Агрохимия, 2020, № 12, стр. 71-80

ВВЕДЕНИЕ

Агроэкологические особенности региона способствуют произрастанию многих дикорастущих и культурных растений, которые аккумулируют тяжелые металлы (ТМ) под влиянием эндогенных (особенности видов растений) и экзогенных факторов природного и антропогенного характера (свойств почв, агрохимических средств и металлов, климата, выбросов и др.) [1–3].

В соответствии с протяженностью Республики Мордовия (РМ) с запада на восток возрастает континентальность ее климата, который оказал влияние на растительность, почвообразовательные процессы. Почвенный покров представлен почти 300 почвенными разновидностями, которые по одинаковым и близким по генезису характеристикам объединены в агропочвенные районы I, II, III, IV и V [4].

Было показано, что почвы агропочвенных районов значимо различаются по содержанию и уровню сопряженности ТМ, коэффициентам сходства количества сопряженных металлов, эколого-токсикологическим и санитарно-гигиеническим условиям. На основании этого было предложено распределение ТМ по почвам районов считать как геохимическое [5].

Поведение микроэлементов в биогеосистемах тесно связано с химическими процессами и процессами трансформации ТМ в почвах, их содержание в окружающей среде постоянно увеличивается [6, 7], происходит постепенное изменение свойств почв из-за их загрязнения ТМ [8]. Металлы в почве находятся в разных формах, валовое содержание и степень подвижности которых не всегда определяют уровень ТМ в растениях [9, 10]. По мере роста и развития растений в них формируются пороги защиты от избытка ТМ на барьерах корни/стебель и стебель/зерно, и накопление ТМ происходит под генетическим контролем [11]. Механизмы, участвующие в процессах ограничения, намного слабее, чем те, что выработаны корнями для поглощения дефицитных микроэлементов [6]. Тем не менее, интегрированные реакции растений на стресс от ТМ усиливают действие защитных механизмов [12–14]. Передвижение ТМ происходит при синергическом и антагонистическом взаимодействиях [15].

Сформировавшийся в результате сложных процессов пул ТМ в органах растений, особенно в генеративных органах, определяет их функциональное состояние в вегетационном периоде и предопределяет прорастание и развитие зародыша семени [16]. Снижение накопления ТМ в посевах сельскохозяйственных культур обеспечивает качество растениеводческой продукции [17].

Содержание ряда ТМ было определено ранее в продукции растениеводства на отдельных почвах республики [18, 19], однако систематического изучения поведения ТМ в системе почва–семена разных культурных растений в сопоставимых условиях не проводили. Цель работы – изучение особенностей аккумуляции ТМ семенами сельскохозяйственных растений в разных агроэкологических условиях Мордовии.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Исследовали районы I, III и IV с разной площадью и контрастными почвами, а также сельскохозяйственные виды растений, произраставшие в этих условиях. Район I характеризуется в основном серыми лесными и дерново-подзолистыми почвами супесчаного и легкосуглинистого гранулометрического составов. Район III охватывает серые лесные почвы тяжелого гранулометрического состава. В районе IV преобладают выщелоченные и оподзоленные черноземы в сочетании с темно-серыми лесными тяжелосуглинистыми почвами [4].

Перечень исследованных сельскохозяйственных растений: рожь посевная озимая (Secale cereale L.), пшеницы озимая и яровая (Triticum vulgare L.), ячмень обыкновенный яровой (Hordeum sativum var. distichon Asch. et. Graebn.), овес посевной (Avena sativa L.) и горох посевной (Pisum sativum L.).

Отбор проб почв на анализ проводили в репрезентативных точках агропочвенных районов I (13 площадок), III (7 площадок) и IV (17 площадок) по методике ЦИНАО [20]. Семена растений отбирали в послеуборочный период по методике [21]. Итого проанализировано 423 растительных и 1985 почвенных образцов на содержание ТМ, используя методики [22, 23].

Экспериментальные данные обработаны статистически с использованием программы STAT 3 по стандартным методикам при Р = 0.05 в соответствии с [24], расчет коэффициентов биологического поглощения (КБП) – по [11]. Рисунки выполнены в Microsoft Office Excel.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Свинец. В семенах, отобранных на дерново-подзолистых почвах района I, количественное содержание металла выявлено только у ячменя. Пшеница яровая в этом районе не представлена из-за малых объемов выращивания. Зерно озимых культур из района III с серыми лесными почвами содержало Pb в 3 раза больше, чем из района IV с черноземами (рис. 1), что связано с промышленным насыщением района, но различия были недостоверными. Содержание свинца различалось в зерне овса и ячменя из этих районов достоверно. В горохе он был найден только в образцах, выращенных на черноземах района IV, и количественно больше, чем в семенах других культур из этого района. Коэффициент вариабельности содержания (С_V) Pb был >100%, в том числе и у ячменя при его самой большой выборке, вероятно, из-за неравномерного загрязнения почв точечными источниками.

Рис. 1.

Содержание ТМ в семенах культурных растений при выращивании на разных почвах, мг/кг: 1 – рожь озимая, 2 – пшеница озимая, 3 – пшеница яровая, 4 – ячмень, 5 – овес, 6 – горох. То же на рис. 2.

Таким образом, в зерне озимых культур и почвах районов отсутствовали достоверные отличия в содержании Pb, но они были получены для ячменя и овса из районов III и IV при очень высоких показателях С_V (табл. 1, 2).

Цинк. Zn был вторым среди ТМ по величине содержания в семенах изученных растений. Зерно озимых культур и овса имело значимые различия между районом I с дерново-подзолистыми почвами и районами III с серыми лесными и IV с черноземами, гороха – между районами III и IV. У гороха С_V   Zn оказался минимальным в районе III и максимальным у овса в районе I, где все культуры выделялись высокими показателями С_V.

Таким образом, достоверность различий содержания Zn выявлена в семенах озимых и овса на дерново-подзолистых почвах района I и почвах других районов, в семенах гороха – из районов III и IV, что было обусловлено, вероятно, максимальным содержанием металла в дерново-подзолистых почвах района I и значимыми различиями в его содержании между почвами районов (табл. 1).

Медь. Содержание Cu оказалось наиболее высоким в семенах растений, выращенных на серых лесных почвах района III, кроме озимой пшеницы. Ее зерно на черноземах района IV содержало металла достоверно больше, чем в районе I с дерново-подзолистыми почвами и в районе III с серыми лесными почвами. Район III отличался высоким содержанием Cu в зерне следующих культур: озимой ржи, в котором ее было в 3 раза больше, чем на дерново-подзолистых почвах района I, а также в зерне яровой пшеницы, значимо отличавшимся от зерна из черноземного района IV. Концентрации этого металла в ячмене и овсе из разных районов были очень близкими, но достоверно различались между районами, где вариабельность у ячменя была наименьшей: I и III, III и IV. Эту же закономерность выявили и для овса (табл. 2). Содержание Cu в горохе было одинаковым в районах I и III с дерново-подзолистыми и серыми лесными почвами соответственно, и достоверно различалось по сравнению с образцами, выращенными на черноземах района IV с высоким плодородием, мощным гумусным слоем большой буферности.

Таким образом, содержание Cu оказалось практически одинаковым (2.1–4.2 мг/кг) в семенах культур, отобранных на черноземных почвах района IV, кроме озимой пшеницы. Однако содержание металла достоверно различалось у озимых культур и гороха черноземов района IV, дерново-подзолистых почв района I и серых лесных почв района III почти у всех яровых. Следует отметить одинаковые различия, но противоположной направленности: в сторону увеличения (озимая пшеница) и снижения (яровая пшеница) между серыми лесными (район III) и черноземными почвами (район IV). Для Cu были схожим характер накопления металла и равновеликим его содержание в зерне озимой ржи, ячменя и овса, которое достоверно различалось для некоторых районов произрастания (табл. 2).

Никель. Содержание Ni различалось, но не достоверно, в зерне озимых культур и яровой пшеницы из районов с разными типами почв. Пшеница, ячмень и озимая рожь являются низкими Ni-накопителями, горох и овес – высокими [25]. Уровень содержания металла в зерне овса и ячменя, как у видов, противоположных по его поглощению, сильно различался в зависимости от района произрастания культур, но достоверно – у ячменя из районов I и III.

Таким образом, содержание Ni варьировало в семенах изученных культур в узком диапазоне (0.1–0.8 мг/кг) и достоверно различалось только у ячменя при высоких С_V семян и на дерново-подзолистых почвах из района I и серых лесных почвах района III.

Кобальт. Анализ показал, что содержание Со в семенах многих культур было меньше предела обнаружения методом анализа (нпо), в районе III – в семенах всех изученных культур. Кобальт обнаружен в семенах из района I с дерново-подзолистыми почвами, кроме озимой пшеницы, а также в зерне озимых и ячменя на черноземах района IV. Величины концентраций имели самые большие С_V и недостоверные различия (табл. 2). Вероятно, это обусловлено легким гранулометрическим составом дерново-подзолистых почв района I, что повлияло на достаточно высокую миграцию Со в растения, а его накопление в семенах на черноземах района IV было связано с самым высоким содержанием в почве. Содержание Со в семенах оказалось одним из самых низких среди металлов, так же как и в почвах.

Железо. Содержание Fe в семенах культур было наиболее высоким, а показатель С_V – одним из низких. Концентрации металла в зерне озимой пшеницы в районах произрастания были одинаковыми, но до 50% меньше, чем озимой ржи. Накопление металла в зерне озимых культур достоверно различались между районом I с дерново-подзолистыми почвами и районами III с серыми лесными и IV с черноземами. Концентрации Fe в зерне яровых зерновых и гороха были близкими: 21.8–31.6 мг/кг, а достоверно различались эти показатели у ячменя между районами III и IV.

Очень высокое содержание Fe в почвах, вероятно, и обусловило максимальное содержание в семенах, которое достоверно различалось у озимых и ячменя в разных районах (табл. 2).

Марганец. Максимальное содержание Mn нашли в зерне озимой ржи на черноземах района IV (подвижность металла 6%) и овса в районе III с серыми лесными почвами (подвижность Mn 14%) [9]. Оно достоверно различалось в зерне озимой ржи на черноземах района IV, дерново-подзолистых почвах района I и серых лесных почвах района III, а также у овса из районов I и III. В зерне ячменя оно было везде самым низким и практически одинаковым.

Хром. Содержание Cr выявлено в семенах всех культур из всех районов, но оно оказалось самым низким из изученных ТМ, вероятно, из-за очень низкой подвижности металла (≈2%). Достоверных различий не было обнаружено, вероятно из-за весьма высоких С_V, но в почвах они отмечены для всех районов (табл. 1, 2). Показано, что содержание Cr в зерне озимой ржи было одинаковым для всех районов.

Содержание ТМ в семенах сельскохозяйственных культур соответствовало, кроме единичных случаев, требованиям безопасности [26, 27]. Семян, достоверно различавшихся во всех районах содержанием каких-либо изученных ТМ, не отмечено. Не имело достоверных различий содержание Co и Cr в семенах всех культур, тогда как содержание этих металлов в почвах различалось во всех районах.

Содержание Ni в семенах ячменя и Mn в семенах овса, а также их содержание в почвах достоверно различалось в районах I и III.

В семенах ряда культур различия содержания ТМ отмечено только в образцах из районов III и IV: Pb – у овса и ячменя, Zn – у гороха, Fe – у ячменя, Cu – у яровой пшеницы (в почвах таких различий не выявлено). Достоверность различий содержания ТМ выявлена в основном в семенах озимых культур в большем количестве районов: I и III, I и IV, Zn – озимых и овса, Fe – озимых, содержания Pb, Zn и Fe в почвах – для всех районов. Районы I и IV, III и IV различались содержанием Cu в семенах озимой пшеницы, гороха и Mn – озимой ржи. Содержание этих элементов в почвах различалось только в районах I и IV.

Следовательно, аккумуляция металлов семенами не всегда была пропорциональна их содержанию в почве. Свинец активнее мигрировал в сопредельные системы в районах III и IV с более плодородными серыми лесными и черноземными почвами соответственно. Внутрипрофильная миграция Cu и Mn преобладала над их переходом в растения в районе I с дерново-подзолистыми почвами [9].

По содержанию ТМ в семенах сельскохозяйственных растений и почве рассчитывали интенсивность их биопоглощения (КПБ) в разных агроэкологических условиях районов произрастания (рис. 2).

Рис. 2.

Коэффициенты биологического поглощения (КБП) ТМ семенами культурных растений на разных почвах.

Наибольшие величины КБП на дерново-подзолистых почвах района I для семян гороха выявлены для Zn и Cu, минимальные – для Cr. Рожь озимая отличалась максимальным поглощением Ni, Co и Cr, ячмень – Fe и Pb (наличие металла выявлено только у этой культуры). Аккумуляция Zn и Cu семенами растений была одинакового порядка с максимальным поглощением элемента горохом, поглощение Ni было полностью одинаковым (кроме минимального у ячменя). Установлен убывающий ряд величин КБП металлов в районе I: Zn – горох > > пшеница озимая = ячмень > рожь озимая > овес; Cu – горох > пшеница озимая = ячмень > рожь озимая > овес; Ni – рожь озимая = пшеница озимая = = овес = горох > ячмень; Co – рожь озимая > горох > > ячмень = овес > пшеница озимая; Fe – ячмень = = горох > овес >  рожь озимая = пшеница озимая; Mn – пшеница озимая > рожь озимая =горох > ячмень = овес; Cr – рожь озимая = ячмень > овес > > пшеница озимая > горох.

Семена озимых культур одинаково аккумулировали Ni и Fe и максимально различались накоплением Со. Для семян овса и озимой пшеницы установлены минимальные КБП.

В районе III с серыми лесными почвами максимальные КБП были выявлены у яровой пшеницы для Cu и Fe, у гороха – для Zn, у ячменя – для Cr, у овса – для Pb, Ni, Mn, и ряд биоаккумуляции выглядел следующим образом:

Pb – овес > пшеница озимая > рожь озимая > > пшеница яровая > ячмень > горох; Zn – горох > > овес > пшеница озимая > пшеница яровая > > рожь озимая > ячмень; Cu – пшеница яровая > > горох > ячмень > овес > рожь озимая > пшеница озимая; Ni – овес > рожь озимая = горох > пшеница озимая > пшеница яровая > ячмень; Fe – пшеница яровая = овес > горох > рожь озимая > > ячмень > пшеница озимая; по Mn – овес > > пшеница озимая = пшеница яровая > рожь озимая > горох > ячмень; Cr – ячмень > горох > > рожь озимая = овес > пшеница озимая = пшеница яровая.

У обеих форм пшеницы было одинаковым аккумулирование Mn и Cr, а противоположной направленности – Cu и Fe, причем у яровой – в бóльшую сторону. Аккумуляция остальных металлов (Pb, Zn, Ni) озимой пшеницей была больше, чем яровой. У ячменя часто отмечено минимальное биопоглощение ТМ (Zn, Ni и Mn).

Семена гороха, выращенного на черноземах района IV интенсивно аккумулировали Pb, пшеницы озимой – Zn, Cu, Co, яровой – Cr, семена озимой ржи повышенно поглощали Ni, Fe и Mn. В наименьшей степени семенами яровой пшеницы накапливались Pb, Cu, Co, Fe, ячменя – Zn, Ni, Fe и Mn, гороха – Co и Mn; овса – Co и Cr. Интенсивность поглощения Mn различалась среди семян культур района IV меньше других металлов в ряду убывающих величин КБП: Pb – горох > > пшеница озимая > рожь озимая = ячмень > овес > > пшеница яровая; Zn – пшеница озимая > горох > > рожь озимая > пшеница яровая > овес > ячмень; Cu – пшеница озимая > рожь озимая > ячмень > горох > овес > пшеница яровая; Ni – рожь озимая = горох > пшеница озимая > пшеница яровая > овес > ячмень; Co – пшеница озимая > > ячмень > рожь озимая > пшеница яровая = овес = = горох; Fe – рожь озимая > горох > пшеница озимая = овес > пшеница яровая = ячмень; Mn – рожь озимая > пшеница озимая = пшеница яровая = овес > ячмень = горох; Cr – пшеница яровая > > рожь озимая = пшеница озимая = горох > ячмень > овес.

При сравнении двух форм одной культуры отмечено, что зерно озимой пшеницы характеризовалось максимальным аккумулированием Cu, яровой – минимальным, но одинаковым – Mn.

Обобщенные ряды величин КБП представлены в табл. 3. Первые два места принадлежали Zn и Cu у всех культур, Ni был на третьем месте: в районе I с дерново-подзолистыми почвами, а также в районе III с серыми лесными – у семян гороха, в районе IV с черноземами – у озимой ржи и гороха. Степень поглощения Mn была средней величины. Семена всех культур имели минимальный КБП в районе I с дерново-подзолистыми почвами для Со и Pb, в районе III с серыми лесными – для Co и Cr, в районе IV с черноземами – для Fe и Со. Повышенное накопление Cu и Zn семенами культурных растений отмечали в работах [28, 29].

Содержание Mn, Zn, Cu, Ni и Со в почве районов было в 1.5–2.0 раза меньше ОДК [30], поэтому, вероятно, может быть перспективным их использование в качестве микроудобрений, т.к. они являются биофильными металлами, важность которых для растений [16] подтверждена их высокой степенью поглощения (кроме Со) и исследованиями некоторых из этих микроэлементов [31, 32]. Кроме прибавки урожая, Zn, являясь антагонистом Cd, токсиканта I-й группы опасности [26], препятствует его поглощению семенами культурных растений [33]. Содержание Cd в продукции растениеводства можно снижать при помощи некоторых других из упомянутых микроэлементов [34–36].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, семена сельскохозяйственных растений различались по накоплению тяжелых металлов (ТМ), вариабельности содержания и интенсивности поглощения в разных агроэкологических условиях и почвах агропочвенных районов. ТМ группируются по величинам содержания в семенах следующим образом: группа I – 30–60 мг/кг (Fe); группа II – от 4.0–8.0 до 12.0–25.0 мг/кг (Zn, Cu и Mn); группа III – 0–0.8 мг/кг (Pb, Co, Ni и Cr). На дерново-подзолистых почвах с легким гранулометрическим составом (район I) семена культур не выделялись среди других районов по содержанию ТМ, но в районе горох выделялся содержанием Cu, озимая пшеница и ячмень – Ni, на серых лесных почвах тяжелосуглинистого гранулометрического состава (район III) в семенах овса содержание всех ТМ и некоторых яровых культур ряда металлов было максимальным. В районе IV с черноземами семена озимых зерновых опережали по накоплению ТМ другие культуры (пшеница – всех ТМ, кроме Pb, рожь – Mn и Ni), горох – Pb.

Выявленная изменчивость семян культурных растений по составу ТМ свидетельствовала о существенном влиянии агроэкологических факторов, в частности типов почв агропочвенных районов, влияние которых было сильнее генетически обусловленного контроля накопления ТМ. В результате механизмы ограничения поглощения ТМ оказывались слабее механизмов поглощения дефицитных микроэлементов.

Коэффициенты вариации содержания Pb, Co и Cr всегда были >100%, при этом достоверно не различалось содержание Co и Cr в семенах культур из всех районов, содержание Pb – в 2/3 случаев сравнений между районами. Основные различия концентраций выявлены у озимых культур, у яровых – из районов III и IV с более плодородными почвами.

По интенсивности поглощения семена растений различались как по видам, так и в пределах одной культуры из разных почвенных районов. Наибольшей степенью поглощения отличались во всех районах Zn и Cu, средней интенсивностью – Ni и Mn, минимально семена накапливали Pb, Fe, Cr и особенно Co. Величины КБП ТМ можно использовать как дополнительный элемент прогнозирования потребности растений в микроэлементах.