Распределение значений ФА листьев различных сортов яблони по кварталам, носит сглаженный, практически равномерный характер, что говорит о незначительном расхождении значений ФА в рассматриваемом районе. Видимо, сортовая специфика яблони по данным ФА-анализа не отражается на различиях в оценке стабильности развития рассматриваемых растений в данных экологических условиях.

В садовых насаждениях ВНИИСПК значения флуктуирующей асимметрии располагаются в диапазоне 0,0946...0,1163, что соответствует I...II баллам величины показателя стабильности развития растений, её связи с учитываемыми действующими стрессовыми факторами. Распределение ФА листьев изученных сортов яблони также носит сглаженный характер, что свидетельствует о незначительных изменениях коэффициентов ФА внутри сортового набора.

График изучения распределения значений ФА листьев указанных сортов яблони отражает незначительное изменение этого экологического параметра, как в сортовом, так и климатическом отношениях (рисунок 7).

Рисунок 7 - Изменение значений флуктуирующей асимметрии листьев сортов яблони

Как показали результаты двухфакторного дисперсионного анализа, ни сортовая специфика (F = 1,69 < F' = 3,15) (фактор 1), ни климатические условия двух контрастных лет исследования (F = 1,29 < F' = 5,12) (фактор 2) не оказывают достоверного влияния на значения коэффициентов ФА (таблица 5). В данном случае, несмотря на разницу условий онтогенеза, а также на достаточно широкий набор сортов яблони (N = 10), мы имеем дело с интегральным (всеобщим) характером проявления результатов ФА-анализа.

Таблица 5 - Коэффициенты флуктуирующей асимметрии в листьях яблони в зависимости от удалённости растений от отвала

На основании полученных расчётных значений ФА листовых пластинок яблони в зонах ГНУ ВНИИСПК и н.п. Б. Думчино создана практическая шкала балльных интервалов, отражающих нарушения стабильности развития растений при интегральном действии экологических стрессоров антропогенного происхождения. Криволинейное распределение значений ФА дает основание считать, что разбивка вариационного ряда также должна носить нелинейный характер. Диапазон расчётных данных (min = 0,0929; max = 0,1538) для удобства делили на пять равных частей, и согласно интегральной функции распределения вероятности значений коэффициентов ФА на основе способа расчёта процентилей получили границы баллов (рисунок 8).

Рисунок 8 - Интегральная функция распределения значений ФА яблони и границы баллов

Градация величины интегрального показателя стабильности развития для данной культуры представлена в таблице 6.

В целом, настоящий подход по результатам нашей работы может использоваться для оценки состояния популяций отдельных видов растений, а также для определения качества окружающей среды. Сравнение шкал балльной оценки берёзы и яблони показало разницу в величинах числовых значений коэффициентов ФА. Если для первого вида диапазон составляет
< 0,040 ... > 0,054, то для второго - < 0,100 ... > 0,159. Заметно, что числовые значения разнятся практически в 2...3 раза. Возможно, это связано с различным уровнем эколого-генетической устойчивости дикорастущего и окультуренного видов. Снижение устойчивости культурных растений к экологическим стрессам, видимо, может способствовать более пластичному изменению морфологических параметров листа, т.е. повышать значения коэффициентов флуктуирующей асимметрии. Это соответствует фундаментальным положениям экологической генетики (Жученко, 1988, 2004).

Таким образом, сравнительный анализ данных, полученных методом определения флуктуирующей асимметрии листьев берёзы повислой, показал различие коэффициентов ФА в зонах садового массива ГНУ ВНИИСПК и н.п. Б. Думчино. Значение среднего коэффициента флуктуирующей асимметрии листа берёзы повислой ниже для садового массива ГНУ ВНИИСПК относительно окрестностей н.п. Б. Думчино (антропогенное неблагополучие).

Таблица 6 - Пятибалльная шкала оценки стабильности развития яблони

На основании интегральной функции распределения коэффициентов флуктуирующей асимметрии листовых пластинок яблони десяти сортов различных зон произрастания построена пятибалльная шкала оценки стабильности развития этой культуры с отражением разной степени благополучия окружающей среды.

ФА-анализ листьев яблони показал индифферентность сортового состава к значениям коэффициентов флуктуирующей асимметрии.

Установлено падение значений коэффициентов флуктуирующей асимметрии листа яблони по мере удаления от шлакоотвала.

Анализ флуктуирующей асимметрии листьев яблони показал вероятность наличия двух различных источников экологического неблагополучия в окрестностях н.п. Б. Думчино. Один из них может быть непосредственно связан с шлакоотвалом отходов алюминиевого производства, другой - с автодорогой федерального значения Москва - Симферополь. экологический загрязненный флуктуирующий асимметрия

В целом, проведённое исследование позволяет считать яблоню индикаторной культурой для биомониторинга - системы наблюдений, оценки и прогнозирования изменения состояния популяций отдельных видов дикорастущих и культурных растений под влиянием антропогенных факторов воздействия.

Явление флуктуирующей асимметрии листа яблони в рассмотренных условиях математически достоверным образом прямо зависит от содержания меди в почве, наличия свинца в тканях листьев, а также от содержания в них абсцизовой кислоты и малонового диальдегида. Данные нашего исследования принципиально подтверждают схему связи тяжёлых металлов с флуктуирующей асимметрией листьев яблони через физиологический ферментативно-гормональный комплекс управления растительным морфогенезом.

Характеристика фитоценотических изменений в зонах техногенного загрязнения (на примере Думчинского шлакоотвала)

Как один из методов фитоиндикации антропогенного воздействия на экосистемы используется изучение радиального прироста в древостоях.

Шлакоотвал функционирует с 1963 г., поэтому нами проведён анализ радиального прироста дуба черешчатого за 43-летний период - 1964...2007 годы.

Дендрохронологический анализ позволил выявить в ретроспективе периоды начала отрицательного воздействия на дубовые насаждения комплекса факторов, связанных со шлакоотвалом.

Существенное влияние на динамику радиального прироста дуба черешчатого комплекса факторов, в т.ч. хронического загрязнения лесных насаждений тяжёлыми металлами из шлакоотвала, установлено на расстояние до 200 м.

Анализ динамики среднего периодического радиального прироста в пятилетиях показал, что шлакоотвал по уровню воздействия достиг опасного порога в 1983...1987 гг., спустя 20 лет после создания и стал оказывать отрицательное воздействие на рост деревьев дуба черешчатого в толщину, что вызвало нарушение биологической устойчивости насаждений.

Парадоксальное усиление радиального прироста у модельных деревьев дуба черешчатого на расстоянии 10 м от шлакоотвала в последние 20 лет (1988...2007 гг.) можно объяснить деструктивными процессами в древостоях. Отпад деревьев, разреживание древесного яруса улучшили световой режим для оставшихся деревьев, что привело к повышению интенсивности фотосинтеза у них и, как следствие - к усилению роста в толщину.

Наиболее низкий уровень изменчивости текущего радиального прироста деревьев дуба черешчатого установлен на расстоянии до 200 м от шлакоотвала в последние 20 лет (1988...2007 гг.). Происходит выравнивание популяции по интенсивности роста деревьев в толщину за счет воздействия мощного фактора неклиматической природы.

Дендрохронологический анализ, в основном, применяется в лесоводственных исследованиях при изучении роста лесообразующих древесных растений (сосны, ели, дуба, лиственницы и других), имеющих значительную продолжительность жизни (более 100 лет). Использован дендрохронологический метод для изучения динамики роста в толщину яблони домашней. У яблони рассеяннососудистая древесина, переход от ранней древесины к поздней постепенный. Граница годичного слоя выражена и составлена из узкой полоски сплюснутых в радиальном направлении волокнистых трахеид, поэтому годичные слои видны на поперечном срезе.

На шести учётных пунктах, расположенных на различном удалении от шлакоотвала, в октябре 2007 г. возрастным буравом Пресслера были взяты керны древесины ствола на высоте 1,3 м у пятнадцати модельных деревьев (по пять у каждого из трех сортов: Антоновка обыкновенная, Осеннее полосатое, Пепин шафранный). Ближайший к шлакоотвалу учётный пункт расположен на расстоянии около 1 км. Количество годичных колец в кернах древесины варьирует от 30 до 40, поэтому анализ текущего радиального прироста проведён за 30-летний период (1978...2007 гг.). Использование дендрохронологического метода не позволило установить достоверного влияния хронического загрязнения садовых насаждений тяжёлыми металлами шлакоотвала на динамику радиального прироста изученных сортов яблони на расстоянии более 1 км от источника выбросов. Среди причин этого: ярко выраженный возрастной тренд, периодичность плодоношения, агротехнические уходы и уход за кронами деревьев.

Установлена лишь тенденция увеличения интенсивности роста по радиусу ствола у яблони домашней в последние 10 лет (1998...2007 гг.) по мере удаления от шлакоотвала.

Разные сорта яблони имеют различную устойчивость к хроническому загрязнению тяжёлыми металлами. Наименьшей устойчивостью характеризуется сорт Антоновка обыкновенная, у которого зафиксирована тесная отрицательная связь минимумов годичного прироста в исследованном 30-летнем периоде (1978...2007 гг.) с удалённостью от шлакоотвала.

По мере приближения к шлакоотвалу увеличивается амплитуда колебания радиального прироста у изученных сортов яблони по годам в исследованном 30-летнем периоде (1978...2007 гг.), что проявляется в увеличении соотношения между максимальными и минимальными величинами годичного прироста на учётных пунктах.

Фитоиндикация, т.е. использование растительности как индикатора условий среды, выгодно отличается сравнительно быстрым получением информации по признакам растения.

Выявление флористического видового состава - основа всех ботанических исследований. Изучение флористического состава проводилось на стационарных пробных площадях размером 30 30 м.

Фитоиндикационные исследования проведены на стационарных пробных площадях. Растительные сообщества в лесном массиве в районе шлакоотвала относительно однородны, представлены ассоциациями класса Querco-Fagetea (мезофитные и мезоксерофитные широколиственные листопадные леса на богатых почвах в зоне умеренного климата), порядка Fagetalia sylvaticae (европейские мезофитные широколиственные леса). Данные ассоциации относятся к дубнякам снытевым. Это позволяет выявить изменение видового состава травяно-кустарничкового яруса фитоценозов под влиянием хронического загрязнения тяжёлыми металлами.

Характерными являются 9...14 неморальных видов, отличающихся V классом постоянства - встречаемость 81...100% (осока волосистая, яснотка пятнистая, гравилат городской), IV классом постоянства - встречаемость 61...80% (сныть обыкновенная, пролесник многолетний, копытень европейский, медуница неясная, будра плющевидная, чина весенняя, щитовник мужской, купена лекарственная), III классом постоянства - встречаемость 41...60% (звездчатка жестколистная, щитовник Картузиса, лютик кашубский, чистец лесной).

На расстоянии до 300 м от шлакоотвала наблюдается сукцессия живого напочвенного покрова: к характерным неморальным видам добавляются луговые (злаки) и рудеральные виды (малина, ежевика сизая, крапива двудомная), поэтому видовое разнообразие возрастает до 20...25 видов. При этом в целом сокращается обилие и проективное покрытие всех видов, включая доминантные характерные неморальные виды (например, осока волосистая). Происходит даже выпадение некоторых характерных видов: так, лютик кашубский не зафиксирован на расстоянии до 0,7 км от шлакоотвала.

В зоне 300 м от шлакоотвала отмечено почти двойное увеличение видового разнообразия травяно-кустарничкового яруса - от 20 видов (0,1 км) до 25 (0,3 км) по сравнению с ненарушенными растительными сообществами - от 9 видов (0,7 км) до 14 видов (1,2 км). Однако при этом сократилось проективное покрытие, которое определяли расчётным способом с использованием шкалы Ж. Браун-Бланке и переводных коэффициентов (в %) к ней.

Наименьшее проективное покрытие травяно-кустарничкового яруса зафиксировано на самых близких к шлакоотвалу участках (0,15 км) - 3,2% и 0,1 км - 10,7%. Несколько выше оно на расстоянии 0,3 км - 20,2%, но при этом снижено, более чем в 2 раза по сравнению с ненарушенными насаждениями. Косвенно проективное покрытие травяно-кустарничкового яруса связано с продуктивностью. Поэтому можно сделать вывод о снижении продуктивности травяно-кустарничкового яруса в дубравах на расстоянии до 300 м при хроническом загрязнении почвы тяжёлыми металлами.

Итак, фитоиндикационные методы позволяют оценить влияние хронического загрязнения почвы тяжёлыми металлами на лесные экосистемы.

На расстоянии до 300 м от шлакоотвала закономерно уменьшается проективное покрытие и, как следствие, биологическая продуктивность травяно-кустарничкового яруса. На этом фоне активизируются сукцессионные процессы, идёт увеличение видового разнообразия за счет нехарактерных луговых и рудеральных видов, выпадение характерных неморальных видов в связи с изменением светового режима в растительных сообществах из-за деструкции древесного яруса дубняков.

Лютик кашубский (Ranunculus cassubicus) можно считать видом-индикатором деструкции дубравных экосистем под действием комплекса антропогенных факторов, в т.ч. хронического загрязнения тяжёлыми металлами. Он имеет наименьшую устойчивость к изменению светового режима в насаждениях вследствие более высокой чувствительности к этому фактору.

Метод лихеноиндикации отличается высокой чувствительностью к околофоновым уровням загрязнения атмосферы, позволяя довольно точно определять границы распространения промышленных выбросов. Применение метода в комплексе с параметрами других компонентов биогеоценоза позволяет дать оценку состояния окружающей среды вблизи источников техногенного загрязнения.

Хроническое загрязнение тяжёлыми металлами растительных сообществ широколиственных листопадных лесов оказало существенное влияние на травяно-кустарниковый ярус на расстоянии до 300 м от объекта воздействия - шлакоотвала.

Методы лихеноиндикаци позволили выявить значительное аэротехногенное воздействие на элементы биогеоценозов урочища. Детальное обследование видового состава и распространения эпифитных лихеносинузий на стволах деревьев позволило провести зонирование территории (таблица 7).

Как видно из таблицы, по мере удаления от шлакоотвала изменяются показатели состояния лихеносинузий в сторону увеличения. Встречаемость накипных форм лишайников возрастает от 28% в 300 м от объекта, до 88% на самом удалённом участке (1,9 км). Средняя длина района поселения также увеличивается, в среднем от 0,9 до 2,5 м. Однако следует отметить, что эти показатели получены как средние для липы и дуба. Встречаемость, средняя протяженность по стволу и проективное покрытие лишайниками на высоте 1,3 м у липы значительно выше, чем у дуба. Поэтому зону сильного воздействия можно назвать «лишайниковой пустыней». На расстоянии 500...700 м существенно возрастают встречаемость лишайников - до 60...72%, протяженность по стволу - до 1,5 м, проективное покрытие - до 12%, в среднем 4,5...6,3%. На расстоянии 900 м и более все показатели значительно возрастают, особенно проективное покрытие - до 22,5%. Для сравнения, в контроле все основные показатели оказались выше, чем в зоне слабого воздействия.

Таблица 7 - Характеристика лишайниковых синузий в районе исследований

Таким образом, состояние эпифитных лихеносинузий позволяет провести зонирование территории урочища. При этом возможно выделение трех зон: зона сильного воздействия; зона среднего воздействия и зона слабого воздействия.

В условиях длительного техногенного воздействия остро встаёт вопрос о сукцессионных процессах в лесных сообществах. Поэтому влияние шлакоотвала на естественное возобновление древесных пород представляет особый интерес.

Анализ распределения густоты подроста (рисунок 9) показал, что естественное возобновление тем лучше, чем дальше древостой произрастает от шлакоотвала. Эта зависимость выражена уравнением прямой y = 6,7209x - 725,88 с точностью R2 = 0,7357.

Рисунок 9 - Изменение густоты подроста в зависимости от удаления от шлакоотвала

Густота подлеска (рисунок 10) уменьшается по мере удаления от шлакоотвала и описывается уравнением параболы y = -4E - 06x3 + 0,0196x2 - 32,53x + 17434 с точностью R2 = 0,9564

Рисунок 10 - Изменение густоты подлеска в зависимости от удаления от шлакоотвала

В подросте на территории исследуемого объекта произрастают ясень, клен, липа, которые в целом возобновляются успешно. Дуб в данных условиях семенным путём не возобновляется. Это, отчасти, можно объяснить тем, что под влиянием компонентов шлакоотвала, сформировалась почвенная среда, которая препятствует возобновлению дуба.

Отмечено отрицательное влияние шлакоотвала на естественное лесовозобновление: на удалении до 300 м оно отсутствует полностью; на расстоянии около 500 м происходит постепенное увеличение густоты подроста. Зависимость увеличения густоты подроста по мере удаления от шлакоотвала можно выразить уравнением прямой y = 6,7209x - 725,88 с коэффициентом аппроксимации R2 = 0,7357. Густота подлеска, наоборот, снижается по мере удаления от шлакоотвала, т.к. более здоровый древостой и подрост являются мощным конкурентом подлеска. Эту зависимость можно выразить уравнением параболы: y = -4E - 06x3 + 0,0196x2 - 32,53x + 17434 с коэффициентом аппроксимации R2 = 0,9564.

Сравнение полученных данных с результатами исследования 1999 г. показало, что на ПП, расположенных в зоне до 300 м от шлакоотвала, увеличилась густота подлеска, а на ПП далее 300 м улучшилось состояние подроста и увеличилась его густота, что объясняется ослаблением корневой конкуренции в связи повышенным отпадом деревьев основного полога.

Анализ естественного возобновления показывает сукцессию дубовых насаждений на липово-кленово-ясеневые, что с одной стороны, повышает биоразнообразие урочища и его устойчивость к воздействию шлакоотвала и других техногенных факторов, с другой - снижает его лесоводственно-экономическую значимость.

Содержание тяжёлых металлов в растениях и некоторые приемы повышения экологической безопасности плодов и ягод

При попадании в почву металлы интенсивно поглощаются растениями, что показывают результаты анализа образцов древесины дуба черешчатого, ясеня обыкновенного и берёзы повислой, взятых на различном удалении (50 и 1000 м) в восточном направлении от шлакоотвала. Исследовались также листья дуба черешчатого, взятые с модельных деревьев, расположенных в 20 - 70 м на юго-восток от шлакоотвала (рисунок 11).

Рисунок 11 - Относительное изменение содержания металлов в древесине основных лесообразующих пород на расстоянии 1000 м от шлакоотвала (за 100% взято содержание тяжёлых металлов на расстоянии 50 м)

Сравнительный анализ содержания металлов в древесине перечисленных видов показывает снижение их содержания на удалении 1000 м от шлакоотвала по сравнению с 50-метровой зоной в среднем, на 24,7 % для дуба, на 52,9 % для ясеня и на 56,6 % для берёзы.

Наличие разнообразных путей поступления тяжёлых металлов в растение предполагает существование двух ведущих факторов формирования элементного химического состава растений: генетического и экологического. Долевое участие каждого фактора меняется в зависимости от изменений условий среды. Наши исследования показали значительное влияние экологического и генетического факторов на содержание микроэлементов в плодах и листьях ягодных растений.

Листья смородины чёрной содержат в несколько раз больше Pb, Ni, Zn, Fe и Cu по сравнению с листьями малины и крыжовника (таблица 8). При этом содержание микроэлементов в листьях ягодных культур зависело от агрофона. Отмечено статистически достоверное влияние минеральных удобрений на накопление в листьях смородины чёрной Pb, Ni, Zn и Fe, и на накопление в листьях малины Ni и Zn.

Таблица 8 - Содержание микроэлементов в листьях ягодных культур (средние данные за 2005…2008 гг.).

Внесение цеолита в возрастающих дозах приводило к достоверно более низкому содержанию Pb и Ni в листьях смородины чёрной (рисунок 12), малины и крыжовника. Эти токсичные элементы поступают в растения преимущественно пассивным путём, и у всех изучаемых культур содержание Pb и Ni в листьях изменяется в соответствии с содержанием доступных форм в почве. Коэффициенты корреляции между содержанием Ni в листьях и подвижных форм Ni в почве были: для смородины - 0,7, для малины - 0,9, для крыжовника - 0,5. Корреляция между содержанием Pb в листьях и в почве: для малины r = 0,5, для крыжовника r = 0,82.

Накопление биогенных элементов Zn и Cu в листьях ягодных культур при снижении содержания в почве доступных форм этих элементов при внесении возрастающих доз цеолита было специфичным для каждой культуры (рисунок 13). Увеличение содержания в листьях ягодных культур биогенных микроэлементов при снижении содержания в почве их доступных соединений может свидетельствовать о задействовании механизмов активного метаболического поглощения.

Таким образом, содержание токсичных микроэлементов в листьях ягодных культур определяется преимущественно экологическим фактором - содержанием в почве доступных форм этих элементов, а в поступлении в листья ягодных растений биогенных микроэлементов значимую роль играет генетический фактор.

Рисунок 12 - Содержание Pb и Ni в листьях смородины чёрной (мг/кг сырой массы) при внесении возрастающих доз цеолита.

Конечной целью исследований является оптимизация микроэлементного состава ягодной продукции. В таблице 9 приведены данные о содержании микроэлементов в плодах ягодных культур в условиях опыта, а также ПДК микроэлементов в плодах и ягодах и средние фоновые значения содержания микроэлементов в изучаемых культурах. Хотя содержание исследуемых металлов в плодах не превышает ПДК, присутствие Ni и Pb, изменение доли Zn, Cu и Fe по сравнению со средним фоновым уровнем свидетельствует о влиянии на минеральный состав внешних техногенных и агрогенных факторов и необходимости контроля за содержанием токсичных элементов.

Рисунок 13 - Содержание Zn и Cu в листьях ягодных культур при внесении возрастающих доз цеолита (мг/кг сырой массы);

Наибольшее содержание Pb отмечено в плодах крыжовника, Ni - в плодах малины. В то же время, малина характеризуется и наибольшим содержанием ценных биогенных микроэлементов - Fe и Zn.(Таблица 9).

Таблица 9 - Содержание микроэлементов в плодах ягодных культур (средние данные за 2005…2008 гг.).

Суммарный показатель накопления Pb, Ni, Zn и Cu составил 0,915 - для смородины чёрной, 2,47 - для малины, 1,16 и 1,26 - соответственно, для форм крыжовника ЭЛС 24-15-21 и ЭЛС 24-15-2. Таким образом, в условиях наших опытов малина имеет наибольший экологический риск накопления ТМ в продукции.

Действие физиологических барьеров, препятствующих поступлению ТМ в генеративные органы, у разных культур проявляется неодинаково. Так смородина, имевшая самое высокое содержание ТМ в листьях (Таблица 8), содержала ТМ в ягодах в 30…50 раз меньше. Содержание Pb в плодах малины было в 44 раза меньше, чем в листьях. Содержание Ni, Zn и Cu - соответственно в 4, 3 и 12 раз меньше. В то же время, плоды и листья малины содержали почти одинаковое количество железа. (Таблицы 8 и 9).

Закономерности поступления Pb и Ni в плоды ягодных культур сходны с поступлением этих элементов в листья. Отмечена достоверная корреляция между содержанием Pb и Ni в плодах и листьях малины (rPb = 0,83 и rNi = 0,76), крыжовника (rPb = 0,96 и rNi = 0,94), смородины чёрной (rNi= 0,77). Содержание Pb и Ni в плодах при внесении цеолита снижалось на 20…70% в зависимости от культуры.

Изменение содержания Zn и Cu в плодах при внесении возрастающих доз цеолита было специфичным для каждой культуры (таблицы 10 и 11).

Закономерности поступления Zn и Cu в ягоды смородины чёрной сходны с поступлением Zn и Cu в листья, что подтверждается корреляцией между содержанием микроэлементов в листьях и ягодах: rCu =0,8; rZn =0,5. Содержание Zn и Cu в ягодах смородины чёрной было связано и с содержанием подвижных форм ТМ в почве. Достоверные коэффициенты корреляции между содержанием этих элементов в почве и в ягодах составили: rCu =0,78;

rZn = 0,73. Таким образом, накопление Zn и Cu в ягодах смородины чёрной происходит при участии как генетического, так и экологического факторов. В плодах малины минимальное содержание Zn и Cu отмечено в варианте с внесением 10 т/га цеолита на фоне N90Р90К90. (Таблица 10).

Таблица 10 - Содержание Zn и Cu в плодах смородины чёрной и малины (мг/кг сырой массы).

Плоды крыжовника в вариантах с внесением цеолита содержали Zn достоверно меньше, чем в контрольном варианте (таблица 11). Отмечена высокая положительная корреляция (r = 0,91…0,94) между содержанием подвижных форм Zn в слое почвы 20…40 см и содержанием этого элемента в плодах обеих изучаемых форм.

Таблица 11 - Содержание Zn и Cu в плодах крыжовника (мг/кг сырой массы).

Внесение 16 т/га цеолита на фоне N90Р90К90 способствовало достоверно более высокому содержанию Cu в плодах крыжовника по сравнению с фоном. Имела место отрицательная корреляция (r = -0,9) между содержанием Cu в плодах крыжовника и содержанием подвижных форм Cu в слое почвы 20…40 см. Всё это свидетельствует о преимущественно генетическом контроле поступления Cu в плоды крыжовника в экологических условиях опытного участка.

Под влиянием цеолита изменилось соотношение микроэлементов в плодах - суммарная доля токсичных элементов свинца и никеля снизилась на 20…50% в зависимости от культуры. Суммарная доля биогенных элементов в ягодах смородины чёрной возросла в основном за счет увеличения содержания важного в биологическом и пищевом плане железа. В плодах крыжовника суммарная доля биогенных элементов возросла за счёт железа и меди.

Минимальные значения суммарного показателя накопления (СПН) Pb, Ni, Zn и Cu в плодах ягодных культур отмечены в следующих вариантах: в опыте со смородиной чёрной - при внесении 3 т/га цеолита на фоне N90Р90К90, в опыте с малиной - при внесении 10 т/га цеолита на фоне N90Р90К90, в опыте с крыжовником - при внесении 24 т/га цеолита на фоне N90Р90К90.

Анализ содержания фитогормонов в листьях смородины чёрной сорта Кипиана на территории ВНИИСПК показал, что внесение под эту культуру N90Р90К90 существенно (в 4 раза) увеличивает содержание ИУК на фоне повышения соотношения ИУК/АБК (6,80 против 1,86 на контроле). В варианте с совместным применением N90Р90К90 и цеолита, несмотря на максимальное содержание ИУК, соотношение ИУК/АБК было на уровне контроля (2,14 относительно 1,86 в контроле). В условиях техногенного загрязнения в варианте N90Р90К90 + цеолит отмечено меньшее снижение ИУК (в 1,36 раза), чем в варианте с N90Р90К90 без цеолита (в 3,5 раза) по сравнению с их бесстрессовыми вариантами. В варианте с цеолитом количество АБК в листьях снизилось на 27%. В результате соотношение ИУК/АБК в растениях, произрастающих на территории техногенного загрязнения, при совместном внесении под культуру N90Р90К90 + цеолит было на уровне такового соотношения фитогормонов в варианте N90Р90К90 + цеолит на территории ВНИИСПК. Аналогичные данные в условиях стресса получены и по гибберелловой кислоте (ГА3). Возделывание растений на фоне совместного внесения в почву N90Р90К90 + цеолит в условиях интоксикации ТМ не повлияло на уровень ГА3, тогда как в варианте с N90Р90К90 количество данного гормона снизилось на 26%.

Таким образом, проведённый анализ показал, что в условиях интоксикации ТМ в варианте N90Р90К90 + цеолит гомеостаз фитогормонов был на относительно постоянном уровне, что может служить указанием на протекторное влияние используемого мелиоранта.

Биологически активные вещества могут изменять реакцию растений на стрессоры. В связи с этим особый интерес вызывает циркон - природный регулятор эндогенного фенольного действия, на основе гидроксикоричных кислот. По рекомендациям производителей циркон считается корнеобразователем и индуктором цветения, способствует формированию устойчивости к ряду грибных заболеваний. В связи с этим представляло интерес изучить возможность протекторного воздействия циркона на процесс липопероксидации при интоксикации растений земляники (сорт Рубиновый кулон) ионами меди.

Проведённые анализы показали, что внесение в почву 2 ПДК меди в 2,7 раза увеличило содержание исследуемого металла в листьях земляники по отношению к контрольным растениям. На фоне интоксикации растений медью обработка цирконом несколько снизила накопление исследуемого металла. Содержание ионов меди в данном варианте только в 2 раза превышало контроль.

Значительное накопление меди в растениях в варианте с 2 ПДК на 32,2 % повысило активность пероксидазы в листьях. По-видимому, увеличение активности фермента связано с наличием высокого уровня гидроперекисей (содержание последних на 50,3 % выше контроля). При этом коэффициент корреляции между активностью фермента и содержанием гидроперекисей составил 0,92.

На фоне двукратного увеличения содержания меди в листьях земляники обработка растений цирконом в варианте 2 ПДК меди + циркон на 30,8 % вызвала повышение активности пероксидазы по отношению к контролю, что практически не составляло отличия от увеличения активности фермента в варианте с 2 ПДК токсиканта. Однако образование гидроперекисей в данном варианте было несколько ниже, чем в варианте с чистым токсикантом (38 % против 50,3 %, соответственно, относительно контроля). Более низкое содержание гидроперекисей в варианте 2 ПДК меди + циркон, возможно, связано с активацией гидроксикоричными кислотами другого антиоксидантного фермента - супероксиддисмутазы (СОД). Известно, что в результате взаимодействия СОД с О2- происходит образование перекисей (Mitteler, 2002). Дальнейшая реутилизация перекисей идет с участием каталазно-пероксидазной системы. Следует отметить, что обработка цирконом растений земляники, растущей на почве без внесения меди, достоверно не повлияла ни на активность фермента, ни на образование гидроперекисей.

Вызванные изменения в содержании катионов меди, гидроперекисей и активности антиоксидантного фермента в листьях растений, в конечном итоге сказались и на интенсивности перекисного окисления липидов мембран. Содержание малонового диальдегида при интоксикации земляники ионами меди было на 63,84 % выше контроля. Обработка растений цирконом не только несколько снижала накопление ионов меди и образование гидроперекисей в варианте 2 ПДК меди + циркон, но и препятствовала интенсификации ПОЛ. Так, количество конечного продукта липопероксидации - МДА в данном варианте было выше контроля только на 45,2 %.

Таким образом, используемый регулятор роста циркон сдерживал накопление ионов меди в листьях земляники при её токсичном содержании в почве и регулировал перекисный гомеостаз растений.

Выводы

1. Негативные последствия загрязнения окружающей среды тяжёлыми металлами представляют реальную угрозу для биосферы. Из-за недооценки этого фактора агроландшафтные системы Центральной России подвержены значительному загрязнению тяжёлыми металлами. Наиболее существенное повышение их содержания в почве отмечается вокруг локальных загрязнителей: промышленных отвалов, автомагистралей, а также на землях длительного интенсивного сельскохозяйственного использования. Так, по полученным нами данным в результате пятидесятилетнего интенсивного применения средств защиты растений в садовых агроценозах ВНИИ селекции плодовых культур валовое содержание тяжёлых металлов в почве на многих участках превышает регионально-фоновую концентрацию: Pb и Ni - в 2 раза, Zn - в 3 раза, а валовое содержание Cu превысило ОДК. Содержание подвижных форм ТМ составило: Pb 0,08 ± 0,01; Ni 0,28 ±0 ,03; Cu 0,56 ± 0,09; Zn 15,03 ± 1,9. Тенденция загрязняющего воздействия проявляется даже на почвах памятников природы.

2. Анализ фонового содержания тяжёлых металлов в различных типах почв выявил существенные различия. Содержание свинца было наибольшим в серой лесной почве (от 13 до 89 мг/кг со средним значением 41,48 мг/кг.), а в дерново-подзолистой почве наименьшим - (на уровне 11,5 мг/кг). Содержание цинка, кобальта и меди в почве оказалось связанным с её плодородием: в более плодородных почвах содержание этих элементов оказалось выше. Содержание никеля было наибольшим в выщелоченном чернозёме (42,6 мг/кг), затем в серой лесной (40 мг/кг) почвах. Меньше всего содержалось этого микроэлемента в дерново-подзолистой почве. По содержанию марганца различия были незначительными. Чернозём выщелоченный и тёмно-серые лесные почвы отличались большим содержанием хрома.

3. В зонах интенсивного техногенного загрязнения сукцессионные изменения растительности носят явно выраженный характер: по мере удаления от источника загрязнения жизнеспособной остается вначале лишь специфичная травянистая растительность, затем добавляются (на расстоянии около 300 м) злаки и рудеральные виды (малина, ежевика, крапива двудомная и др.). При этом в целом сокращается обилие всех видов, включая доминантные. Наиболее чувствительным к загрязнению в зоне исследования оказался представитель травянистой флоры - лютик кашубский, который можно рассматривать как вид - индикатор загрязнения.

4. Адаптивные реакции сельскохозяйственных полевых культур на загрязнение тяжёлыми металлами имеют существенные различия. По степени снижения устойчивости к этому виду загрязнения они располагаются в следующем порядке: крупяные, зерновые, зернобобовые, сахарная свекла. Действие тяжёлых металлов у них проявляется через угнетение активности клеточных ферментов, снижение активности антиоксидантного фермента, интенсификацию процессов липидопероксидации биомембран на фоне нарушения баланса фитогормона, аномалии в развитии корневой системы проростков (в том числе, неразвитие первичного корня или вторичных корней, отсутствие эпикотиля, формирование эпикотиля без верхушечной почки). Под действием тяжёлых металлов происходят негативные изменения также в росте и развитии корней плодовых культур. При этом никель оказывает наибольшее токсическое действие (деформируются корневые волоски, клетки поверхности зоны проведения корня не имеют четких контуров).

5. Дикие виды древесных растений на загрязнённых территориях формируют листовую пластинку меньшей площади, большей толщины, с меньшим содержанием хлорофиллов, кратно снижается в них активность клеточных ферментов. Установлена высокая тесная связь между величиной показателя стабильности развития берёзы повислой, определяемого по величине флуктуирующей асимметрии листа, и содержанием в листьях тяжёлых металлов (R2 = 0,98), что позволило провести зонирование территории по данному показателю. Кризисное и предкризисное состояние экосистем прогнозируется на расстоянии до 500 м, удовлетворительное состояние сменяется хорошим на расстоянии более 1000 м от промышленного отвала. Изменения в составе лишайников на загрязнённой территории позволили провести её зонирование по данным лихеноиндикации. При этом выделено 3 зоны: зона сильного воздействия, зона среднего воздействия и зона слабого воздействия источника загрязнения.

6. Математически достоверной оказалась связь флуктуирующей асимметрии и содержания тяжёлых металлов в листьях яблони домашней (R2= 0,98). Разработана шкала оценки стабильности развития этой культуры по показателям флуктуирующей асимметрии. На основе полученных достоверных связей разработана методика использования яблони в качестве индикаторного растения для биомониторинга стрессового воздействия среды на растения в садовых агроценозах.

7. Четко выраженный характер действия источника промышленного загрязнения приводит к формированию зон древесной растительности с различной интенсивностью радиального прироста, что позволило выявить в ретроспективе периоды начала отрицательного действия изучаемого шлакоотвала на дубовые насаждения. По мере удаления от отвала отмечена сукцессия дубовых ценозов на липово-кленово-ясеневые. Выявлено, что зависимость густоты подроста по мере удаления от шлакоотвала носит линейный характер (при R2 = 0,9564).

8. Использование дендрологического метода при изучении радиального прироста яблони домашней показало неодинаковую устойчивость различных сортов этой культуры к хроническому загрязнению тяжёлыми металлами. Наименьшая устойчивость к данному фактору оказалась у сорта Антоновка обыкновенная (что может быть связано с более благоприятными экологическими условиями в период выведения этого сорта).

9. Накопление тяжёлых металлов в различных частях растений неодинаково. Оно выше в листьях, ниже - в плодах. При оценке влияния агроприемов на экологическую безопасность плодово-ягодной продукции необходимо учитывать содержание микроэлементов в листьях и плодах, использовать системные показатели, такие как коэффициент накопления (Кн) и суммарный показатель накопления (СПН). Элементы располагаются в порядке убывания их количества в ягодах смородины чёрной следующим образом: цинк, железо, медь, никель, свинец; крыжовника и малины - цинк, железо, никель, медь, свинец.

10. Перспективным способом снижения подвижности тяжёлых металлов в почве и содержания тяжёлых металлов в растениях и плодовой продукции является использование мелиорантов, в том числе, нанопористого природного минерала цеолита. Экономически обоснованными дозами при выращивании ягодных культур являются: для смородины чёрной - 3 т/га; для малины - 10 т/га; для крыжовника - 8 т/га. При этом рентабельность производства повысилась на 40, 24 и 19% соответственно.

Применение регуляторов роста, в том числе - препарата циркон, использование которого в дозе 10 мкг/л (1•10-6 %) сдерживало накопление ионов меди в листьях земляники при её высоком содержании в почве и регулировало перекисный гомеостаз растений.

Предложения по практическому использованию результатов исследований

1. Органам государственной власти и управления в сфере регулирования природопользования принять соответствующие нормативно-законодательные акты по запрещению размещения промышленных токсичных отходов открытым способом; разработать и утвердить государственную программу по утилизации и захоронению действующих отвалов, терриконов, хвостохранилищ и других объектов хранения отходов.

2. Госстрою РФ и его территориальным органам при проведении государственной экспертизы проектов строительства промышленных предприятий не допускать согласований на размещение отходов в агроландшафтах открытым способом. Рекомендовать предприятиям использовать зарубежный передовой опыт по глубокой переработке и нейтрализации их токсичности, утилизации и захоронению отходов.

3. Руководителям промышленных предприятий, в собственности которых находятся шлакоотвалы и другие аналогичные объекты хранения отходов производства, реализовать проекты по предотвращению дальнейшего загрязнения территорий данными объектами.

4. Сельскохозяйственным организациям, на землях которых размещены отвалы, терриконы, хвостохранилища в структуре посевных площадей на загрязнённых вышеуказанными объектами землях, предусматривать разработку и освоение систем земледелия, основу которых будут составлять севообороты с более толерантными к загрязнению культурами.

5. Для снижения поступления тяжёлых металлов в ягодную продукцию использовать в качестве мелиоранта нанопористый природный минерал - цеолит Хотынецкого месторождения при выращивании смородины чёрной - 3 т\га, малины - 10 т/га и крыжовника - 8 т/га.

6. При подготовке специалистов в области экологии, лесомелиорации, земледелия, агрохимии и другим специальностям использовать методические рекомендации по флуктуирующей асимметрии листовой пластинки, определению свинца и никеля в органах растений и подвижных форм меди в почве.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

Работы, опубликованные в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Кузнецов, М. Н. Оценка экологического состояния окружающей природной среды в районе складирования отходов алюминиевого производства / М. Н. Кузнецов, С. И. Марченко, И. Н. Глазун, Л. М. Соболева // Вестник МАНЭБ. - 2008. - Т. 13. - № 3. - С. 10-18.

2. Кузнецов, М. Н. Накопление тяжёлых металлов в плодах и почве в зоне техногенного загрязнения / М. Н. Кузнецов, С. М. Мотылёва // Вестник РАСХН. - 2008. - 4. - С. 80-82.

3. Кузнецов, М. Н. Сравнительная характеристика особенностей флуктуирующей асимметрии листьев яблони в разных экологических условиях. / М. Н. Кузнецов, Л. В. Голышкин // Сельскохозяйственная биология. Сер. Биология. - 2008. - № 3. - С. 72-77.

4. Кузнецов, М. Н. Влияние цеолита на содержание свинца и никеля в ягодах чёрной смородины и крыжовника. / М. Н. Кузнецов, Т. А. Роева, Л. И. Леонтьева // Садоводство и виноградарство. - 2008. - № 6. - С. 15-16.

5. Кузнецов, М. Н. Оценка количественных возможностей использования цеолитсодержащих пород для снижения поступления тяжёлых металлов в ягоды чёрной смородины. / М. Н. Кузнецов, Е. В. Леоничева, Т. А. Роева // Аграрный вестник Урала. - 2009. - № 5 (59). - С. 92-94.

6. Кузнецов, М. Н. Влияние цеолитизации на содержание тяжёлых металлов в светло-серой лесной почве в условиях техногенного загрязнения / М. Н. Кузнецов, Е. В. Леоничева, С. М. Мотылёва, Т. П. Уколова, М. Е. Мертвищева, О. А. Подушнова // Доклады РАСХН. - 20...