После ранневесеннего боронования до внесения удобрений сохранялась тенденция уменьшения концентраций элементов с увеличением расстояния 20 и более м от автодороги. После внесения удобрений концентрации тяжелых металлов достоверно повысились по всем элементам (в 0,2 - 1,8 раза), кроме свинца. Следовательно, минеральные удобрения являются существенным источником загрязнения исследуемых черноземов тяжелыми металлами, по уровню превышений местных фоновых значений сопоставимым с влиянием автодороги IV категории (Высоцкая, 2012).
Повышение содержания тяжелых металлов в почве произошло на всех вариантах с внесением удобрений. Увеличение концентраций тяжелых металлов по мере приближения к автомагистрали происходило на всех вариантах опыта, как на контроле, так и с удобрениями, однако использование удобрений повышало концентрации тяжелых металлов на всех расстояниях от автодороги.
Изучение динамики тяжелых металлов/микроэлементов в течение вегетационного периода показало, что концентрации железа, никеля, кобальта, меди и цинка в почве достоверно изменяются по основным фазам вегетации сахарной свеклы, а кадмия и свинца - существенно не меняются (на примере Zn и Pb см. рис. 9). Динамика содержания подвижных форм ТМ в течение вегетации зависит от соотношения доз вносимых удобрений и уровня техногенных загрязнений, достоверно проявляясь в пахотном и подпахотном горизонтах.
|
Рис. 9. Изменение содержания подвижных форм Pb и Zn в пахотном горизонте исследуемых черноземов на различном расстоянии от дороги по основным фазам вегетации сахарной свеклы (средние данные за период исследования в гг.).
Изучение влияния экологического состояния на качество урожая и биологическую продуктивность агроэкосистем с посевами сахарной свеклы, показало, что фотосинтетическая активность гибрида Фрейя F1 значительно выше, чем у сорта Рамонская односемянная–47, независимо от увлажнения и содержания в почве тяжелых металлов (Высоцкая, 2013).
Максимальная урожайность корнеплодов (511 ц/га) у Рамонской односемянной–47 наблюдалась при внесении удобрений в дозах N150P140K120 совместно с гербицидами и на значительном удалении от автомагистрали, самая низкая урожайность отмечена на контроле (366,6 ц/га) при минимальном удалении от автодороги, т. е. при максимальном загрязнении тяжелыми металлами. Максимальная урожайность гибрида Фрейя (598,6 ц/га) отмечена по варианту без гербицидов, но с удобрениями, минимальная (491 ц/га) - на контроле, удаленном от автодороги на 20-50 м (рис. 10).
Изучение накопления тяжелых металлов в фитомассе сахарной свеклы показало, что корни и листья сахарной свеклы обладают различной поглотительной способностью по отношению к тяжелым металлам. Концентрация фитотоксичных элементов происходит преимущественно в надземной части сахарной свеклы. Так, в натурально-влажной массе листьев сахарной свеклы не выявлено превышения ПДК концентраций большинства микроэлементов. Однако прослеживается закономерное увеличение концентраций кадмия и свинца, как в массе листьев, так и в корнеплодах (рис. 11) на вариантах с удобрениями и расположенных на расстоянии до 20 м от автодороги. Такая же закономерность по содержанию железа и меди отмечена в корнеплодах. При этом, на фоне удобрений накопление меди происходит менее интенсивно, чем железа.
Рис. 10. Биологическая продуктивность сахарной свеклы в исследуемых агроэкосистемах ( гг., - расшифровка вариантов в табл. 2)
|
Рис. 11. Изменение содержания тяжелых металлов в корнеплодах сахарной свеклы районированного сорта и перспективного гибрида на различном расстоянии от дороги по основным вариантам опыта
При внесении удобрений вблизи придорожной полосы наблюдается превышение ПДК по свинцу и повышенное содержание кадмия и других тяжелых металлов, а также увеличение содержания общего азота в листьях и корнеплодах. На удобренных вариантах возрастает содержание сухого вещества в листьях и корнеплодах гибрида Фрейя F1, в отличие от Рамонской односемянной–47.
Максимальная сахаристость (16,8%) у сорта Рамонская односемянная-47 была получена при внесении удобрений N150P140K120 совместно с гербицидами –на значительном удалении от автодороги, то есть от техногенного источника загрязнения тяжелыми металлами. Минимальная сахаристость (15,5%) – в вариантах без удобрений и гербицидов, но с загрязнением тяжелыми металлами вплоть до некоторого превышения ПДК. Максимальная сахаристость гибрида Фрейя выше (17,6%) и также отмечена по вариантам с удобрениями и гербицидами, при большей устойчивости к загрязнению. Минимальная сахаристость (16,2%) - на контроле, то есть без удобрений и гербицидов (Высоцкая, 2012).
Таким образом, даже в наиболее неблагоприятных условиях (отсутствие внесения удобрений и гербицидов, превышение ПДК в почве по свинцу) сахаристость испытываемого перспективного гибрида Фрейя была значительно выше, чем у районированного сорта Рамонский. Повышенная устойчивость биологической продуктивности, урожайности и сбора сахара у гибрида Фрейя даже в неблагоприятных условиях загрязнения почв тяжелыми металлами (где они близки к урожайности и сбору при оптимальном уходе и минимуме антропогенного загрязнения ) позволяет говорить об агроэкологической и экономической целесообразности выращивания данного гибрида на слабо загрязненных почвах в зоне влияния дорог и периферийной части придорожной полосы.
Глава 5. Эколого-биологическая оценка динамики загрязнения тяжелыми металлами базовых компонентов агроэкосистем с посевами подсолнечника
В агроэкосистемах подсолнечника нами были продолжены исследования, выполненные ранее по предшествующим посевам сахарной свеклы в придорожной полосе, для уточнения выявленных ранее закономерностей влияния дороги и агротехнологий на экологическое состояние базовых компонентов придорожных агроэкосистем (рис. 12).
Результаты исследований показали, что после схода снега содержание тяжелых металлов в контроле и в опытных вариантах существенно не отличалось. В то же время их содержание существенно изменялось в зависимости от расстояния до автодороги. Так, на расстоянии 20-50 м концентрации тяжелых металлов во всех вариантах опыта была в 1,5-2 раза ниже, чем у дороги.
Рис. 12. Изменение содержания тяжелых металлов в пахотном горизонте исследуемых черноземов на различном расстоянии от дороги до и после применения минеральных удобрений под сахарную свеклу (средние данные за период исследования в гг.).
Исследования почвенного покрова после схода снега показали, что наибольшему загрязнению тяжелыми металлами от автотранспорта подвергается полоса шириной 0–20 м от автомагистрали. Однако превышение ПДК по содержанию в почве было отмечено только в отношении свинца. Содержание остальных исследуемых тяжелых металлов не превышало установленные для них величины ПДК.
Исследования содержания тяжелых металлов после внесения минеральных удобрений показывают (рис. 12), что удобрения достоверно повышают содержание большинства тяжелых металлов в почве агроэкосистем с подсолнечником, однако максимальное загрязнение почв особо токсичным элементом – свинцом, очевидно, является следствием выбросов автомобильного транспорта, поскольку оно несущественно зависит от вносимых удобрений. При внесении удобрений в наибольшем количестве в почву попадают такие элементы, как железо, марганец, цинк, медь, но они не превышают значений их предельно допустимого содержания в почве.
Для проведения исследований с подсолнечником были выбраны гибрид короткого срока созревания ПР62А91 и среднепоздний гибрид ПР63А83, поскольку, обладая различной скоростью развития, они должны неодинаково поглощать химические элементы. Накопление тяжелых металлов в органах обоих гибридов шло неодинаково как по сроку вегетации, так и по вариантам опыта (рис. 13 и 14). Практически по всем тяжелым металлам минимальное накопление отмечалось в соцветиях, максимальное – в надземной биомассе, анализируемой в целом.
Внесение удобрений повышает содержание тяжелых металлов во всех органах подсолнечника. Максимальное поглощение корнями цинка, меди и никеля наблюдалось в середине вегетации, а свинца и кадмия – в конце. В надземной части максимальное количество всех тяжелых металлов наблюдается в конце вегетации (рис. 13).
Сравнение с критическими уровнями тяжелых металлов (Башкин, 1999) в растениях позволяет сделать заключение, что этого уровня растения гибрида ПР62А91 не достигали практически по всем изучаемым тяжелым металлам. Этот вывод согласуется также с допустимыми количествами тяжелых металлов в почвах с учетом устойчивости к ним растений (Минеев, 1990),
Изучение содержания тяжелых металлов в фитомассе среднепозднего гибрида ПР63А83 показало, что, имея более продолжительный вегетационный период, он накапливал меньшие количества тяжелых металлов во всех органах.
Тем не менее, выявленные нами закономерности накопления тяжелых металлов в различных органах гибрида ПР62А91 подтверждаются и для гибрида ПР63А83. Критических уровней накопления тяжелых металлов гибридом ПР63А83, также как и ПР63А83 не достигался практически по всем изучаемым элементам.
|
- Планки погрешностей со стандартными отклонениями
Рис. 13 . Содержание тяжелых металлов в фитомассе подсолнечника ПР63А83, среднее за 20гг., надземная часть (по вариантам опыта).
|
Рис. 14. Содержание тяжелых металлов в фитомассе подсолнечника ПР63А83, среднее за гг., корни (по вариантам опыта).
Что касается гербицидов, то они оказывают неоднозначное влияние на накопление тяжелых металлов в растениях подсолнечника. Так, на варианте контроля с внесением гербицидов в корнях культуры незначительно повышалось содержание цинка, меди и свинца.
Анализируя динамику накопления рассмотренных выше элементов, можно заключить, что на протяжении всего периода онтогенеза подсолнечника преимущественным связыванием тяжелых металлов характеризуются надземные органы, а не корневая система культуры (см. рис. 13 и 14).
При этом максимальный уровень данных элементов в корнях чаще приурочен к середине вегетации, а минимальный - к ее концу, особенно на вариантах с двойной дозой удобрений (Высоцкая и др., 2012). Поглощение тяжелых металлов надземной фитомассой подсолнечника последовательно возрастает от начала к концу вегетации, увеличиваясь в среднем в 2– 3 раза.
Ранний гибрид ПР62А91 в течение всего вегетационного периода активно накапливает медь и цинк, причем во всех органах. Максимально интенсивно эти элементы накапливаются в надземной части, затем в соцветиях и корнях.
Применение одинарной дозы минеральных удобрений незначительно повышает аккумуляцию меди и цинка в корнях. Внесение двойной дозы минеральных удобрений повышает аккумуляцию цинка и меди в 1,2 и 1,4 раза соответственно. В надземной части влияние минеральных удобрений на активность накопления меди и цинка оказывается меньшим, чем в корнях.
Минимальные величины Ах наблюдаются у свинца по всем фазам развития растений и во всех органах. Величины Ах > 1 наблюдаются у кадмия в надземных частях растений и для растений в целом в конце вегетации на вариантах опыта с минеральными удобрениями. Это позволяет сделать вывод о том, что внесение минеральных удобрений способствует аккумуляции кадмия в надземной части подсолнечника.
Никель и кобальт аккумулируются в надземной части подсолнечника в середине и конце вегетации на всех вариантах опыта. Внесение минеральных удобрений повышают аккумуляцию никеля и кадмия в надземной части в 1,19 и 1,27 раза соответственно. Если рассматривать растения в целом, то аккумуляция никеля возрастает от начала к окончанию вегетации по всем вариантам опыта, а кобальта только в середине и конце вегетации.
Помимо коэффициента интенсивности биологического поглощения элементов, важным биогеохимическим критерием, характеризующем поведение тяжелых металлов в придорожных агроэкосистемах, является ряд интенсивности поглощения, который можно построить, используя вычисленные коэффициенты Ах (рис. 15).
Рис. 15. Коэффициенты аккумуляции тяжелых металлов в фитомассе подсолнечника гибридов ПР63А83 и ПР62А91 (по вариантам опыта).
Согласно сделанным вычислениям, как для раннего гибрида ПР62А91, так и для среднепозднего ПР63А83 тяжелые металлы располагаются в аналогичные ряды в порядке уменьшения содержания: медь > цинк > никель > кобальт > кадмий > свинец. Растянутый срок вегетации гибрида ПР63А83 обусловил меньшую интенсивность поглощения тяжелых металлов, по сравнению с ранним гибридом ПР62А91.
Внесение минеральных удобрений способствовало усилению аккумуляции тяжелых металлов у гибрида ПР63А83 во всех органах подсолнечника. Двойная доза минеральных удобрений более существенно повышала аккумуляцию цинка и меди в корнях и надземной части по всем фазам онтогенеза гибрида.
Следует отметить, что внесение гербицидов практически не оказало влияние на активность поглощения тяжелых металлов. Величины Ах на варианте контроля с внесением гербицидов были очень близки к таковым на контроле.
Таким образом, определение величин отношений содержания тяжелых металлов показало, что они накапливаются в органах подсолнечника с неодинаковой интенсивностью, причем выявленные закономерности справедливы для обоих гибридов. Как правило, интенсивность поглощения тяжелых металлов корнями, надземной массой, соцветиями и растением в целом возрастает от начала к концу вегетации, что связано с закономерностями поглощения элементов питания подсолнечником.
Пониженное по сравнению с другими частями содержание изучаемых элементов в корзинках, по-видимому, обусловлено более поздним их образованием и относительно недолгим периодом развития. Накопление тяжелых металлов в соцветиях существенно отставало (в 3-4 раза) от других частей растения.
Согласно вычисленным нами коэффициентам биологического поглощения фитомассой подсолнечника, изучаемые тяжелые металлы можно отнести к трем следующим классам: медь – к классу энергично накапливаемых элементов; цинк, никель, кобальт, кадмий – к классу сильно накапливаемых элементов и свинец – к классу слабого и среднего накопления.
Таким образом, в агроэкосистемах с посевами подсолнечника, минеральные удобрения, повышая поступление тяжелых металлов в растения, являются существенным фактором их накопление во всех органах культуры, особенно на вариантах с двойной дозой удобрений. По всем изученным тяжелым металлам минимальное накопление отмечается в соцветиях подсолнечника, максимальное – в остальной надземной биомассе. Поглощение ТМ надземной фитомассой подсолнечника последовательно возрастает от начала к концу вегетации – в среднем в 2– 3 раза.
Глава 6. Устойчивость экологического состояния и оценка экологической напряженности черноземных агроэкосистем с посевами подсолнечника в условиях повышенной антропогенной нагрузки
При возделывании сельскохозяйственных культур на почвах, загрязненных тяжелыми металлами, необходимо давать оперативную оценку экологической обстановки в данных агроландшафтах. Для этих целей используется суммарный показатель устойчивости экосистемы (ПУЭ) или показатель экологической напряженности (ПЭН) (Оценка экологического риска…, 1999). Они определялись нами в качестве частных и интегральных показателей для почв и растений как базовых компонентов агроэкосистем по отношению содержания тяжелых металлов в них к величине ПДК. Считается, что экосистема начинает деградировать при величине суммарного показателя экологической напряженности > 1.
Произведенные нами расчеты суммарного показателя экологической напряженности исследуемых агроэкосистем показали, что максимально дестабилизирующими факторами в агроэкосистеме с гибридом подсолнечника ПР62А91являются тяжелые металлы медь, свинец и кобальт. Минимально дестабилизирующими факторами – цинк, кадмий и никель. А общей тенденцией изменения показателя экологической напряженности является его возрастание от начала вегетации к ее окончанию, как по отдельным органам, так и по растению в целом (табл. 7, рис. 16).
Таблица 7.
Суммарный показатель экологической напряженности исследуемой агроэкосистемы с гибридом подсолнечника ПР62А91, среднее за гг.
Фаза вегетации | Анализируемая часть растения | |||||||||||||||
Корни | Надземная часть | Соцветие | Растение в целом | |||||||||||||
Вариант | К | Кг* | 1NPK | 2NPK | К | Кг | 1NPK | 2NPK | К | Кг | 1NPK | 2NPK | К | Кг | 1NPK | 2NPK |
всходы | 1,60 | 1,47 | 2,04 | 2,38 | 4,07 | 3,63 | 4,16 | 4,98 | - | - | - | - | 5,67 | 5,10 | 6,19 | 7,36 |
образов. корзины | 2,41 | 2,18 | 2,93 | 3,51 | 8,46 | 7,61 | 7,11 | 7,69 | - | - | - | - | 10,96 | 9,21 | 10,15 | 11,20 |
созревание | 2,06 | 2,51 | 3,05 | 2,73 | 9,75 | 9,16 | 11,50 | 12,02 | 2,94 | 2,82 | 3,36 | 3,40 | 14,48 | 14,30 | 17,89 | 18,17 |
Среднее | 2,02 | 2,05 | 2,67 | 2,87 | 7,43 | 6,81 | 7,59 | 8,23 | 2,94 | 2,82 | 3,36 | 3,40 | 10,37 | 8,86 | 11,41 | 12,24 |
* - контроль с гербицидами
|
Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4 5 |
Основные порталы (построено редакторами)