Изучение корней тополя бальзамического (Populus balsamifera L. ) по почвенному профилю в условиях полиметаллического загрязнения окружающей среды

Вестник Челябинского государственного университета. 2013. № 7 (298). Биология. Вып. 2. С. 168-172.

Р. Х. Гиниятуллин

ИЗУЧЕНИЕ КОРНЕЙ ТОПОЛЯ БАЛЬЗАМИЧЕСКОГО

ПО ПОЧВЕННОМУ ПРОФИЛЮ В УСЛОВИЯХ ПОЛИМЕТАЛЛИЧЕСКОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Приводятся данные по фракциональному составу корневой системы тополя бальзамического в условиях Стерлитамакского промышленного центра и в зоне условного контроля. Установлено, что в условиях загрязнения на глубине до 10 см под влиянием металлов происходит снижение доли поглощающих корней тополя бальзамического по сравнению с контролем.

Ключевые слова: тополь бальзамический, Стерлитамакский промышленный центр, поглощающие корни, тяжёлые металлы.

Введение. Аккумуляция элементов техногенного происхождения в почвенном профиле определяется совокупным влиянием ряда процессов, важнейшими из которых являются поступление веществ с атмосферными осадками и пылью, адсорбция промышленных газов почвой, аккумуляция избыточных количеств элементов в растениях и поступление в почву с опадом, дополнительное накопление их в подстилке за счёт замедленной её трансформации [1]. Возрастающие дозы тяжёлых металлов в почве вызывают у растений в первую очередь замедление роста [2; 3]. Поступление тяжёлых металлов в растения во многом зависит от их концентрации в почве. Из корней металлы транспортируются в вы-шерасположенные органы по сосудам ксилемы с транспортирующим током [4; 5].

В условиях полиметаллического загрязнения Стерлитамакского промышленного центра (СПЦ), тополевые насаждения находятся под влиянием техногенного воздействия. Показателем, характеризующим загрязненность атмосферы и почвы тяжёлыми металлами, является наличие их в почвах и корнях под пологом насаждений тополя бальзамического (Рopulus balsamifera L.).

Цель. Изучение особенностей формирования корневой системы тополя бальзамического и содержания тяжёлых металлов в подземных частях растений.

Материалы и методы. Исследования проводились в тополевых древостоях, расположенных вблизи от источников загрязнения и в зоне условного контроля. Исследования корневых систем тополя бальзамического в СПЦ и в зоне условного контроля проводили методом количественного учёта — методом монолитов [7].

Траншеи (почвенные разрезы) на пробных площадях закладывали перпендикулярно направлению роста горизонтальных корней на расстоянии 70 см от ствола. Все почвенные разрезы имели одинаковые размеры 1^1 м.

Отбор и подготовка к анализу почвенных и растительных образцов осуществляли по общепринятым методам [8]. Содержание металлов в корнях определялось методом атомно-абсорбционного анализа (ААС — 2епй — 650).

Результаты и обсуждение. Корненасыщенность метрового слоя почвы в условиях СПЦ составляет 3 678,3 г/м2, а в зоне условного контроля —

2 543 г/м2. Максимальная корненасыщенность почвы в условиях СПЦ отмечается на глубине 1020 см, где сосредоточено 19 % всех корней тополя (708,3 г/м2), а в контроле — на глубине 20-30 см, где сосредоточено 30,6 % всех корней (780,5 г/м2). Минимальная корненасыщенность почвы характерна для следующих глубин: СПЦ — 90-100 см (89,4 г/м2, 2,4 %), контроль — 80-90 см (62,0 г/м2, 2,4 %), 90-100 см (39,7 г/м2, 1,5 %). В зоне условного контроля основная масса корней сосредоточена в верхних горизонтах почвы. Так, в толще почвы 0-40 см сосредоточено 78,8 %, а в условиях загрязнения основная масса корней сосредоточена на глубине 10-60 см (72,1 % массы корневой системы тополя). Сравнение насыщенности почвы корнями показывает, что в условиях СПЦ насыщенность верхнего слоя почвы (0-30 см) корнями ниже, чем в зоне условного контроля. В более глубоких слоях (30-100 см) отмечается противоположная картина.

Тяжёлые металлы, поступая в почву, накапливаются в приповерхностном слое почвы 0-10 (20) см, где они присутствуют в форме обменных ионов, входят в состав гумусовых веществ, карбона-

тов, оксидов алюминия, железа и марганца [9]. Высокобуферные карбонатные горизонты фиксируют до 90 % поступающих тяжёлых металлов в слое 10-20 см. В слабокислых почвах миграция металлов наблюдается до глубин 40 см [10].

Выявлено, что в условиях СПЦ в почвах на глубине 0-10 см под насаждениями тополя содержание Си, Мп, Cd, РЬ значительно выше, чем на глубине 30-50 см. В условиях полиметаллического загрязнения СПЦ в слое почвы 0-10 см содержание Си (в 11,9 раза), Cd (в 127,5 раза), РЬ (в 7,28 раза), № (в 5,1 раза) выше, чем в условиях контроля (табл. 1).

В условиях СПЦ выявлено повышенное содержание тяжёлых металлов в слое почвы 0-10 см, что приводит к снижению доли корней тополя.

В тонких корнях тополя бальзамического диаметром до 1 мм, 1-3 мм и более 3 мм определялось накопление тяжёлых металлов. Корни до 1 мм относили к деятельным и условно деятельным (сосущие), 1-3 мм — к полускелетным (проводящие), более 3 мм — к скелетным (проводящие) [11]. Наиболее повышенная концентрация С^ РЬ, № наблюдается в корнях диаметром 1-3 мм. В условиях СПЦ содержание Cd в 12,2 раза, РЬ в 8,3 раза, № в 7,5 раза больше, чем в зоне условного контроля (рис. 2, 3, 5). Следует отметить, что в условиях СПЦ тяжёлые металлы в корнях содержатся в концентрациях, превышающих норму.

Несколько иная картина наблюдается в корнях тополя бальзамического при накоплении Си и Мп (рис. 1 и 4). Выявлены следующие особенности

аккумуляции Си и Мп в тонких корнях. В условиях СПЦ в корнях избыточных концентраций Си и Мп не зафиксировано. В течение вегетации больших различий в накоплении Си и Мп во фракциях корней в условиях СПЦ и в контроле не обнаружено. Причем в условиях СПЦ и в зоне условного контроля наибольшее количество Мп накапливается в корнях диаметром более 3 мм, а Си накапливается в корнях диаметром менее 1 мм. Концентрация Си в корнях диаметром менее 1 мм в 1,5 раза выше, чем во фракциях 1-3 мм и более

3 мм. Более высокое содержание Си в корнях диаметром до 1 мм объясняется тем, что в эту фракцию вошли все физиологически активные корни. Наибольшая концентрация Cd, РЬ, № характерна для корней до 1 мм и для полускелетных диаметром 1-3 мм. Содержание Мп больше в проводящих корнях диаметром 3 мм.

Из полученных результатов следует, что в условиях полиметаллического загрязнения, избыточное содержание Cd, РЬ, № в почве на глубине 0-10 (20) см снижает образование тонких корней тополя бальзамического.

Данный факт согласуется с результатами, полученными В. Д. Веселкиным [12] и В. Т. Ярмишко [13]. Глубокое залегание корней всех фракций и их интенсивное отмирание в верхних слоях почвы под воздействием выбросов металлургического предприятия было описано у сосны обыкновенной [14].

В условиях СПЦ наблюдаются изменения во фракционном составе корней. Отмечается сни-

Таблица 1

Содержание металлов в почвах под насаждениями тополя бальзамического, мг/кг

Глубина, см СПЦ Контроль

Си Cd РЬ Мп № Си Cd РЬ Мп №

0-10 298 5,1 18,2 536 120 25,4 0,04 2,5 1 540 23,5

10-20 210 2,1 15,4 515 80 20 0,02 2,0 1 386 32

20-30 180 1,4 10,1 480 50 22 0,01 0,38 1 284 29

30-40 195 0,04 2,0 318 55,3 33,6 0,02 0,55 1 036 30,2

40-50 245 0,02 0,69 620 45 25 0,06 0,15 920 43

50-60 236 0,18 0,93 344 166 21 0,01 0,29 1 260 50

60-70 220 1,25 2,39 518 112 18 0,54 0,32 1 601 46,1

70-80 135 1,5 8,7 501 30 16 0,05 0,45 1 241 43

80-90 162 4,25 6,4 210 24 17 1,64, 0,90 1 060 37

9 О 0 О 170 5,6 3,8 208 18 24 2,54 0,19 1 012 34

Рис. 1. Содержание Си (мг/кг) в корнях тополя бальзамического в условиях полиметаллического загрязнения СПЦ в зоне условного контроля

< 1мм 1-3мм > 3 мм

Рис. 2. Содержание Cd (мг/кг) в корнях тополя бальзамического в условиях полиметаллического загрязнения СПЦ в зоне условного контроля

Рис. 3. Содержание РЬ (мг/кг) в корнях тополя бальзамического в условиях полиметаллического загрязнения СПЦ в зоне условного контроля

300

и СПЦ М Контроль

< 1 мм

1-3мм

> 3мм

Рис. 4. Содержание Мп (мг/кг) в корнях тополя бальзамического в условиях полиметаллического загрязнения СПЦ в зоне условного контроля

< 1 мм 1-3мм > 3 мм

Рис. 5 Содержание N (мг/кг) в корнях тополя бальзамического в условиях полиметаллического загрязнения СПЦ в зоне условного контроля

жение доли поглощающих корней в 2 раза. В условиях полиметаллического загрязнения на эту фракцию приходится в среднем 17,09 %, а в контроле 35,20 %. В то же время доля полускелетных корней уменьшается и составляет 17,71 % всей массы корневой системы, а в контроле — 32,85 %.

В условиях полиметаллического загрязнения СПЦ основная масса корней — 65,20 %, приходится на скелетную составляющую, а в зоне условного контроля — 31,95 % (табл. 2).

Выводы и заключение. Таким образом, можно заключить, что в условиях полиметаллического загрязнения СПЦ, происходит увеличение доли скелетных корней в общей массе корневой системы по сравнению с контролем. Снижение доли поглощающих и полускелетных корней на глуби-

не 0-10 см, видимо, связано с повышенным содержанием тяжёлых металлов и с их токсичностью.

В зоне условного контроля основное количество выходов корней всех фракций обнаруживаются в верхних слоях почвы. Характер распределения корней по профилю почвы зависит, прежде всего, от уровня загрязнения.

В условиях полиметаллического загрязнения СПЦ при загрязнении почвы тяжёлыми металлами, отмечено снижение доли поглощающих (диаметром менее 1 мм) и полускелетных (проводящие 1-3 мм) корней тополя бальзамического. Высокое содержание Cd, РЬ, № в корнях и почвах под насаждениями тополя бальзамического в СПЦ негативно отражается на росте и развитии поглощающих и полускелетных корней.

Таблица 2

Фракционный состав корневой системы тополя бальзамического в условиях СПЦ и в зоне условного контроля

Глубина, см Доля каждой фракции в общей массе корней, %

СПЦ Контроль

< 1 мм 1-3 мм > 3 мм < 1 мм 1-3 мм > 3 мм

0-10 8,45 7,45 84,1 16,23 19,67 64,1

10-20 10,75 11,02 78,23 14,12 13,65 72,23

20-30 14,2 13,23 72,57 13,67 10,20 76,13

30-40 15,6 16,7 67,7 35,10 25,70 39,2

40-50 17,06 19,50 63,44 35,92 26,61 37,47

50-60 13,07 15,93 71,00 50,7 43,33 5,97

60-70 19,83 21,02 59,15 42,28 44,71 13,01

70-80 28,02 30,10 41,89 43,55 49,43 7,02

80-90 23,36 26,08 50,56 50,02 47,15 2,83

9 0 1 0 О 20,09 16,15 63,76 50,08 48,07 1,89

Среднее значение 17,09 17,71 65,20 35,20 32,85 31,95

Список литературы

1. Влияние атмосферного загрязнения на свойства почв / под ред. Л. А. Гришиной. М. : Изд-во Моск. ун-та, 1990. 2005. 191 с.

2. Мельничук, Ю. П. Влияние ионов калия на клеточное деление и рост растений. Киев : Наукова думка, 1990. 148 с.

3. Yang, Y. Y. Identification of size varieties with tolerance or sensitivity to lead and characterizations of the mechanism of tolerance / Y. Y. Yang, J. Y. Jung, W.-Y. Song [etc.] // Plant physiol. 2000. Vol. 124. P. 1019-1026.

4. Salt, D. E. Mg ATP — dependent transport of phitochelatins across the tonoplast of out roots / D. E. Salt, W. E. Rauser // Plant phisiol. 1995. Vol. 107. P. 1293-1301.

5. Hart, J. J. Characterization of cadmium Binding update and translocation in tact seeding of bread and durum wheat cultivars / J. J. Hart, R. M. Welch, W. A. Norvell [etc.] // Plant phisiol. 1998. Vol. 116. P. 1413-1420.

6. Красильников, П. К. Методика полевого изучения подземных частей растений (с учетом специфики ресурсоведческих исследований). Л. : Наука, 1983. 208 с.

7. Рахтеенко, И. Н. Комплексный метод исследования корневых систем растений / И. Н. Рахтеенко, Б. И. Якушев // Методы изучения продуктивности корневых систем и организмов ризосферы. Л. : Наука, 1968. С. 174-178.

8. Методика количественного химического анализа. Определение As, Cd, Со, Сг, Си, Ш, Мп, №, РЬ, Sb, Sn, Тп (кислотно-растворимые формы) в почвах и данных отложениях атомно-адсорбционным методом. СПб., 2005. 12 с.

9. Хазиев, Ф. Х. Экотоксиканты в почвах Башкортостана / Ф. Х. Хазиев, Ф. Я. Багаутдинов,

A. З. Сахабутдинова. Уфа : Гилем, 2000. 62 с.

10. Садовникова, Л. К. Показатели загрязнения почв тяжёлыми металлами и неметаллами в почвенно-химическом мониторинге / Л. К. Садовникова, Н. Т. Зырин // Почвоведение. 1985. № 10. С. 84-89.

11. Рахтеенко, И. Н. Корневые системы древесных и кустарниковых пород. М. : Гослесбумиздат, 1952. 106 с.

12. Веселкин, Д. В. Распределение тонких корней хвойных деревьев по почвенному профилю в условиях загрязнения выбросами медиплавиль-ного производства // Экология. 2002. № 4. С. 250253.

13. Ярмишко, В. Т. Особенности развития корневых систем сосны // Влияние промышленного атмосферного загрязнения на сосновые леса Кольского полуострова / под ред. Б. Н. Норина,

B. Т. Ярмишко. Л., 1990. С. 84-94.

14. Ставрова, Н. И. Влияние атмосферного загрязнения на возобновление хвойных пород // Лесные экосистемы и атмосферные загрязнения. Л. : Наука, 1990. С. 121-144.