Зависимость содержания валовых форм Cu в листьях ореха грецкого и ореха черного от содержания его в почве

Рисунок 2 - Зависимость содержания валовых форм Ni в листьях ореха грецкого и ореха черного от содержания его в почве

Рисунок 3 - Зависимость содержания валовых форм Zn в листьях ореха грецкого и ореха черного от содержания его в почве

Рисунок 4 - Зависимость содержания валовых форм Cо в листьях ореха грецкого и ореха черного от содержания его в почве

Рисунок 5 - Зависимость содержания валовых форм Pb в листьях ореха грецкого и ореха черного от содержания его в почве

Рисунок 6 - Зависимость содержания валовых форм Cd в листьях ореха грецкого и ореха черного от содержания его в почве

Из рисунка 1 видно, что по мере увеличения содержания Cu в почве возрастает содержание этого микроэлемента в листьях, т. е. листья орехов активно аккумулируют этот металл.

Аналогичная картина наблюдается и по аккумуляции в листьях Ni и Zn. Следует отметить, что Ni и Zn в листьях накапливаются менее интенсивно по сравнению с Cu (рисунки 2 и 3). Этого нельзя сказать о накоплении в листьях Co (рисунок 4) и Pb (рисунок 5). Эти металлы резко увеличивают свое содержание в листьях по мере их накопления в верхних слоях почвы.

Содержание Cd в листьях увеличивается до 0,57 мг/кг с возрастанием его содержания в почвах до 1 мг/кг. Увеличение содержания Cd в почве свыше 1 мг/кг сопровождается постепенным увеличением его содержания в листьях (рисунок 6).

В целом, содержание валовых форм металлов в листьях и почве связано между собой. Эти связи также определяются общим воздушным поступлением техногенных поллютантов на поверхность листьев и почвы. В составе атмосферных выпадений Mn и Cr принимают незначительное участие, поэтому связи содержания этих микроэлементов в листьях и почве не существенны.

Для системы «побег-почва», судя по коэффициентам корреляции, отмечена слабая связь в отношении металлов Co, Mn и Cd, умеренная - Pb и Cr и тесная - Cu и Ni.

В ежегодном опаде побеги занимают менее существенную часть по сравнению с листьями. Кроме этого листва большей частью прикрывает побеги от атмосферных выпадений, поэтому уравнения связи содержания валовых форм тяжелых металлов в побегах (, мг/кг сухого вещества) и почве (, мг/кг) оказались достоверными только для Cu и Ni:

Cu: при ; (7)

Ni: при . (8)

В уравнениях (7) и (8) теснота связей оказалась несущественной для Со (), Zn (), Mn (), Pb (), Cd () и Cr ().

Графические решения уравнений (7) и (8) приведены на рисунках 7 и 8.

По данным рисунка 7 видно, что увеличение содержания Cu в почве с 10 до 40 мг/кг приводит к существенному возрастанию содержания этого элемента в побегах (с 3,5 до 6,8 мг/кг).

Увеличение содержания Ni в почве с 10 до 60 мг/кг вызывает возрастание его содержания в побегах с 1,6 до 7,5 мг/кг.

Рисунок 7 - Зависимость содержания валовых форм Cu в побегах ореха грецкого и ореха черного от содержания его в почве

Рисунок 8 - Зависимость содержания валовых форм Ni в побегах ореха грецкого и ореха черного от содержания его в почве

Можно полагать, что Cu и Ni при импакции аэрозолей частично проникают в побеги, а в дальнейшем с опадом и перегниванием подстилки - в почву соответствующего местообитания. В формировании подстилки околоплодники и ядра участвуют незначительно, поэтому существенная связь в системе «околоплодник-почва» получена только для Zn:

при , (9)

где - содержание металлов в околоплодниках, мг/кг.

В системе «ядро-почва» существенная связь получена только для Cu:

при , (10)

где - содержание металлов в ядрах, мг/кг.

Графические решения уравнений (9), (10) показаны на рисунках 9, 10.

Рисунок 9 - Зависимость содержания валовых форм Zn в околоплодниках ореха грецкого и ореха черного от содержания его в почве

Рисунок 10 - Зависимость содержания валовых форм Cu в ядрах ореха грецкого и ореха черного от содержания его в почве

Из рисунка 9 видно, что с увеличением содержания в почве Zn до 60 мг/кг происходит значительное увеличение содержания этого химического элемента в околоплоднике. Превышение содержания Zn свыше 70 мг/кг в почве уже не оказывает существенного влияния на содержание это-го элемента в околоплодниках. Можно полагать, что накопление Zn до 15 мг/кг в перикарпе является предельным.

Из рисунка 10 видно, что при увеличении содержания Cu в почве с 10 до 40 мг/кг происходит резкое возрастание содержания его в ядрах, что указывает на опасную способность значительного накопления этого элемента.

Связи содержания других техногенных металлов в околоплодниках и почвах являются слабыми, а в ядрах они отсутствуют. Из околоплодников тяжелые металлы попадают, главным образом, не в почву (с опадом), а в ядра, что подтверждается уравнениями связи содержания их валовых форм в околоплодниках (, мг/кг) и ядрах (, мг/кг):

Co: при ; (11)

Cd: при ; (12)

Cu: при . (13)

Кроме этого относительно тесные связи получены для Pb ( = 0,385), указывающие на тенденцию проникновения металлов из перикарпа в ядра через эндокарп. Графические решения уравнений (11)-(13) приведены на рисунках 11-13.

Представленная на рисунке 11 зависимость характеризует постепенное проникновение валовых форм Со через эндокарп и вызывает резкое возрастание этого металла в ядрах, что указывает на опасность его накопления.

Накопление Cd в ядрах (рисунок 12) происходит следующим образом: при увеличении его содержания в околоплодниках до 0,2 мг/кг происходит основная аккумуляция этого элемента в ядрах. Дальнейшее количественное увеличение металла в околоплодниках не приводит к накоплению Cd в плодах (ядрах).

Из рисунка 13 видно, что накопление Cu в околоплодниках до 6 мг/кг приводит к резкому возрастанию этого элемента в ядрах. При превышении данного порога в околоплодниках содержание Cu в ядрах достигает 20 мг/кг и в дальнейшем изменяется незначительно.

Рисунок 11 - Зависимость содержания валовых форм Cо в ядрах ореха грецкого и ореха черного от содержания его в околоплодниках

Рисунок 12 - Зависимость содержания валовых форм Cd в ядрах
ореха грецкого и ореха черного от содержания его в околоплодниках

Зависимости, отображенные на рисунках 12, 13, характеризуют проникновение валовых форм тяжелых металлов в ядра на ранних стадиях развития плодов, когда эндокарп не является препятствием на путях миграции. На последующих стадиях (кривая после точки перегиба) эндокарп увеличивает свою толщину и прочность и перекрывает миграцию. Поэтому являются необходимыми исследования толщины и прочности эндокарпа для орехов грецкого и черного.

Рисунок 13 - Зависимость содержания валовых форм Cu в ядрах ореха грецкого и ореха черного от содержания его в околоплодниках

В целом, тяжелые металлы (Cu, Ni, Zn, Co, Pb, Cd), накапливаются в листьях, побегах и околоплодниках. В дальнейшем валовые формы этих металлов с ежегодным опадом поступают в подстилку, а затем - в почву.

Литература

1. Виноградов, А. П. Основные закономерности в распределении микроэлементов между растениями и средой / А. П. Виноградов // Микроэлементы в жизни растений и животных. - М.: Наука, 1985. - С. 7-20.

2. Кабата-Пендиас, А. Микроэлементы в почвах и растениях / А. Кабата-Пендиас, Х. Пендиас. - М.: Мир, 1989. - 439 с.

3. Ивонин, В.М. Приоритетные функции орехоплодных насаждений в степной зоне Северного Кавказа / В.М. Ивонин, З.Г. Малышева // Вестник Российской академии сельскохозяйственных наук. - 2006. - №3. - С. 52-55.

4. Ивонин, В.М. Орехоплодные при биопродуктивных мелиорациях ландшафтов / В.М. Ивонин, З.Г. Малышева // Мелиорация и водное хозяйство. - 2006. - № 6. - С. 34-36.

5. Малышева, З.Г. Мелиорация урбанизированной среды с помощью зелёных насаждений / З.Г. Малышева, Е.Г. Павлова // Мелиорация и водное хозяйство. - 2012. - № 2. -С. 27-29.

6. Малышева, З. Г. Содержание тяжелых металлов в почве и биомассе ореха черного на территории Краснодарского края / З. Г. Малышева // Брянщина - Родина отечественного и мирового высшего лесного образования: мат. междунар. науч.-практ. конф. - Брянск: БГИТА, 2005. - С. 85-87.

7. Ивонин, В. М. Лесомелиорация ландшафтов / В. М. Ивонин, Н. Д. Пеньковский. - Ростов н/Д.: СКНЦ ВШ, 2003. - 151 с.

Размещено на Allbest.ru