Статья: Содержание некоторых тяжелых металлов в растительности полевых и луговых агрофитоценозов в условиях техногенного загрязнения почвенного покрова

126 С.С. Позняк

Содержание некоторых тяжелых металлов в растительности 123

Научно-исследовательский институт экологических проблем

Международного государственного экологического университета им. А.Д. Сахарова

СОДЕРЖАНИЕ НЕКОТОРЫХ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В РАСТИТЕЛЬНОСТИ ПОЛЕВЫХ И ЛУГОВЫХ АГРОФИТОЦЕНОЗОВ В УСЛОВИЯХ ТЕХНОГЕННОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПОЧВЕННОГО ПОКРОВА

С.С. Позняк

Аннотация

Проведенные исследования по изучению загрязненности растений, произрастающих в полевых и луговых агрофитоценозах в непосредственной близости от промышленных предприятий, позволили впервые выявить виды и семейства растений, накапливающие в повышенных количествах тяжелые металлы. Установлено, что дикорастущие сорные растения, сформировавшиеся в условиях техногенного воздействия крупного промышленного центра, обладают более высокими адаптационными способностями к приоритетным загрязнителям, по сравнению с культурными растениями.

Ключевые слова: тяжелые металлы; агрофитоценозы; семейства растений; загрязненность; сорные растения; экологическая амплитуда произрастания.

Annotation

Sergey S. Pozniak Research Institute of Environmental Problem of International Sakharov Environmental University, Minsk, Belarus

HEAVY METALS CONCENTRATION IN PLANTS OF FIELD AND POIC AGROPHYTOCENOSES IN CONDITIONS OF ANTHROPOGENIC CONTAMINATION OF SOIL COVER

A conducted study of contamination of plants growing on field and poic agrophytocenoses close to industrial enterprises allowed for the fist time to identify plants species and families accumulating heavy metals in excessive amounts.

In the course of the study it was revealed that:

– wild weeds formed in conditions of anthropogenic effect of large industrial center had higher elasticity to priority pollutants as compared to cultural plants artificially grown;

– a higher concentration of heavy metals in agrophytocenoses plants was found in hydromorphic peat soil of low-lying type that could be related to increased concentration of organic substance in peat as compared to sod-podzol easy loam soil, as well as intensive agricultural activity on lands located close to poultry factory “Octiabrskaya”;

– with anthropogenic contamination by heavy metals an ecological factor of plants elemental content formation became dominant. In the areas of ascertained geochemical abnormalities heavy metals mobility in soil-plant system increased significantly allowing their excessive accumulation in plants;

– distributional patterns of cobalt, tin, lead, nickel, manganese, copper, zink, zirco-nium, and cromium in plants of field and poic agrophytocenoses were revealed. The plants were grouped according to their resistance to heavy metals accumulation;

– for the first time there were revealed species and families of herbal plants accumu-lating heavy metals in maximal and minimal amounts, and those with contrast selective capacity to accumulation of individual elements;

– it was experimentally proved that plants had selective capacity to accumulation of chemical elements. It was revealed that the higher the number of microelements with wide spectrum of concentrations combined in one plant is, the higher an ecological amplitude of this plant grows, and, as a result, the higher its adaptation capacity in conditions of anthropogenic contamination is.

Key words: heavy metals; agrophytocenoses; plants families; wild weeds; ecological amplitude of growing.

Введение

Уровень химического загрязнения почв характеризует степень неблагоприятного воздействия экзогенных химических веществ на здоровье населения. Показателями уровня загрязненности почв являются коэффициент концентрации химического вещества (Кс) и суммарный показатель загрязнения (Zс), который характеризует эффект воздействия ассоциации химических элементов при полиэлементном загрязнении. По суммарному коэффициенту загрязнения разработана оценочная шкала опасности загрязнения почв, в соответствии с которой загрязнение почв делится на четыре категории: допустимое - Zс менее 16, умеренно опасное - 16-32, опасное - 32-128, чрезвычайно опасное - более 128 [1, 2].

В Республике Беларусь эколого-геохимическое изучение городов, включающее исследование и оценку состояния растительности и почв, осуществляли различные научно-исследовательские учреждения: Институт геологических наук (ИГН НАН Беларуси), Институт природопользования НАН Беларуси, Институт экспериментальной ботаники им. В.Ф. Купревича (ИЭБ НАН Беларуси), Белорусский научно-исследовательский центр «Экология» (БелНИЦ «Экология»), Белорусский научно-исследовательский геологоразведочный институт (БелНИГРИ), Центральный ботанический сад НАН Беларуси, Министерство природных ресурсов и охраны окружающей среды Республики Беларусь и ряд других. Биогеохимические исследования растительности в нашей стране были направлены преимущественно на выявление региональных особенностей накопления микроэлементов и оценку их фоновых концентраций.

Результаты исследований агроэкосистем в пригороде г. Минска, проведенных С.Е. Головатым, Н.Д. Волковой, С.В. Савченко, П.Ф. Жигаревым, свидетельствуют, что концентрации Cd, Pb, Zn, Cu и Ni в почвах, многолетних, однолетних и бобовых травостоях в основном выше средних фоновых значений и в отдельных случаях превышают максимально допустимые уровни [3]. В некоторых исследованиях проводилось также изучение закономерностей накопления тяжелых металлов (ТМ) в пойменном разнотравье пригорода Минска [4].

Работы многих исследователей показали, что между химическим составом растений и элементным составом среды существует определенная связь, но прямая зависимость содержания ТМ в растениях от содержания в почве часто нарушается из-за избирательной способности растений к накоплению элементов в необходимом количестве [5]. По-видимому, существует генетический и экологический факторы формирования элементного состава растений. Их приоритетность меняется в зависимости от условий окружающей среды, при техногенном загрязнении экологический фактор становится ведущим [6]. Результаты исследований также свидетельствуют о том, что одни виды растений способны накапливать высокие концентрации ТМ и проявлять устойчивость к ним, в то же время другие растения стремятся снизить поступление ТМ путем максимального использования своих барьерных функций.

Несмотря на различную способность растений к накоплению ТМ, биоаккумуляция известных элементов имеет определенную тенденцию, которая позволяет классифицировать ТМ на несколько групп: первая - элементы интенсивного поглощения (Cd, Cs, Rb); вторая - элементы средней степени поглощения (Zn, Mo, Cu, Pb, As, Co); третья - элементы слабого поглощения (Mn, Ni, Cr) и четвертая - элементы, труднодоступные растениям (Se, Fe, Ba, Te).

Химические элементы, поглощаемые растениями из почвы в разных количествах, играют существенную роль в регулировании биохимических и физиологических процессов в растительном организме. Значение тяжелых металлов для физиологии растений существенно различается. В исследованиях многочисленных авторов приводятся различные значения нормальных концентраций микроэлементов в растениях (табл. 1). Это связано с тем, что установить пределы токсичного содержания конкретного элемента очень трудно, поскольку уровень токсичности ТМ зависит от гранулометрического состава почвы, ее кислотности, влажности, содержания гумуса, соотношения в среде металлов и питательных элементов, вида растения и т.д. [7]. Поскольку токсичные уровни ТМ для разных видов растений существенно различаются, а в практике сельскохозяйственного производства все растения возделываются в севооборотах, то возникает необходимость определения токсичного уровня содержания ТМ в почве и растении на конкретном поле с учетом наиболее чувствительной культуры.

Таблица 1

Пределы колебаний нормальных концентраций элементов в растениях, мг/кг

загрязнение тяжелый металл растительность

Цель исследований заключалась в определении специфики техногенного загрязнения некоторыми тяжелыми металлами растительности полевых и луговых агрофитоценозов в условиях техногенного загрязнения почвенного покрова с учетом видового разнообразия растений.

Материалы и методики исследований

Исследования по определению специфики техногенного загрязнения некоторыми тяжелыми металлами растительности полевых и луговых агрофитоценозов проводились в ходе многолетних наблюдений за состоянием агрофитоценозов и характером происходящих в них изменений в техногенной среде по сравнению с условно чистой территорией.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

– организация сети постоянных пробных площадок агрофитоценозов с учетом их расстояния и направления от промышленного центра, физико-географических и экологических характеристик, а также специфики антропогенного воздействия;

– определение видовых особенностей накопления некоторых тяжелых металлов в растениях полевых и луговых агрофитоценозов с учетом степени техногенной нагрузки;

– оценка степени экологической трансформации растительного покрова агрофитоценозов под воздействием антропогенных нагрузок.

Исходя из поставленных задач, объекты исследований должны иметь ряд критериев, по которым их можно объединить в группы аналогов с целью проведения сравнительного анализа особенностей функционирования в условиях естественной и урбанизированной среды. Сравниваемые агрофитоценозы представлены посевами культурных растений, которые формируются человеком и выращиваются по рекомендуемым интенсивным технологиям в равноценных почвенно-климатических условиях, отличаясь лишь степенью влияния антропогенных факторов.

Для проведения экспериментов по изучению воздействия выбросов поллютантов промышленными предприятиями на растительность полевых и луговых агрофитоценозов был выбран Смолевичский район Минской области, отличающийся высокой степенью техногенной нагрузки. Территория Смолевичского района, примыкающая к наиболее типичному для Республики Беларусь крупному промышленному центру - г. Жодино, является идеальным местом для проведения исследований с целью выявления закономерностей формирования экологической ситуации, которая складывается на сельскохозяйственных угодьях в результате атмосферного выпадения загрязнителей и интенсивной сельскохозяйственной деятельности. Жодино является населенным пунктом областного подчинения, расположен в 50 км от Минска. На 1.01.2005 г. в г. Жодино проживало 60 800 человек. На территории города зарегистрированы и осуществляют производственно-хозяйственную деятельность более 230 субъектов хозяйствования. Наиболее крупные из них: РУПП «Белорусский автомобильный завод» - крупнейшее специализированное предприятие машиностроительной промышленности по выпуску большегрузных автосамосвалов, предназначенных для работы в карьерах открытой добычи полезных ископаемых, а также для работы на строительстве крупных гидротехнических и промышленных сооружений; РУП «Кузнечный завод тяжелых штамповок» - специализированное предприятие по обеспечению заготовками, узлами и деталями предприятий машиностроительного комплекса; ОАО «Світанак», УП завод «Энергоконструкция», Жодинская ТЭЦ, Жодинский хлебозавод, ОАО «Ремиз» и др.

В имеющейся в настоящее время отечественной и зарубежной литературе отсутствуют какие-либо сведения об особенностях и использовании единых методических подходов для оценки химического загрязнения растительности агрофитоценозов на сельскохозяйственных угодьях в зонах воздействия крупных промышленных центров. С целью установления причинно-следственных связей техногенного загрязнения растительности и установления закономерностей формирования существующей экологической ситуации автором организована сеть постоянных пробных площадок с учетом различных условий перераспределения систем с оттоком и аккумулированием загрязнителей в почвах.

Для обоснования сети постоянных пробных площадок и последующего ведения локального мониторинга земель проведена предварительная работа:

– анализ и обобщение имеющихся материалов о природных условиях исследуемой территории;

– сбор информации и анализ данных о промышленных предприятиях г. Жодино как источнике вредного воздействия на прилегающие земли;

– анализ фондовых и литературных данных о характере и составе загрязнителей прилегающих территорий, в том числе санитарно-защитных зон;

– подготовка картографической основы для проведения полевых исследований (на бумажном и электронном носителях).

Сложность указанного этапа заключалась в правильном выборе сети постоянных пробных площадок, местоположение и количество которых позволяло бы дать объективную оценку химического загрязнения агрофитоценозов на прилегающих к промышленному центру сельскохозяйственных угодьях, поскольку пробные площадки должны были отвечать следующим требованиям:

– быть рассредоточенными по всей исследуемой территории;

– находиться в зоне воздействия источников загрязнения;

– являться репрезентативными для данной территории;

– иметь площадь не менее 20 м²;

– быть легко определяемыми на местности и сохраняться неизменными на протяжении всего периода наблюдений.

На выбранных 22 пробных площадках в зоне промышленного загрязнения территории проводились наблюдения за геоботанической структурой фитоценозов, характером и спецификой аккумуляции тяжелых металлов в растительности. Геоботанические исследования растительности агрофитоценозов проводились маршрутно-рекогносцировочным методом. В пределах каждого агрофитоценоза закладывалась пробная площадка площадью 100 м². На каждой площадке проводился комплекс фитоценологических и эколого-геохимических исследований (отбор растительных и почвенных образцов для лабораторных агрохимических, гранулометрических и эколого-геохимических анализов). Отбор проб растений проводили в сухую погоду с 8 до 10 часов утра. Отобранные пробы растений очищали от механических загрязнителей и примесей, промывали водой и высушивали до воздушно-сухого состояния. Воздушно-сухие образцы растительности измельчались в лабораторной мельнице, прессовались в таблетки, которые помещались в пакеты из кальки, маркировались и в дальнейшем анализировались на содержание микроэлементов методом рентгено-флуоресцентного анализа на приборе марки РФА-СЕР-01 производства фирмы ElvaX (Украина) с использованием методики выполнения измерений МВИ. МН 3272-2009, утвержденной Белорусским государственным институтом метрологии [8].