Мелиоративная способность насаждений ореха грецкого и ореха черного аккумулировать тяжелые металлы в надземной фитомассе

МЕЛИОРАТИВНАЯ СПОСОБНОСТЬ НАСАЖДЕНИЙ ОРЕХА ГРЕЦКОГО И ОРЕХА ЧЕРНОГО АККУМУЛИРОВАТЬ ТЯЖЕЛЫЕ МЕТАЛЛЫ В НАДЗЕМНОЙ ФИТОМАССЕ

Почва, как основа экотопа, в значительной мере определяет макрои микроэлементный состав произрастающих на ней растений. Пути поступления тяжелых металлов в растения разнообразны, основные из них — корневое и фолиарное [1]. Способность металлов проникать в растения через корни зависит от функций самого металла внутри организма, поэтому они поглощаются из почвы избирательно.

Многочисленные исследования показали, что существует определенная связь между химическим составом компонентов среды [2,3,4,5], но прямой корреляции между содержанием тяжелых металлов в растениях и почве обычно не прослеживается [6].

Для оценки условий химического загрязнения в различных экоси-стемах с доминированием ореха грецкого и ореха черного в условиях степной зоны Северного Кавказа был проведен поэлементный анализ ак-кумуляции металлов в тех фракциях надземной фитомассы (листья, побе-ги, околоплодники, ядра), которые участвуют в опаде, а также в слое 0−20 см черноземов и каштановых почв под этими насаждениями. Образцы (массой 1 кг) со всех частей кроны модельных деревьев одинакового возраста отбирали в конце вегетации. Почвенные образцы в трёхкратной повторности отбирали в осенний период под пологом модельных деревьев из слоя 0−20 см.

Анализ содержания валовых форм тяжёлых металлов во всех почвенных и растительных образцах проводился на установке «Перкин-Эль-мер» методом плазменной атомно-абсорбционной спектрометрии.

Полученные данные обрабатывали математико-статистическим методом [7] с получением уравнений регрессии и коэффициентов тесноты связей.

На основании математико-статистической обработки получены значения показателей тесноты связей между содержанием тяжелых металлов во взаимосвязанных системах: «листья-почва», «побеги-почва», «околоплодники-почва», «ядра-почва», «околоплодники-ядра» (таблица 1).

Вещественные связи в первых четырех системах обеспечиваются ежегодным опадом листьев, ветвей и плодов (околоплодников и ядер) с пополнением (после перегнивания) тяжелых металлов в верхнем слое почвы. Связь «околоплодник-ядро» осуществляется благодаря биологическим процессам.

насаждение орех аккумуляция металл Таблица 1 — Показатели тесноты связей содержания тяжелых металлов в почвах и фракциях фитомассы.

Из данных таблицы 1 следует, что показатели тесноты связей изме-няются от 0,06 до 0,799. Уравнения были получены только для тесных связей [4]. Так для системы «лист-почва» уравнения связи имеют вид:

Cu: при; (1).

Ni: при; (2).

Zn: при; (3).

Co: при; (4).

Pb: при; (5).

Cd: при, (6).

где — содержание микроэлемента в слое почвы 0−20 см, мг/кг;

— содержание металла в листьях, мг/кг;

— коэффициент корреляции.

Анализ уравнений (1)-(6) показывает, что существуют прямые связи между содержанием валовых форм Cu, Ni, Zn, Co, Pb и Cd в поверхностном слое почвы и в листьях. По содержанию Mn и Cr тесных связей в системе «лист-почва» не обнаружено (коэффициенты тесноты связей изменяются от 0,142 до 0,284). Эти связи определяются общим воздушным поступлением техногенных поллютантов на поверхность листьев и почвы. Кроме этого связь поддерживается ежегодным опадом, большую часть которого составляют листья.

Данные наблюдений и графическая интерпретация соответствующих уравнений регрессии приведены на рисунках 1−6.

Рисунок 1 — Зависимость содержания валовых форм Cu в листьях ореха грецкого и ореха черного от содержания его в почве.

Рисунок 2 — Зависимость содержания валовых форм Ni в листьях ореха грецкого и ореха черного от содержания его в почве.

Рисунок 3 — Зависимость содержания валовых форм Zn в листьях ореха грецкого и ореха черного от содержания его в почве.

Рисунок 4 — Зависимость содержания валовых форм Cо в листьях ореха грецкого и ореха черного от содержания его в почве.

Рисунок 5 — Зависимость содержания валовых форм Pb в листьях ореха грецкого и ореха черного от содержания его в почве.

Рисунок 6 — Зависимость содержания валовых форм Cd в листьях ореха грецкого и ореха черного от содержания его в почве.

Из рисунка 1 видно, что по мере увеличения содержания Cu в почве возрастает содержание этого микроэлемента в листьях, т. е. листья орехов активно аккумулируют этот металл.

Аналогичная картина наблюдается и по аккумуляции в листьях Ni и Zn. Следует отметить, что Ni и Zn в листьях накапливаются менее интенсивно по сравнению с Cu (рисунки 2 и 3). Этого нельзя сказать о накоплении в листьях Co (рисунок 4) и Pb (рисунок 5). Эти металлы резко увеличивают свое содержание в листьях по мере их накопления в верхних слоях почвы.

Содержание Cd в листьях увеличивается до 0,57 мг/кг с возрастанием его содержания в почвах до 1 мг/кг. Увеличение содержания Cd в почве свыше 1 мг/кг сопровождается постепенным увеличением его содержания в листьях (рисунок 6).

В целом, содержание валовых форм металлов в листьях и почве связано между собой. Эти связи также определяются общим воздушным поступлением техногенных поллютантов на поверхность листьев и почвы. В составе атмосферных выпадений Mn и Cr принимают незначительное участие, поэтому связи содержания этих микроэлементов в листьях и почве не существенны.

Для системы «побег-почва», судя по коэффициентам корреляции, отмечена слабая связь в отношении металлов Co, Mn и Cd, умеренная — Pb и Cr и тесная — Cu и Ni.

В ежегодном опаде побеги занимают менее существенную часть по сравнению с листьями. Кроме этого листва большей частью прикрывает побеги от атмосферных выпадений, поэтому уравнения связи содержания валовых форм тяжелых металлов в побегах (, мг/кг сухого вещества) и почве (, мг/кг) оказались достоверными только для Cu и Ni:

Cu: при; (7).

Ni: при. (8).

В уравнениях (7) и (8) теснота связей оказалась несущественной для Со (), Zn (), Mn (), Pb (), Cd () и Cr ().

Графические решения уравнений (7) и (8) приведены на рисунках 7 и 8.

По данным рисунка 7 видно, что увеличение содержания Cu в почве с 10 до 40 мг/кг приводит к существенному возрастанию содержания этого элемента в побегах (с 3,5 до 6,8 мг/кг).

Увеличение содержания Ni в почве с 10 до 60 мг/кг вызывает возрастание его содержания в побегах с 1,6 до 7,5 мг/кг.

Рисунок 7 — Зависимость содержания валовых форм Cu в побегах ореха грецкого и ореха черного от содержания его в почве.

Рисунок 8 — Зависимость содержания валовых форм Ni в побегах ореха грецкого и ореха черного от содержания его в почве.

Можно полагать, что Cu и Ni при импакции аэрозолей частично проникают в побеги, а в дальнейшем с опадом и перегниванием подстилки — в почву соответствующего местообитания. В формировании подстилки околоплодники и ядра участвуют незначительно, поэтому существенная связь в системе «околоплодник-почва» получена только для Zn:

при, (9).

где — содержание металлов в околоплодниках, мг/кг.

В системе «ядро-почва» существенная связь получена только для Cu:

при, (10).

где — содержание металлов в ядрах, мг/кг.

Графические решения уравнений (9), (10) показаны на рисунках 9, 10.

Рисунок 9 — Зависимость содержания валовых форм Zn в околоплодниках ореха грецкого и ореха черного от содержания его в почве.

Рисунок 10 — Зависимость содержания валовых форм Cu в ядрах ореха грецкого и ореха черного от содержания его в почве.

Из рисунка 9 видно, что с увеличением содержания в почве Zn до 60 мг/кг происходит значительное увеличение содержания этого химического элемента в околоплоднике. Превышение содержания Zn свыше 70 мг/кг в почве уже не оказывает существенного влияния на содержание это-го элемента в околоплодниках. Можно полагать, что накопление Zn до 15 мг/кг в перикарпе является предельным.

Из рисунка 10 видно, что при увеличении содержания Cu в почве с 10 до 40 мг/кг происходит резкое возрастание содержания его в ядрах, что указывает на опасную способность значительного накопления этого элемента.

Связи содержания других техногенных металлов в околоплодниках и почвах являются слабыми, а в ядрах они отсутствуют. Из околоплодников тяжелые металлы попадают, главным образом, не в почву (с опадом), а в ядра, что подтверждается уравнениями связи содержания их валовых форм в околоплодниках (, мг/кг) и ядрах (, мг/кг):

Co: при; (11).

Cd: при; (12).

Cu: при. (13).

Кроме этого относительно тесные связи получены для Pb (= 0,385), указывающие на тенденцию проникновения металлов из перикарпа в ядра через эндокарп. Графические решения уравнений (11)-(13) приведены на рисунках 11−13.

Представленная на рисунке 11 зависимость характеризует постепенное проникновение валовых форм Со через эндокарп и вызывает резкое возрастание этого металла в ядрах, что указывает на опасность его накопления.

Накопление Cd в ядрах (рисунок 12) происходит следующим образом: при увеличении его содержания в околоплодниках до 0,2 мг/кг происходит основная аккумуляция этого элемента в ядрах. Дальнейшее количественное увеличение металла в околоплодниках не приводит к накоплению Cd в плодах (ядрах).

Из рисунка 13 видно, что накопление Cu в околоплодниках до 6 мг/кг приводит к резкому возрастанию этого элемента в ядрах. При превышении данного порога в околоплодниках содержание Cu в ядрах достигает 20 мг/кг и в дальнейшем изменяется незначительно.

Рисунок 11 — Зависимость содержания валовых форм Cо в ядрах ореха грецкого и ореха черного от содержания его в околоплодниках.

Рисунок 12 — Зависимость содержания валовых форм Cd в ядрах ореха грецкого и ореха черного от содержания его в околоплодниках.

Зависимости, отображенные на рисунках 12, 13, характеризуют проникновение валовых форм тяжелых металлов в ядра на ранних стадиях развития плодов, когда эндокарп не является препятствием на путях миграции. На последующих стадиях (кривая после точки перегиба) эндокарп увеличивает свою толщину и прочность и перекрывает миграцию. Поэтому являются необходимыми исследования толщины и прочности эндокарпа для орехов грецкого и черного.

Рисунок 13 — Зависимость содержания валовых форм Cu в ядрах ореха грецкого и ореха черного от содержания его в околоплодниках.

В целом, тяжелые металлы (Cu, Ni, Zn, Co, Pb, Cd), накапливаются в листьях, побегах и околоплодниках. В дальнейшем валовые формы этих металлов с ежегодным опадом поступают в подстилку, а затем — в почву.

• 1. Виноградов, А. П. Основные закономерности в распределении микроэлементов между растениями и средой / А. П. Виноградов // Микроэлементы в жизни растений и животных. — М.: Наука, 1985. — С. 7−20.
• 2. Кабата-Пендиас, А. Микроэлементы в почвах и растениях / А. Кабата-Пендиас, Х. Пендиас. — М.: Мир, 1989. — 439 с.
• 3. Ивонин, В. М. Приоритетные функции орехоплодных насаждений в степной зоне Северного Кавказа / В. М. Ивонин, З. Г. Малышева // Вестник Российской академии сельскохозяйственных наук. — 2006. — № 3. — С. 52−55.
• 4. Ивонин, В. М. Орехоплодные при биопродуктивных мелиорациях ландшафтов / В. М. Ивонин, З. Г. Малышева // Мелиорация и водное хозяйство. — 2006. — № 6. — С. 34−36.
• 5. Малышева, З. Г. Мелиорация урбанизированной среды с помощью зелёных насаждений / З. Г. Малышева, Е. Г. Павлова // Мелиорация и водное хозяйство. — 2012. — № 2. -С. 27−29.
• 6. Малышева, З. Г. Содержание тяжелых металлов в почве и биомассе ореха черного на территории Краснодарского края / З. Г. Малышева // Брянщина — Родина отечественного и мирового высшего лесного образования: мат. междунар. науч.-практ. конф. — Брянск: БГИТА, 2005. — С. 85−87.
• 7. Ивонин, В. М. Лесомелиорация ландшафтов / В. М. Ивонин, Н. Д. Пеньковский. — Ростов н/Д.: СКНЦ ВШ, 2003. — 151 с.