УДК 634.7:631.81

ФОРМИРОВАНИЕ СОСТАВА МИКРОЭЛЕМЕНТОВ У ЯГОДНЫХ РАСТЕНИЙ В УСЛОВИЯХ ПОВЫШЕННОГО СОДЕРЖАНИЯ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В ПОЧВЕ

Е.В. ЛЕОНИЧЕВА, С.М. МОТЫЛЕВА, М.Н. КУЗНЕЦОВ, Т.А. РОЕВА, Л.И. ЛЕОНТЬЕВА

Изучали содержание Pb, Ni, Zn, Fe и Cu в листьях и плодах смородины черной, малины и крыжовника, выращиваемых при содержании тяжелых металлов (ТМ) в почве, пре-вышающем регионально-фоновый уровень в 2-6 раз. Выявлено влияние экологических факторов (содержание в почве ТМ и агрофона) на содержание микроэлементов в листьях. Для плодов этот показатель в большей мере определялся генетическими особенностями культур. Наибольшее суммарное накопление ТМ отмечено в плодах малины.

Ключевые слова: смородина черная, малина, крыжовник, ягодный агроценоз, микроэлементы.

 

В последние десятилетия, несмотря на снижение объемов поступления загрязняющих веществ в окружающую среду, ее экологическое состояние продолжает ухудшаться из-за роста абсолютного количества аккумулированных токсикантов. Садовые агроценозы сильнее других сельхозугодий подвержены загрязнению, поскольку со средствами защиты растений ежегодно поступает значительное количество тяжелых металлов (ТМ). Например, в почвах садов каждые 10 лет количество меди повышается на величину, равную естественному содержанию (1).

Зафиксировано превышение предельно-допустимых концентраций (ПДК) ТМ в плодовой и ягодной продукции, выращиваемой в условиях возросшей антропогенной нагрузки (2, 3). При этом загрязнение плодов и ягод может наблюдаться и в тех случаях, когда содержание ТМ в почве меньше ПДК (4).

Имеющиеся в научной литературе данные о видовых и сортовых различиях в способности растений накапливать ТМ, а также о механизмах, препятствующих накоплению этих элементов в генеративных органах и органах запасания ассимилятов, позволяют считать подбор культур одним из наиболее эффективных приемов рациональной эксплуатации почв, загрязненных ТМ.

Сведения о видах растений, наиболее и наименее пригодных для выращивания в условиях загрязнения окружающей среды ТМ, касаются преимущественно однолетних полевых и овощных культур (5, 6), в то время как ягодные исследованы недостаточно.

Целью нашей работы было определение количества тяжелых металлов (ТМ) в листьях и плодах ягодных культур на фоне повышенного содержания ТМ в почве и оценка эффективности физиологических барьеров, препятствующих поступлению ТМ в генеративные органы.

Методика. Накопление микроэлементов в листьях и плодах ягодных растений (смородина черная, сорт Кипиана; малина, сорт Спутница; крыжовник, форма ЭЛС 24-15-21) изучали в полевых опытах (садовый массив Всероссийского НИИ селекции плодовых культур — ВНИИСПК, Орловская обл., 2004-2008 годы). Почва опытного участка серая лесная среднесуглинистая; агрохимическая характеристика: рНKCl — 5,4±0,15; содержание подвижного фосфора — 43,78±3,70, обменного калия — 29,70±5,30 мг/100 г почвы; содержание гумуса 3,7±0,14 %. Растения выращивались на двух агрохимических фонах — без удобрений (контроль) и при внесении N90Р9К90.

Содержание ТМ (Pb, Ni, Zn, Fe, Cu) в растительных пробах и подвижных форм тяжелых металлов в почве (в вытяжке СН3СООNН4, рН 4,8) определяли методом высокоэффективной жидкостной хроматографии, разработанным на основе МУК 4.1.053-96, валовое содержание ТМ — рентгенфлуоресцентным методом (Спектроскан, Россия).

Полученные результаты обрабатывали методом дисперсионного анализа с использованием пакета программ Microsoft Exсel.

Результаты. В почве после 50 лет ее использования в садоводстве валовое содержание ТМ превысило (по Pb и Ni — в 2 раза, по Zn — в 3 раза, по Cu — в 6 раз) регионально-фоновый уровень, установленный для серых лесных почв Орловской области (табл. 1).

1. Характеристика содержания тяжелых металлов в почве опытного участка (мг/кг, Всероссийский НИИ селекции плодовых культур, Орловская обл., 2004-2008 годы)

Показатель

Pb

Ni

Zn

Cu

Валовое содержание

23,3±4,5

30,2±1,1

44,0±4,1

72,6±19,4

Cv валового содержания, %

30

4,3

11

89

ОДКвал. (7)

65,0

40,0

110,0

66,0

Регионально-фоновое валовое содержание ТМ (8)

12,7

15,0

13,4

12,3

Содержание подвижных форм

0,065±0,009

0,250±0,024

14,000±1,450

0,550±0,068

Cvподвижных форм, %

42

35

31

45

ПДКподв. (9)

6,0

4,0

23,0

3,0

П р и м е ч а н и е. ОДКвал. и ПДКподв. — соответственно ориентировочно допустимые концентрации тяжелых металлов в почвах (валовое содержание) и предельно-допустимые концентрации подвижных форм тяжелых металлов в почвах.

Валовое содержание Cu было больше ОДКвал. Усредненное количество подвижных форм ТМ в почве не превышало ПДКподв., но в некоторых образцах показатели для Zn и Cu оказались выше предельно допустимого уровня. Превышение ПДК и регионально-фонового содержания ТМ свидетельствует о возможности негативного влияния ТМ на выращиваемые культуры и получения на этих участках загрязненной продукции.

Поступление микроэлементов в растения может быть пассивным (по градиенту концентрации) или активным (против градиента концентрации с затратой энергии), что предполагает существование двух главных факторов формирования элементного химического состава растений — генетического и экологического. Доля каждого варьирует в зависимости от изменений условий среды. При соответствии геохимических показателей фитоценозов трофическим требованиям растений элементный состав последних в основном контролируется генетически. В таких условиях поддерживается избирательное и характерное для вида поглощение ионов металлов растительными тканями. Экологический фактор препятствует этому в тех случаях, когда среда обитания обогащена подвижными формами ТМ (10).

Наряду с токсичными для растительных организмов Ni, Pb и др. в группу тяжелых металлов входят биогенные микроэлементы (Zn, Cu, Fe и др.), при недостатке которых рост растения нарушается или прекращается, наблюдаются метаболические отклонения (избыток этих элементов в почве токсичен для растений).

Данные об оптимальном содержании биогенных микроэлементов в листьях ягодных культур в научной литературе отсутствуют. Есть сведения об оптимальном содержании макро- и микроэлементов для плодовых (яблони, груши, вишни, сливы), а также макроэлементов — для ягодных (11).

2. Содержание микроэлементов в листьях и плодах ягодных культур на разных агрофонах (мг/кг сырой массы, Всероссийский НИИ селекции плодовых культур, Орловская обл., 2005-2008 годы)

Культура

Агрофон

Pb

Ni

Zn

Cu

Fe

Л и с т ь я

Смородина черная

Без удобрений

2,95

8,46

9,06

17,72

14,10

N90Р90К90

3,26

6,09

10,85

16,70

39,84

НСР05

0,19

0,35

0,46

0,88

3,10

Малина

Без удобрений

0,68

1,55

5,96

3,21

3,36

N90Р90К90

0,83

4,49

3,98

0,93

0,93

НСР05

0,19

0,40

1,59

1,04

2,07

Крыжовник

Без удобрений

0,74

1,01

3,64

1,16

3,04

N90Р90К90

0,71

1,08

4,22

1,00

3,06

НСР05

0,12

0,29

1,42

0,33

0,25

П л о д ы

Смородина черная

Без удобрений

0,025

0,150

0,480

0,260

0,320

N90Р90К90

0,025

0,200

0,580

0,350

0,630

НСР05

Fф < Fт

0,050

0,070

0,090

0,100

Среднее фоновое

-

-

0,800

0,800

8,400

Малина

Без удобрений

0,016

0,354

1,845

0,259

3,770

N90Р90К90

0,014

0,342

1,353

0,243

3,930

НСР05

0,005

0,140

0,110

0,030

0,040

Среднее фоновое

-

0,060

2,000

1,700

12,000

Крыжовник

Без удобрений

0,053

0,101

0,845

0,160

0,489

N90Р90К90

0,041

0,146

0,802

0,131

0,421

НСР05

0,010

0,011

0,130

0,080

0,040

Среднее фоновое

-

-

0,900

1,300

8,000

ПДК для плодов и ягод (14)

0,400

0,500

10,000

5,000

50,000

 

П р и м е ч а н и е. Прочерки означают, что на период издания справочника (14) в плодах смородины черной и крыжовника не обнаруживали Pb и Ni, а в плодах малины — Pb, несмотря на наличие эффективных аналитических методов определения этих элементов в растительной продукции.

Нами выявлено, что по содержанию в листьях ягодных культур ТМ образуют ряды: Pb < Ni < Zn < Fe < Cu (черная смородина), Pb < Ni < Cu =

= Fe < Zn (малина), Pb < Ni < Cu < Fe < Zn (крыжовник) (табл. 2).

При выращивании смородины черной в Московской области на дерново-подзолистой почве с благоприятным агрофоном и повышенным содержанием Cu и Zn в зависимости от сорта листья содержали Pb — 1,8-2,5; Zn — 7,6-10; Cu — 1,6-2,9 мг/кг сырой массы (12). По результатам наших исследований, в листьях смородины черной сорта Кипиана количество меди в среднем по годам было в 5,5 раза больше, чем в условиях Подмосковья.

Листья смородины черной содержали (в зависимости от элемента) в 4-12 раз больше Pb, Ni, Zn, Fe и Cu, чем листья малины и крыжовника. При этом количество элементов в листьях смородины черной определялось уровнем антропогенной нагрузки (чем больше превышение фонового содержания элемента в почве, тем больше этого элемента в листьях). Для малины и крыжовника ряды ТМ соответствуют ряду содержания их подвижных форм в почве, что свидетельствует о влиянии экологического фактора на микроэлементный состав листьев ягодных культур в условиях нашего эксперимента.

Содержание ТМ в листьях ягодных культур также различалось в зависимости от агрофона. Отмечалось статистически достоверное влияние минеральных удобрений на накопление Pb, Ni, Zn и Fe в листьях смородины черной, Ni и Zn — в листьях малины. Влияние агрофона на содержание микроэлементов в листьях можно объяснить изменением состава и концентрации почвенного раствора при внесении минеральных удобрений и, как следствие, изменением условий поглощения микроэлементов корнями.

Количество исследуемых металлов в плодах не превышало ПДК (см. табл. 2). Однако присутствие Ni и Pb, а также изменение доли Zn, Cu и Fe по сравнению со средним фоновым значением (13) свидетельствуют о влиянии на минеральный состав техногенных и агрогенных факторов и необходимости контролировать содержание токсичных элементов.

По содержанию в плодах ягодных культур ТМ образуют следующие ряды: Pb < Ni < Cu < Fe < Zn (смородина черная), Pb < Cu < Ni < Fe < Zn (малина), Pb < Ni < Cu < Fe < Zn (крыжовник). Из изученных культур наибольшее количество Pb отмечали у крыжовника, Ni — у малины. В то же время малина характеризуется наибольшим содержанием ценных биогенных микроэлементов — Fe и Zn.

Суммарный показатель накопления (СПН) в плодах Pb, Ni, Zn, Fe и Cu на неудобренном фоне и при внесении N90Р90К90 для смородины черной, малины и крыжовника составил соответственно: 1,23 и 1,78; 6,24 и 5,88; 1,65 и 1,54 мг/кг сырой массы. То есть в условиях наших опытов для малины экологический риск накопления ТМ в продукции был наибольшим.

Соотношение между количеством ТМ в вегетативных органах растений и в плодах характеризует эффективность работы физиологических барьеров, препятствующих проникновению токсичных элементов в генеративные органы. Действие этих физиологических барьеров оказалось неодинаковым у разных культур. Так, у смородины черной при самом высоком содержании ТМ в листьях в ягодах оно было в 30-50 раз ниже, у крыжовника — в 5-15 раз ниже, чем в листьях. Содержание Pb в плодах малины было в 44 раза, Ni, Zn и Cu — соответственно в 4, 3 и 12 раз меньше, чем в листьях. В то же время в плодах и листьях малины отмечали почти одинаковое содержание железа (см. табл. 1, 2). Обнаруженные различия свидетельствуют о существенной роли генетического фактора в формировании микроэлементного состава плодов.

Таким образом, мы выявили значительное влияние экологического фактора на формирование состава микроэлементов в листьях смородины черной, малины и крыжовника при выращивании на серой лесной среднесуглинистой почве с благоприятным агрофоном и содержанием Pb, Ni, Zn и Cu, превышающим в 2-6 раз регионально-фоновый уровень. Микроэлементный состав плодов в этих экологических условиях в большей степени определялся генетическими особенностями изученных ягодных культур, что проявилось в различной эффективности физиологических барьеров, влияющих на накопление микроэлементов растениями.

Л И Т Е Р А Т У Р А

1. И в а н о в а  А.С. Медь в почвах садовых агроценозов Крыма. Агрохимия, 1987, 10: 76-82.
2. М о т ы л е в а  С.М. Особенности содержания ТМ (Pb, Ni, Zn, Fe, Cu) в плодах, ягодах и атмосферных осадках в связи с оценкой сортов для использования в селекции. Автореф. канд. дис. Орел, 2000.
3. С е н н о в с к а я  Т.В. Особенности накопления тяжелых металлов в ягодах и листьях крыжовника. В сб.: Плодоводство и ягодоводство России. М., 2004: 281-295.
4. Г р о м о в а  В.С. Влияние длительного применения минеральных удобрений на агроэкологические характеристики почвы и плодов яблоневого сада. В сб.: Плодоводство и ягодоводство России. М., 1995: 153-157.
5. И л ь и н  В.Б. Загрязнение тяжелыми металлами огородных почв и культур в городах Кузбасса. Агрохимия, 1991, 7: 67-77.
6. Г о р е ш н и к о в а  Е.В. Влияние свойств дерново-подзолистой почвы и известкования на поступление кадмия, цинка и свинца в растения. Канд. дис. М., 1995: 6-7.
7. Ориентировочно допустимые концентрации (ОДК) тяжелых металлов и мышьяка в почвах (Дополнение № 1 к перечню ПДК и ОДК ¹ 6229-91): Гигиенические нормативы. ГН 2.1.7.020-94. М., 1995.
8. Регионально-фоновое содержание химических веществ в почвах Орловской области. Орел, 1999.
9. Перечень предельно-допустимых концентраций (ПДК) и ориентировочно-допустимых количеств (ОДК) химических веществ в почве. М., 1991.
10. И л ь и н  В.Б. Тяжелые металлы в системе почва—растение. Новосибирск, 1991.
11. К о н д а к о в  А.К. Удобрение плодовых деревьев, ягодников, питомников и цветочных культур. Мичуринск, 2007.
12. З е й н а л о в  А.С.,  С е н н о в с к а я  Т.В. Влияние микроэлементов: бора, марганца и цинка на фитосанитарное состояние смородины черной и накопление тяжелых металлов в ее плодах и листьях. В сб.: Плодоводство и ягодоводство России. М., 2006, ХVII: 361-379.
13. Химический состав пищевых продуктов: Справочник /Под ред. И.М. Скурихина, М.Н. Волгарева. М., 1987.
14. Б е с п а м я т н о в  Г.П.,  К р о т о в  Ю.А. Предельно допустимые концентрации химических веществ в окружающей среде. Л., 1985.

 

FORMATION OF MICROELEMENT’S COMPOSITION IN BERRY PLANTS IN THE CONDITIONS OF HIGHER CONTENT OF HEAVY METALS IN THE SOIL

E.V. Leonicheva, S.M. Motyleva, M.N. Kuznetsov, T.A. Roeva, L.I. Leont’eva

The authors studied the Pb, Ni, Zn, Fe and Cu contents in leaves and berries of black currants, raspberries and gooseberries growing on soil with heavy metals (HM) content increased to 2-6-fold their values for regional background. The influence of ecological factors (HM content and agrobackground) on content and accumulation of microelements in leaves was revealed. For the berries this parameter determined more by genetic features of crops. The greatest summarized accumulation of HM was presented in berries of raspberries.

Key words: black currant, raspberry, gooseberry, berry agrocenosis, microelements.

ГНУ Всероссийский НИИ селекции плодовых
культур Россельхозакадемии
,
302530 Орловская обл., Орловский р-н, д. Жилина,
e-mail: info@vniispk.ru

Поступила в редакцию
24 июня 2010 года

 

Оформление электронного оттиска

назад в начало