Металлы и древесные растения: экологические аспекты взаимовлияния

МЕТАЛЛЫ И ДРЕВЕСНЫЕ РАСТЕНИЯ: ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ВЗАИМОВЛИЯНИЯ

И.Е. АВТУХОВИЧ, докторант каф. лесоводства МГУЛ, канд. биол. наук, Е.В. АВТУХОВИЧ, доц. каф. кибернетики РГАУ-МСХА, канд. с.-х. наук

Целью работы явилось изучение возможностей применения древесных растений в качестве зеленых биофильтров в антропогенной зоне для очистки окружающей среды на основе использования и повышения их природных способностей к детоксикации почв и вод, содержащих тяжелые металлы, а также повышения устойчивости и качества посадочного материала, предназначенного для условий загрязнения.

Объекты и методика

Объектами исследований явились: лиственница сибирская (Larix sibiriсa Ledeb.), сосна обыкновенная (Pinus sylvestris L.), ель обыкновенная (Picea excelsa Link.), береза повислая (Bet-ula pendula Roth ), ясень обыкновенный (Fraxinus excelsior L.), дуб черешчатый (Quercus robus L), клен остролистный (Acer plantanoides L.), конский каштан обыкновенный (Aesculus hippocasta-num L.), клен ясенелистный (Acer negundo L).

Почвы объектов исследования - дерново-подзолистые. Отбор почвенных образцов производился по методике S. Clegg (1996), выделение отдельных компонентов почвы - по методике G.R. Gobran (1999). Разделение почвенных металлов на фракции осуществлялось по методике А. Alriksson (1998) с последующим их определением на атомно-абсорбционном спектрофотометре «Perkin-Elmer». Анализ почвы и растительного материала производился по методикам Б.А. Ягодина и др. (1987), И.С Кауричева и др. (1986), и др., физиологические исследования были проведены по методикам, описанным С.С. Баславской и О.М. Трубецковой (1964), Б.П. Плешковым (1985), Н.Н. Третьяковым (1990) и др.

Результаты и обсуждение

Для изучения индуцированной фитоэкс-тракции кадмия из загрязненных почв был проведен трехлетний вегетационный эксперимент над сеянцами-однолетками пяти древесных пород: лиственницы сибирской, сосны обыкновенной, ели обыкновенной, ясеня обыкновенного и дуба черешчатого на дерново-подзолистой легкосуглинистой почве с низким плодородием, изначально не загрязненной тяжелыми металлами. Экспери-

мент состоял из 10 вариантов и четырехкратной повторности. В соответствии со схемой опыта Cd вносился в сосуды с почвой в концентрациях: 2,5; 5; 10 и 20мг/кг. Внесение ЭДТА осуществлялось в дозе 1 ммоль/кг почвы.

Параллельно данному эксперименту был заложен и проведен опыт по изучению роли различных органических кислот: ЭДТА, щавелевой и лимонной в усилении экстракции свинца из водного раствора.

Объектами исследований явились четырехлетние сеянцы лиственницы сибирской. РЬ вносился в сосуды в концентрациях 5 и 50 мг/л, и органические кислоты - в дозах 1 ммоль/л раствора по схеме, состоящей из 8 вариантов и восьмикратной повторности.

На основании проведенных исследований разработан и обоснован сравнительно недорогой и относительно безвредный метод очистки почв и вод, загрязненных тяжелыми металлами, с использованием древесных растений, базирующийся на индукции поглощения и выноса поллютантов растениями, и путем применения органических хелатообразующих кислот, в частности ЭДТА. Установлено, что препарат ЭДТА повышает подвижность металлов в почве и их доступность для растений, а также значительно увеличивает накопление металлов в их надземных органах, что способствует максимальному выносу поллютан-тов из почвы. При этом применение хелатообра-зующих агентов уменьшает токсическое влияние металлов на растения и повышает содержание необходимых элементов в них, в результате чего увеличивается интенсивность физиологических процессов, повышается активность ферментов, ростовые и весовые характеристики растений.

В рамках темы данной работы был также проведен эксперимент, посвященный изучению характера питания растений цинком в зависимости от особенностей почвенно-корневого взаимодействия в условиях различного содержания цинка в дерново-подзолистой среднесуглинистой почве с низким содержании как доступного, так и общего 2п, соответственно 0,30 и 13,09 мг/кг. Данный эксперимент состоял из 27 вариантов и 4-кратной

повторности. Концентрации вносимого 2п в почву каждого из вариантов отличались одна от другой на 5 мг/кг. Для связывания 2п в почве нами был выдержан 7-летний инкубационный период, после чего в почву каждого из вариантов высеяны семена клена остролистного. Через 2 вегетационных сезона растения были извлечены из почвы для определения накопления 2п в их корнях. Почва сеянцев разделена на компоненты: ПКП - слой почвы, непосредственно прилегающий к корням толщиной 0,5-1 мм; Р - ризосферная почвенная компонента: слой почвы толщиной 4,5 мм, накладывающийся на предыдущий; общая масса почвы ОМП - слой почвы, наиболее удаленный от корней по сравнению с ПКП и Р. ОМП - проанализирована на рН и содержание различных фракций цинка по методике G.R. Gobran (1999).

В результате проведенных нами многолетних исследований, направленных на изучение поведения цинка, внесенного в почву, за длительный временной период установлено значительное снижение его доступности и повышение фиксации органическим веществом, полуторными оксидами и глинистыми минералами почвы. При этом наиболее интенсивная фиксация цинка отмечена в первые годы после внесения и в меньшей степени в последующие годы. Прочность связывания металлов определялась временем инкубации и свойствами почвы.

Нами выявлена взаимосвязь между накоплением 2п корнями растений и характером его распределения по почвенным компонентам: ПКП, Р и ОМП. На основании данной взаимосвязи выделено 4 зоны обеспеченности цинком сеянцев клена остролистного. Так, в зоне 1- острого дефицита - происходит обеднение данной почвенной компоненты обменным цинком по сравнению с Р и ОМП, вызванное очень высокой потребностью растений в 2п. При этом содержание цинка изменяется следующим образом: ПКП< Р< ОМП. Вышеуказанной области графика соответствует низкий рост и физиологические показатели сеянцев. В зоне 2 - сглаживания дефицита 2п - содержание обменного 2п в почве изменяется следующим образом: ПКП > Р > ОМП. Этому отрезку кривой соответствует значительное улучшение ростовых и физиологических показателей сеянцев в результате покрытия дефицита 2п. В зоне 3 - насыщения растений 2п - потребности сеянцев в этом элементе полностью удовлетворены. Распределение обменного 2п в почве следующее: ПКП > Р > ОМП.

В этой зоне рост растений стабилизируется. Зоне 4 - перенасыщения растений Zn - соответствует не контролируемое растениями пассивное поглощение этого элемента, связанное с нарушением работы мембранного механизма в ответ на поступление в растения слишком большого количества металла. Распределение металлов в почве следующее: ПКП >> Р >> ОМП. В этой зоне отмечены самые низкие ростовые и физиологические показатели сеянцев.

Разработан способ диагностики обеспеченности почв микроэлементами и установления потребности растений в них, суть которого заключается в оценке характера распределения элементов по почвенным компонентам: ПКП, Р и ОМП. Пользуясь данным способом, мы можем наиболее объективно оценить питание растений с целью последующей коррекции, что имеет большое значение для успешного выращивания высококачественных сеянцев и саженцев в лесных питомниках.

Предложено использование уравнения Михаэлиса-Ментен для прогнозирования питания растений микроэлементами

I = I (C - C ) / (K + C - C ),

n max 4 n min7 y m n min7 7

где In - накопление элемента корнями растения;

I - наиболее высокая концентрация эле-

max

мента в корнях растения при его максимальном насыщении элементом;

Cn - концентрация элемента в доступной форме в ПКП и In - соответствующая ей концентрация данного элемента в корнях растения;

Cmin - концентрация элемента в доступной форме в ПКП, при которой его концентрация в растении близка к нулю;

Km - константа Михаэлиса, представляющая собой концентрацию элемента в доступной для растения форме в ПКП, соответствующая концентрации этого элемента в корнях растения, равной V его максимальной концентрации (I ), при этом константой Михаэлиса является такая концентрация доступного элемента в почвенной компоненте ПКП, после которой меняется его распределение с ПКП < Р < ОМП на ПКП > Р > ОМП.

Применение этого уравнения позволяет сэкономить денежные средства на проведение анализов образцов почвенного и растительного материала за счет их сокращения.

Для изучения влияния некорневой подкормки солями микроэлементов Mn, Co и Zn на

саженцы лиственницы сибирской (Larix sibirica Ledb.) и сеянцы каштана обыкновенного (Aesculus hippocastanum L.) на фоне основного удобрения NPK и без фона нами было проведено два эксперимента в питомнике ЛОД ТСХА. Трехлетний эксперимент с 2-летними саженцами лиственницы был заложен на дерново-подзолистой легкосуглинистой почве, в которую было высажено 1020 экземпляров данных растений. Опыт состоял из 8 вариантов 4-кратной повторности.

Эксперимент, проведенный с сеянцами каштана, продолжался 2 вегетационных сезона с использованием аналогичных вариантов, что и в опыте с саженцами лиственницы, и состоял из 3-кратной повторности. Число сеянцев в начале эксперимента составляло 188 экземпляров.

Основное удобрение NPK в качестве фона и микроэлементы в концентрации 0,1 % вносились ежегодно, 3-кратно за вегетационный сезон.

На базе проведения полевых экспериментов над саженцами лиственницы сибирской и сеянцами конского каштана обыкновенного установлена эффективность применения метода некорневой подкормки микроэлементами, выражающаяся в повышении их приживаемости, улучшении физиологических, ростовых и весовых характеристик, следствием чего явилось обогащение почвы ризосферы растений органическим веществом и повышение продукции корневых выделений. Это определило усиление фиксации почвой металлов-поллютантов: Pb, Cd, Ni, Cu и Fe, уже содержавшихся в ней до закладки эксперимента.

Для решения вопросов, связанных с реабилитацией почв, загрязненных тяжелыми металлами, необходимо всестороннее понимание экологической роли ризосферы. Эксперимент по изучению поведения тяжелых металлов в ризосфере древесных растений был заложен нами на ЛОД МСХА. Объектами исследований явились лиственница сибирская, сосна обыкновенная и береза повислая в возрасте 70-110 лет, произрастающие вдоль одного источника загрязнения - автодороги. Эксперимент проводился на дерново-подзолистой почве на двух расстояниях: 5-25 м и 50-70 м от автодороги в трех почвенных горизонтах - А1, А2 и В. Почва была разделена на компоненты: ПКП, Р и ОМП по методике G.R. Gobran (1999) и проанализирована на рНкс1, содержание органического углерода, азота, фосфора и калия и 13 металлов: Cu, Zn, Ni, Co, Fe, Al, Mn, Mg, Na, Ca, Cr, Cd и Pb в их различных фракциях: Меобм Ме Ме Ме , Ме и Ме .

+п/о пр.' общ. р. общ. э

На основании обобщения материалов многолетних исследований, проведенных нами в лесопарковой зоне ЛОД ТСХА Москвы, выявлены и сформулированы основные экологические функции ризосферы древесных растений: фитоадсор-бционная, фитоэкстракционная и фитостабили-зационная, играющие важную роль в снижении токсичности почвенных поллютантов. Изучение степени проявления экологических функций дает информацию о питании растений в разных условиях, их реакции на загрязнение почвы и позволяет, ориентируясь на распределение металлов по различным фракциям почвенных компонентов (ПКП, Р и ОМП), осуществлять выбор древесных пород, наиболее эффективных в детоксикации почв.

Для изучения степени влияния тяжелых металлов на жизненное состояние и рост лиственницы сибирской и конского каштана обыкновенного были проведены многолетние исследования в условиях различной антропогенной нагрузки на территории Северного, Южного и Юго-Западного округов Москвы и в Подмосковье в аллейных, массивных, групповых и одиночных посадках. Для исследований были выбраны молодые - 25-35-летние и старовозрастные - 90-135-летние посадки. Территории объектов исследований были разделены на 3 категории загрязненности. К первой категории относились посадки деревьев, непосредственно примыкающие к автодорогам, - зона интенсивного транспортного влияния (на расстоянии от 1 до 50 м от источника загрязнения). Ко второй категории - посадки относительно слабой загрязненности, расстояние от автодороги 50-500 м. И к третьей категории посадки на значительной удаленности от источника эмиссии, 500 м и более. Анализ почвы и листьев проводился по классическим методикам.

Был проведен аналих многолетних комплексных мониторинговых исследований по изучению состояния древесных растений на территории Северного, Юго-Западного и Южного округов Москвы и в Подмосковье на разных расстояниях от источников загрязнения - автодорог, в различных типах молодых и старовозрастных посадок: аллейных, групповых, массивных и одиночных. Для оценки состояния здоровья насаждений использовались почвенные, экотоксикологические, физиологические, дендрохронологические и лесоводс-твенные показатели. Установлено, что в условиях интенсивного загрязнения почвы объектов исследований отличались более высокими значениями рН, содержанием органического углерода, а также

значительным накоплением свинца, кадмия, калия, никеля, меди, цинка и железа. В этих условиях в листовом аппарате изучаемых древесных растений также зарегистрировано более высокое содержание поллютантов при снижении накопления биогенных элементов. При повышенном влиянии автотранспорта отмечено угнетение интенсивности фотосинтеза, снижение содержания хлорофиллов и активности каталазы в листьях древесных растений. Однако такие физиологические характеристики, как интенсивность дыхания и активность пероксидазы, напротив, оказались выше в этих условиях. Коэффициенты, выражающие отношения Fe/Mn и РЬ/№, а также коэффициент угнетенности имели более высокие значения для листьев всех изучаемых древесных пород вблизи автодороги, в то время как коэффициенты Мп/РЬ и Мп/Сг приняли большие значения на удалении от нее. Высота, диаметр и годичный прирост древесины изучаемых древесных растений оказались наиболее высокими в зоне наименьшего загрязнения.

Рекомендации Применение метода индуцированной фитоэкстракции целесообразно сочетать с еже-

годным сбором опада и отпада и проведением мелиоративных мероприятий по организации водосбора с очищаемых участков в специальные резервуары, врытые в почву, в которые для очистки смываемых после обильных осадков вод, содержащих тяжелые металлы, могут быть помещены быстрорастущие малоценные для озеленения древесные растения с высоким коэффициентом биологического поглощения.

Внесение микроудобрений целесообразно осуществлять с учетом уровня обеспеченности почвы необходимыми микроэлементами и потребности растений в них. Наиболее объективная информация об этом может быть получена на основе изучения характера распределения металлов разных фракций по почвенным компонентам: ПКП, Р и ОМП.

Для условий, где проведение индуцированной фитоэкстракции загрязненных почв затруднено, предлагается использование деток-сицирующей способности древесных растений, заложенной природой, осуществляя выбор пород с наибольшей степенью выраженности фитоста-билизационной функции в их ризосфере.