Формирование микроэлементного состава ягодных растений при использовании цеолитсодержащей породы в качестве мелиоранта загрязнённых тяжёлыми металлами почв

М.Н. Кузнецов, Е.В. Леоничева, Т.А. Роева,

С.М. Мотылёва, Л.И. Леонтьева

Формирование микроэлементного состава ягодных растений

ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ЦЕОЛИТСОДЕРЖАЩЕЙ ПОРОДЫ В КАЧЕСТВЕ МЕЛИОРАНТА ЗАГРЯЗНЁННЫХ ТЯЖЁЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ ПОЧВ

УДК 631. 81: 643.1: 632.15

Аннотация

В полевых опытах изучалось влияние внесения цеолитсодержащей породы в дозах 3.. .24 т/га на содержание тяжёлых металлов в листьях и ягодах смородины чёрной, малины и крыжовника. В результате применения мелиоранта содержание Pb и Ni в плодах уменьшилось на 20.70% в зависимости от культуры. Выявлена видовая специфичность поступления Zn и Cu в плоды и листья изучаемых культур.

Ключевые слова: тяжёлые металлы; цеолитсодержащие породы; смородина чёрная; малина; крыжовник

M.N. Kuznetsov,

E. V. Leonicheva,

T.A. Roeva,

S.M. Motyleva,

L.I. Leontyeva

Berry plant microelement composition formation under application

OF ZEOLITE CONTAINING ROCK AS A MELIORANT OF SOILS POLLUTED WITH HEAVY METALS

Abstract

The effect of zeolite containing rock application in dozes 3.24 t/ha on the content of heavy metals in leaves and berries of black currant, raspberry and gooseberry was investigated in the field experiments. As a result of the meliorant application the content of Pb and Ni in berries was decreased on 20... 70% depending upon the crop. The specific peculiarities of Zn and Cu uptake in berries and leaves of studied crops were revealed.

Key words: heavy metals; zeolite containing rocks; black currant; raspberry; gooseberry

Введение

Значимость микроэлементов в эволюции и функциях жизни, в развитии современной промышленности, охране здоровья людей, продуктивности земледелия хорошо известна. В то же время, усиливающиеся процессы техногенеза приводят к необходимости переоценки роли микроэлементов в экосистемах. Многие микроэлементы, в связи с их возросшей технофильностью, стали опасными загрязнителями среды обитания человека. Особого внимания заслуживает группа тяжелых металлов (ТМ).

В последние годы неоднократно отмечалась тенденция увеличения содержания ТМ в почвах сельхозугодий центральных областей РФ (Орловской, Тульской, Рязанской, Курской, Тамбовской и др.). В общем ряду земель сельхозназначения выделяются повышенным притоком ТМ садовые агроценозы, в которых насаждения существуют десятилетиями и получают ТМ из техногенных источников, а также со средствами защиты растений и удобрениями. Известно, что содержание меди в почвах садов каждые 10 лет повышается на величину, равную естественному

содержанию [3]. В то же время, процессы поступления микроэлементов в многолетние садовые растения изучены мало, что затрудняет оценку экологического риска производства плодовой и ягодной продукции в условиях повышенной антропогенной нагрузки.

В научной литературе имеется значительный материал о физиологической значимости микроэлементов, путях поступления ТМ в растения и их токсическом действии, устойчивости растений к загрязнению окружающей среды ТМ. Однако эти сведения относятся преимущественно к однолетним полевым и овощным культурам, травам, лесным и парковым насаждениям, имеются данные для древесных плодовых культур. Микроэлементный состав ягодных растений и реакция их на загрязнение окружающей среды ТМ изучены слабо.

Как и для однолетних полевых растений, наиболее часто рекомендуемыми агротехническими способами снизить поступление ТМ в продукцию ягодных культур являются снижение кислотности (известкование) и увеличение поглотительной способности почвы путём внесения различных органических и

минеральных сорбентов. Рядом исследователей [15, 16] в полевых и вегетационных опытах искусственно создавались сверхвысокие уровни содержания ТМ (до 10.20 ПДК) и сравнивалось действие 1.2 доз извести, торфа, цеолита на поступление ТМ в ягодную продукцию. Все изучаемые в этих опытах агроприёмы снижали фитотоксичность ТМ, но искусственно созданные экстремальные условия загрязнения и завышенные дозы мелиорантов затрудняют оценку возможности использования этих агроприёмов для получения безопасной ягодной продукции в условиях реального (а не смоделированного) полиэлементного загрязнения.

Предлагаемые в настоящее время природные минеральные сорбенты на основе глинистых минералов и цеолитов эффективно сорбируют все элементы, принадлежащие к группе ТМ, как безусловно токсичные для растений (например, Cd, РЬ, №), так и являющиеся микрокомпонентами минерального питания (например, 2п, Си). Авторы препарата «Чисто-зём», представляющего собой смесь глинистых минералов монтмориллонита и палыгорскита, сообщают, что при совместном присутствии в растворе равных концентраций 2п, Си, Cd, РЬ и № доля 2п и Си от суммы поглощённых препаратом элементов была наибольшей (25 и 27% соотвественно) [10]. Использование препарата «Сорбэкс», состоящего из сапропеля, цеолита и глинозёма, приводило к снижению содержания в почве тяжёлого гранулометрического состава подвижных соединений 2п на 31% и Си на 100% [11]. Следовательно, можно предположить ухудшение условий питания растений биогенными микроэлементами при использовании природных минеральных сорбентов.

Целью наших исследований было изучить влияние внесения цеолитсодержащей породы (ЦСП) на содержание биогенных и токсичных микроэлементов в ягодных растениях в реальных условиях повышенного содержания ТМ в почве.

Место проведения, объекты исследований

Накопление микроэлементов в листьях и плодах ягодных растений (смородина чёрная, сорт Кипиана; малина, сорт Спутница; крыжовник, форма ЭЛС 2415-21) при внесении цеолитсодержащей породы изучалось в микрополевых опытах, заложенных на территории садового массива ВНИИ селекции плодовых культур в 2004 году.

Сельхозугодья ГНУ ВНИИСПК используются в садоводстве более 50 лет. В последние десятилетия здесь отмечены превышения допустимых уровней содержания ТМ в почве и плодовой продукции [2, 7]. В почве наших полевых опытов валовое содержание: РЬ и № - в 2 раза, 2п - в 3 раза, Си - в 6 раз, превысило регионально-фоновый уровень, установленный для серых лесных почв Орловской области (таблица 1), а также превышено ОДКвал для Си. Величина суммарного показателя загрязнения Ъа, рекомендуемого для комплексной оценки полиэлементного загрязнения [6], составляет 10,12. Это свидетельствует о не-

обходимости проведения мероприятий по снижению доступности ТМ растениям.

В опытах была использована ЦСП Хотынецкого месторождения Орловской области. Минералогический состав ЦСП: клиноптилолит 34%, морденит 4%, кристобаллит 28%, кальцит 5%, монтмориллонит 12%, слюда 1%, кварц 16%. Размер частиц мелиоранта - 0,01.0,005 мм. Схемы опытов включают возрастающие дозы цеолитсодержащей породы (от 2 до 30 т/га) на фоне №90Р90К90. ЦСП вносили однократно при посадке в слой почвы 0.20 см.

Таблица 1 - Содержание ТМ в почве опытного участка

РЬ № 2п Си

Валовое содержание 23,3 30,2 44 72,6

ОДК вал. [9] 65,0 40,0 110 66,0

Регионально-фоновое содержание (вал.) [13] 12,7 15,0 13,4 12,3

Подвижные формы 0,065 0,25 14,0 0,55

ПДК ПодВ. [12] 6,0 4,0 23,0 3,0

Почва опытного участка - серая лесная среднесуглинистая. Агрохимическая характеристика почвы: рНКс1 5,4±0,15; содержание подвижного фосфора 43,78±3,7 мг/100 г; обменного калия 29,7±5,3 мг/100 г; сумма поглощенных оснований 19,01±4,7 мг-экв/100 г; Са2+ 15,7±0,4мг-экв/100 г, Mg2+, 5,8±0,5мг-экв/100 г, содержание гумуса 3,7±0,14%.

Методика исследований

Содержание ТМ (РЬ, №, 2п, Си) в растительных пробах определяли методом высокоэффективной жидкостной хроматографии по МУК 4.1.053-96. Содержание подвижных форм тяжелых металлов в почве (в вытяжке СН3СОО№Н4, рН=4,8) определяли методом высокоэффективной жидкостной хроматографии [8]; валовое содержание ТМ в почве - рентген-флуоресцентным методом; агрохимические показатели почвы - по стандартным методикам.

Результаты и обсуждение

Внесение цеолитсодержащей породы привело к снижению содержания в почве подвижных форм РЬ, №, 2п и Си на 30.50% в зависимости от вида металла и дозы мелиоранта [5, 14]. Содержание подвижных форм ТМ уменьшалось пропорционально увеличению дозы ЦСП до 8.10 т/га, а дальнейшее возрастание доз в условиях наших опытов уже не обеспечивало существенного снижения подвижности ТМ. Также было установлено, что чем больше исходное содержание ТМ в почве, тем большая доля элемента фиксировалась мелиорантом. Достоверные коэффициенты корреляции между величиной снижения ТМ (ДТМ) и исходным содержанием их в почве составили гРЬ = 0,83; г№ = 0,70; г2„ = 0,52; гСи= 0,45. Таким образом, внесение ЦСП не приводило к полной иммобилизации изучаемых элементов.

Уменьшение запасов доступных растениям соединений микроэлементов отразилось на микроэле-

ментном составе листьев ягодных культур. Изменение микроэлементного состава листьев при внесении ЦСП зависело от дозы мелиоранта, природы металла, значимости металла для физиологических процессов в растениях. Известно, что поступление микроэлементов в растения может быть пассивным (по градиенту концентрации) или активным (против градиента концентрации с затратой энергии). Наличие разнообразных путей поступления ТМ в растение предполагает существование двух ведущих факторов формирования элементного химического состава растений: генетического и экологического [3].

Внесение ЦСП в возрастающих дозах приводило к достоверно более низкому содержанию РЬ и № в листьях смородины чёрной, малины и крыжовника (рисунок 1). Эти токсичные элементы поступают в растения преимущественно пассивным путём, и у всех изучаемых культур содержание РЬ и № в листьях изменяется в соответствии с содержанием доступных форм в почве. Коэффициенты корреляции между содержанием № в листьях и подвижных форм № в почве были: для смородины - 0,7, для малины - 0,9, для крыжовника - 0,5. Наблюдалась корреляция между содержанием РЬ в листьях и в почве: для малины гРЬ = 0,5, для крыжовника гРЬ = 0,82.

Увеличение дозы ЦСП выше 2 т/га в опыте с малиной и свыше 8 т/га в опытах со смородиной чёр-

ной и крыжовником не вызывало дальнейшего значительного снижения содержания РЬ и № в листьях (рисунок 1).

Накопление биогенных элементов 2п и Си в листьях ягодных культур при снижении содержания в почве доступных форм этих элементов отличалось от накопления токсичных РЬ и №. Если накопление РЬ и № в листьях всех изучаемых культур подчинялось единой закономерности (рисунок 1), то изменение содержания 2п и Си в листьях при внесении возрастающих доз ЦСП было специфичным для каждой культуры (рисунок 2).

Для малины и смородины чёрной характерно низкое содержание биогенных элементов в листьях при внесении малых доз ЦСП (2 и 3 т/га соответственно). При дальнейшем увеличении доз содержание 2п и Си в листьях этих двух культур возрастало, что особенно заметно у малины, и при внесении 20.30 т/га ЦСП могло превысить контроль (рисунок 2).

Максимальное содержание 2п в листьях крыжовника наблюдалось при внесении 16 т/га ЦСП, максимальное содержание Си - в варианте 8 т/га.

Увеличение содержания в листьях ягодных культур биогенных микроэлементов, в то время как в почве запас их доступных соединений снизился, может свидетельствовать о задействовании растениями механизмов активного метаболического поглощения.

Смородина чёрная

10 20 Доза ЦСП, т/га

Крыжовник

!я £

н

Доза ЦСП, т/га

Доза ЦСП, т/га

Рисунок 1 - Содержание свинца и никеля в листьях ягодных культур

0

Доза ЦСП, т/га

Доза ЦСП, т/га

10 20 Доза ЦСП, т/га

Рисунок 2 - Содержание цинка и меди в листьях ягодных культур

0

Таблица 2 - Содержание микроэлементов в плодах ягодных культур

Культура Вариант РЬ № 2п Си

Смородина чёрная Контроль 0,025 0,15 0,48 0,26

№90Р 90К90 0,021 0,20 0,58 0,35

№90Р90К90 + ЦСП 3 т/га 0,018 0,07 0,15 0,18

№90Р90К90 + ЦСП 8 т/га 0,025 0,05 0,23 0,20

№90Р90К90 + ЦСП 16 т/га 0,023 0,04 0,34 0,25

№90Р90К90 + ЦСП 24 т/га 0,015 0,15 0,39 0,40

НСР 0,05 0,01 0,10 0,09 0,10

Средние фоновые [14] - - 0,8 0,8

Малина Контроль 0,016 0,35 1,85 0,26

№90Р 90К90 0,014 0,34 1,35 0,24

№90Р90К90 + ЦСП 2 т/га 0,010 0,26 1,49 0,19

№90Р90К90 + ЦСП 10 т/га 0,007 0,21 1,07 0,17

№90Р90К90 + ЦСП 20 т/га 0,003 0,21 1,23 0,18

№90Р90К90 + ЦСП 30 т/га 0,003 0,19 1,64 0,18

НСР 0,05 0,005 0,14 0,11 0,03

Средние фоновые [14] - 0,06 2,0 1,7

Крыжовник Контроль 0,053 0,10 0,84 0,16

№90Р 90К90 0,051 0,15 0,80 0,13

№90Р90К90 + ЦСП 8 т/га 0,027 0,08 0,21 0,09

№90Р90К90 + ЦСП 16 т/га 0,027 0,04 0,19 0,26

№90Р90К90 + ЦСП 24 т/га 0,006 0,05 0,05 0,13

НСР 0,05 0,010 0,01 0,13 0,08

Средние фоновые [14] - - 0,9 1,3

ПДК для плодов и ягод [1] 0,4 0,5 10,0 5,0

Таким образом, содержание токсичных микроэлементов в листьях ягодных культур определялось преимущественно экологическим фактором - содержанием в почве доступных форм этих элементов. Поступление в листья ягодных растений биогенных микроэлементов в значительной мере отразило работу генетического контроля, поскольку для них выдерживалось избирательное и характерное для данного вида поглощение ионов металлов, несмотря на 3-х кратное превышение регионально-фоновой концентрации 2п в почве и 12-кратное превышение фона по Си. Уменьшение содержания в почве подвижных форм 2п и Си на 30.50% при внесении возрастающих доз ЦСП не привело к дефициту этих биогенных элементов.

Содержание металлов в плодах ягодных культур в условиях наших исследований не превышало ПДК, однако присутствие в ягодах токсичных РЬ и № и изменение доли 2п и Си по сравнению со средним фоновым уровнем свидетельствуют о влиянии на минеральный состав внешних техногенных факторов (таблица 2).

Формирование микроэлементного состава плодов тоже происходило под действием как экологического, так и генетического факторов.

Содержание РЬ и № в плодах при внесении ЦСП снижалось на 20.70% в зависимости от культуры (таблица 2). При этом закономерности поступления РЬ и № в плоды ягодных культур были сходны с поступлением этих элементов в листья (рисунок 1, таблица 2), о чём свидетельствует и достоверная корре-

ляция между содержанием РЬ и № в плодах и листьях малины (гРЬ = 0,83 и г№= 0,76), крыжовника (гРЬ = 0,96 и г№= 0,94), смородины чёрной (г№= 0,77).

Изменение содержания 2п и Си в плодах ягодных культур при внесении возрастающих доз ЦСП было специфичным для каждой культуры (таблица 2).

Закономерности поступления 2п и Си в ягоды смородины чёрной сходны с поступлением 2п и Си в листья (рисунок 2, таблица 2). Это подтверждаётся корреляцией между содержанием микроэлементов в листьях и ягодах: г Си =0,8; г 2п =0,5.

Также концентрация 2п и Си в ягодах смородины чёрной была связана с содержанием в почве подвижных форм этих элементов. Достоверные коэффициенты корелляции между содержанием 2п и Си в почве и в ягодах составили: г 2п =0,78; г Си =0,73. Таким образом, накопление биогенных микроэлементов в ягодах смородины чёрной происходило при участии как генетического, так и экологического фактора.

В плодах малины минимальное содержание 2п и Си отмечено в варианте с внесением 10 т/га ЦСП на фоне №90Р90К90. При внесении более высоких доз мелиоранта содержание 2п и Си в плодах возрастало, хотя не так интенсивно, как в листьях.

Плоды крыжовника в вариантах с внесением ЦСП содержали 2п достоверно меньше, чем в контрольном варианте. Отмечена высокая положительная корреляция (г=0,91.0,94) между содержанием подвижных форм 2п в слое почвы 20.40 см и содержанием этого элемента в плодах крыжовника.

При внесении 16 т/га ЦСП на фоне №90Р90К90 содержание Си в плодах крыжовника было достоверно выше по сравнению с фоном. В других вариантах плоды крыжовника содержали Си на уровне фона и контроля. Это свидетельствует о преимущественно генетическом контроле поступления Си в плоды крыжовника в экологических условиях наших опытов.

Выводы

Поступление токсичных микроэлементов РЬ и № в листья и плоды малины, крыжовника и смородины чёрной определяется преимущественно экологическим фактором - содержанием в почве доступных растениям форм этих элементов. Применение цеолитсодержащей породы Хотынецкого месторождения в дозах 2.30 т/га на серой лесной среднесуглинистой почве имеющей содержание РЬ, №, 2п и Си в 2.6 раз превышающее регионально фоновый уровень существенно снижает доступность РЬ и № растениям, в результате чего содержание этих ТМ в плодах уменьшается на 20.70% в зависимости от культуры.

Выявлена видовая специфичность поступления в плоды и листья малины, крыжовника и смородины чёрной 2п и Си, что показывает преимущественную роль генетического фактора в обеспечении питания ягодных растений жизненно важными микроэлементами. Уменьшение содержания в почве подвижных форм 2п и Си на 30.50% при внесении возрастающих доз ЦСП не привело к дефициту этих биогенных элементов.

Литература:

1. Беспамятнов Г.П., Кротов Ю.А. Предельно допустимые концентрации химических веществ в окружающей среде. - Л.: Химия, 1985. - С. 309.

2. Громова В.С. Влияние длительного применения минеральных удобрений на агроэкологические характеристики почвы и плодов яблоневого сада // Плодоводство и ягодоводство России - М.: ВСТИСП, 1995 - С. 153-157.

3. Ильин В.Б. Загрязнение тяжелыми металлами огородных почв и культур в городах Кузбасса. // Агрохимия. - 1991. - №7. - С.67-77.

4. Иванов В.Ф. и др. Экология плодовых культур. - Киев: Аграрна наука, 1998. - 406 с.

5. Леонтьева Л.И. Эффективность применения цеолита при выращивании малины и крыжовника : автореф. дис. на соиск. учен. степ. канд. с.-х. наук -Орёл, 2008. - 23 с.

6. Методические указания по определению тяжёлых металлов в почвах сельхозугодий и продукции растениеводства. - М.: Минсельхозпрод РФ, 1992. -19 с.

7. Мотылёва С.М., Соснина М.В. Накопление никеля некоторыми плодово-ягодными культурами. Селекция и сорторазведение садовых культур : сб. науч. тр. ВНИИСПК. - Орёл: ГНУ ВНИИСПК, 1996. - с. 227.

8. Мотылёва С.М., Кузнецов М.Н., Леонтьева Л.И., Мертвищева М.Е. Методические рекомендации по определению подвижных форм Си методом жидкостной хроматографии. - Орёл: ГНУ ВНИИСПК, 2009

9. Ориентировочно допустимые концентрации (ОДК) тяжёлых металлов и мышьяка в почвах (Дополнение №1 к перечню ПДК и ОДК № 6229-91): Гигиенические нормативы. ГН 2.1.7.020-94 / М.: Изд. Госкомсанэпиднадзора России, 1995. - 8с.

10. Патент РФ № 2210438, МПК В 09 С 1/00, 2002 г.

11. Патент РФ №2049107, С09К17/00, 1995 г.

12. Перечень предельно-допустимых концентраций (ПДК) и ориентировочно-допустимых количеств (ОДК) химических веществ в почве. Издание специальное - М.: Изд. Госкомсанэпиднадзора России, 1991. - 18с.

13. Регионально-фоновое содержание химических веществ в почвах Орловской области. - Орёл: Государственный комитет по охране окружающей среды Орловской обл., 1999.

14. Роева Т.А. Использование мелиорантов для снижения поступления тяжёлых металлов в ягоды смородины чёрной : автореф. дис. на соиск. учен. степ. к. с.х. наук. - Орёл, 2008. - 23 с.

15. Соловьев И.С., Переверзенцев В.Н. Влияние

загрязнения почвы кадмием и её цеолитизации, известкования и торфования на смородине чёрной // Плодоводство и ягодоводство России: Изд-во

ВСТИСП, 1995. - С. 168-176.

16. Цилу Б.К. Эффективность использования природных цеолитов при возделывании земляники с целью повышения её продуктивности и снижения уровня загрязнения тяжелыми металлами : автореф. дис. на соиск. учен. степ. к. с.х. наук. - М., 1992. - 23 с.

17. Химический состав пищевых продуктов. Справ. Под ред. И.М. Скурихина, М.Н. Волгарева. М., 1987