Валовое содержание и концентрация подвижных форм соединений Cu, Zn, Pb, Cd в ризосфере растений г. Семипалатинска


Исследование фракционного состава соединений ТМ в ризосфере растений, произрастающих в условиях реального техногенного загрязнения, имеет важное значение для понимания ее экологических функций.

В работе было изучено валовое содержание и состав подвижных соединений меди, цинка, свинца и кадмия в ризосфере диких видов травянистых (полынь горькая, житняк гребенчатый) и древесных (тополь белый, карагана древовидная) растений в нескольких районах города Семипалатинска: поселок Западный, район цементного и силикатного заводов [12, 96, 98, 100, 102].

Почвы исследуемых территорий относятся к типу светло-каштановых (п. Западный, район цементного завода) и темно-каштановых (район силикатного завода). Физико-химические характеристики исследуемых почв представлены в таблице 32.

Таблица 32

Сравнительная характеристика почв г. Семипалатинска.

Показатель

Темно-каштановые почвы

Светло-каштановые почвы

Углерод, %

1,6-7,1/4,1

2,1-6,7/3,6

Содержание карбонатов, %

Сл. –0,9/0,5

0,4-2,0/1,0

Физическая глина, %

5,0-30,3/10,8

4,4-13,3/8,4

Полуторные оксиды, %

2,0-6,4/3,7

2,4-3,8/3,1

рН водный

7,6-8,0/7,7

7,6-8,1/7,8

ЕКО, мг-экв/100 г почвы

6,4-18,5/10,7

5,8-14,4/8,3

Примечание: В числителе – пределы колебаний, в знаменателе – среднее арифметическое.

Как известно, городские почвогрунты имеют ряд характерных особенностей, отличающих их от зональных почв естественных ландшафтов. Отличия, прежде всего, касаются большого разброса величин химических показателей.

Естественный почвенный покров на большей части территории г. Семипалатинска уничтожен. Согласно классификации Строгановой с соавторами [137], почвы исследуемых районов города мы отнесли к двум классам:
1) урбосветлокаштановые почвы в п. Западный, подвергшиеся преобразованию на глубину до 50 см и сохранившие ненарушенную нижнюю часть профиля; 2) индустриоземы (вблизи цементного и силикатного заводов), в которых произошли значительные хемогенные изменения свойств и строения профиля за счет интенсивного химического загрязнения.

Согласно полученным данным, валовое содержание ТМ в ризосфере исследуемых растений варьировало в зависимости от видовой принадлежности, а также от района исследования.

Так, валовое содержание меди составило (мг/кг): в поселке Западный в зонах ризосферы под травянистыми видами 20,4-22 , под древесными видами - 22,7-23,2, в общей массе почвы – 19,2-20,6; вблизи цементного завода - 25,5-25, 28,8-30,2 и 23-26,3 соответственно; вблизи силикатного завода - 23,7-25,7, 30-30,5 и 22,1-25,6 (приложение 7).

Максимальное валовое содержание меди отмечено в ризосфере древесных видов во всех районах исследования (рис. 20).

п.Западный в районе цементного завода в районе силикатного завода



Рис. 20. Валовое содержание меди в ризосфере растений , мг/кг

В целом, валовое содержание меди во всех исследуемых почвенных фракциях превышало региональный кларк (15,1 мг/кг) в 1,1-2 раза, но было ниже кларка в земной коре (47 мг/кг) в 1,5-2,5 раза и ниже ПДК − в 4,4-6,9 раза.

Пределы колебаний валового цинка составили (мг/кг): в поселке Западный в зонах ризосферы под травянистыми видами – 45,4-45,9, под древесными – 49,4-50,3, в общей почве – 43-46,4; вблизи цементного завода – 64,9-68, 98,6-103,2 и 58,2-82,4 соответственно; вблизи силикатного завода – 76,4-77,5, 108,4-109,3 и 70,6-94,5 (приложение 7).

В ризосфере древесных видов валовое количество цинка было выше по сравнению с травянистыми видами, особенно вблизи предприятий (рис. 21).

п.Западный в районе цементного завода в районе силикатного завода



Рис. 21. Валовое содержание цинка в ризосфере растений, мг/кг

Согласно полученным данным, валовое содержание цинка в почвенных фракциях превышало региональный кларк (35-36 мг/кг) в 1,2-3 раза, превышение кларка в земной коре (83 мг/кг) отмечено только в ризосфере древесных видов и в общей массе почвы вблизи силикатного завода. Относительно ПДК валовое содержание цинка в почвенных фракциях было ниже 2-4,8 раза.

Валовое содержание свинца установлено в следующих пределах (мг/кг): в поселке Западный в зонах ризосферы под травянистыми видами – 27,5-28,2, под древесными – 28,1-28,4, в общей почве – 26-27; вблизи цементного завода – 59,2-59,6, 59,6-60,4 и 58-59,4 соответственно; вблизи силикатного завода – 58,4-58,9, 59,2-59,9 и 57,1-57,2 (приложение 7).

В ризосфере древесных и травянистых растений валовое содержание свинца было практически одинаковым (рис. 22).

п.Западный в районе цементного завода в районе силикатного завода

Рис. 22. Валовое содержание свинца в ризосфере растений , мг/кг

Анализ результатов показал, что валовое содержание свинца в исследуемых почвенных фракциях превышало региональный кларк (15,8-16,8 мг/кг) и кларк в земной коре (16 мг/кг) в 1,7-4 раза. По сравнению с ПДК валовое количество свинца было ниже в 2-5 раз.

Валовое содержание кадмия составило (мг/кг): в п. Западный в зонах ризосферы под травянистыми видами – 0,97-0,99, под древесными – 0,98-1,10, в общей почве – 0,90-0,95; вблизи цементного завода –1,65-1,69, 1,82-1,85 и 1,58-1,78 соответственно; вблизи силикатного завода – 1,63-1,67, 1,73-1,79 и 1,57-1,69 (приложение 7).

В ризосфере древесных и травянистых растений валовое содержание кадмия существенно не отличалось (рис. 23).

п.Западный в районе цементного завода в районе силикатного завода



Рис. 23. Валовое содержание кадмия в ризосфере растений г., мг/кг Валовое количество кадмия в ризосфере и в общей массе почвы превышало региональный кларк (0,2-0,3 мг/кг) в 4-8,9 раза, а кларк в земной коре (0,13 мг/кг) − в 7,6-13,8 раза. Относительно ПДК общее содержание кадмия в почвенных фракциях было ниже в 1,6-9 раз.

На основании вышеизложенных данных необходимо отметить следующее: зоны ризосферы древесных и травянистых растений (собственно ризосфера и почва с поверхности корня) характеризовались практически одинаково валовым содержанием ТМ и достоверной разницы между ними не установлено.

Валовое содержание цинка и меди в ризосфере всех исследуемых видов было достоверно выше относительно общей массы почвы в 1-1,2 раза, тогда как для свинца и кадмия статистически значимой разницы не установлено.

Таким образом, корневая система исследуемых видов растений оказывала несущественное влияние на валовое содержание исследуемых ТМ в ризосфере. Наблюдаемое незначительное его превышение относительно общей массы почвы, по-видимому, объясняется действием сосущей силы корня, которая вызывает массовый поток веществ, в том числе и ТМ, вместе с почвенным раствором. Часть металлов поглощается, а часть остается и тем самым «вносит» вклад в общее содержание ТМ в ризосфере.

Коэффициенты вариации валового содержания ТМ характеризовались низкими значениями − 0,5-6,7 %.

Исследованиями определен количественный состав подвижных форм соединений ТМ, так как валовое содержание ТМ не дает достаточной информации об их доступности растениям.

Так, содержание кислоторастворимой формы меди во всех районах исследования установлено в следующих пределах (мг/кг): 4,0-5,2 (15-23 % от валового содержания) − в почве с поверхности корня, 3,5-4,9 (13,5-22,7 %) − в собственно ризосфере под всеми видами и 3,4-4,0 (12,9-17,7 %) − в общей массе почвы (приложение 8).

Концентрация данной формы меди в ризосфере под травянистыми и древесными видами во всех районах исследования достоверно (Р0,5) превышала ее аналог в общей массе почвы в 1,3 раза (рис. 24).

п.Западный в районе цементного завода в районе силикатного завода



Рис. 24. Содержание кислоторастворимой формы меди в ризосфере растений, мг/кг

В целом, концентрация данной формы меди не превышала ПДК [85] и фоновый уровень во всех исследованных почвенных образцах (приложение 8).

Пределы колебаний кислоторастворимой формы цинка составили (мг/кг): в поселке Западный 4,5-5,1 (9,6-10 % от валового содержания) − в почве с поверхности корня, 4,2-4,8 (9,3-9,7 %) − в собственно ризосфере под всеми видами и 3,4-4,0 (8,6-9,1 %) − в общей массе почвы; в районе цементного и силикатного заводов под травянистыми видами 8-9,6 (11,5-12,9 %) − в почве с поверхности корня, 7,8-9,3 (11,5-12 %) − в собственно ризосфере, под древесными видами – 10,9-12,5 (10,5-11,4 %), 10,6-12,1 (10,3-11,1 %) соответственно, а в общей массе почвы – 5,7-8,4 (7,9-9,8 %) (приложение 8).

Концентрация кислоторастворимой формы цинка в ризосфере растений была выше относительно общей массы почвы в 1,2 раза (Р0,5) в поселке Западный и 1,5 раза (Р0,1-0,01) в районе цементного и силикатного заводов (рис. 25).

Концентрация кислоторастворимой формы цинка во всех почвенных образцах по сравнению с ПДК [85] была ниже в 6-15 раз. Однако установлено превышение фоновых значений для данной формы металла в ризосфере травянистых и древесных видов и в общей массе почвы в 2-3 раза вблизи цементного и силикатного заводов (приложение 8).

п.Западный в районе цементного завода в районе силикатного завода



Рис. 25. Содержание кислоторастворимой формы цинка в ризосфере растений, мг/к

Исследование кислоторастворимой формы свинца показало, что ее содержание изменялось в следующих пределах (мг/кг): в поселке Западный 1,8-2,3 (6,4-8,1 % от валового содержания) − в почве с поверхности корня, 1,6-2,1 (5,8-7,5 %) − в собственно ризосфере под всеми видами и 1,3-1,4 (4,7-5,2 %) − в общей массе почвы; в районе цементного и силикатного заводов 2,4-3,9 (4-7,7 %) − в почве с поверхности корня, 2,3-3,8 (3,9-6,3 %) − в собственно ризосфере под всеми видами и 1,7-2,4 (2,9-5,2 %) − в общей массе почвы (приложение 8).

Содержание кислоторастворимой формы свинца в ризосфере достоверно (Р05) превышало содержание данной формы в общей массе почвы в 1,5 раза под травянистыми и древесными видами, произрастающими вблизи предприятий (рис. 26).

п.Западный в районе цементного завода в районе силикатного завода

Рис. 26. Содержание кислоторастворимой формы свинца в ризосфере растений, мг/кг

Превышение концентрации кислоторастворимой формы свинца относительно фона в 1,5-2 раза отмечено в ризосфере растений и общей массе почвы в районе цементного и силикатного (приложение 8).

Содержание кислоторастворимой формы кадмия составило (мг/кг): в поселке Западный 0,31-0,32 (29,1-31,3 % от валового содержания) − в почве с поверхности корня, 0,30-0,31 (29,6-31,3 %) − в собственно ризосфере под всеми видами и 0,24 (26,7-33,8 %) − в общей массе почвы; в районе цементного и силикатного заводов под травянистыми видами 0,46-0,49 (28-29,3 %) − в почве с поверхности корня, 0,44-0,47 (27,2-28,5 %) − в собственно ризосфере, под древесными видами – 0,57-0,63 (31,5-34 %), 0,56-0,60 (30,8-34,7 %) соответственно, а в общей массе почвы – 0,33-0,37 (20,9-21,9 %) (приложение 8).

Повышение концентрации кислоторастворимой формы соединений кадмия в ризосфере травянистых и древесных растений относительно общей массы почвы было статистически недостоверно во всех районах исследования (рис. 27).

п.Западный в районе цементного завода в районе силикатного завода

Рис. 27. Содержание кислоторастворимой формы соединений кадмия в ризосфере растений, мг/кг

Как показали результаты исследований, в ризосфере всех видов растений в районе цементного и силикатного заводов концентрация кислоторастворимой формы кадмия превышала фоновые показатели в 2-3 раза, а в общей массе почвы – в 1,5-2 раза (приложение 8).

Значения коэффициентов вариации кислоторастворимой формы ТМ в почвенных фракциях изменялись в следующих пределах (%): для меди − 4-6,4; для цинка − 1,0-5,5; для свинца − 4-10; для кадмия − 1,7-6,9.

Согласно результатам анализа, содержание обменной формы меди изменялось в следующих пределах (мг/кг): в поселке Западный 2,4-2,7 (10,5-11,7 % от валового содержания) − в почве с поверхности корня, 1,9-2,5 (8,8-11 %) − в собственно ризосфере под всеми видами и 1,8-1,9 (9,3 %) − в общей массе почвы; в районе цементного и силикатного заводов под травянистыми видами 2,2-2,8 (8,6-11,2 %) − в почве с поверхности корня, 2,1-2,6 (8,4-10,8 %) − в собственно ризосфере, под древесными видами – 4,4-4,6 (14,4-15,6 %), 3,8-3,9 (12,7-13,7 %) соответственно, а в общей массе почвы – 1,8-2,6 (8,1-10,2 %) (приложение 9).

В ризосфере древесных растений и в общей массе почвы вблизи цементного и силикатного заводов концентрация данной формы меди была выше в 6 раз по сравнению с ПДК [192] и в 3 раза по сравнению с фоновыми показателями (приложение 9).

Достоверное (Р0,5) повышение содержания обменной формы меди в ризосфере в 1,5 раза по сравнению с общей массой почвы установлено только под древесными видами и полынью горькой, произрастающими вблизи предприятий (рис. 28).

п.Западный в районе цементного завода в районе силикатного завода

Рис. 28. Содержание обменной формы соединений меди в ризосфере растений, мг/кг

Исследованием установлено, что пределы колебаний концентрации обменной формы цинка составили (мг/кг): в поселке Западный 2,9-3,3 (6,2-6,5 % от валового содержания) − в почве с поверхности корня, 2,8-3,0 (6,1-6,3 %) − в собственно ризосфере под всеми видами и 2,5-2,7 (5,8 %) − в общей массе почвы; в районе цементного и силикатного заводов под травянистыми видами 5,5-6,7 (8,1-8,8 %) − в почве с поверхности корня, 5,3-6,3 (7,9-8,3 %) − в собственно ризосфере, под древесными видами – 6,0-6,9 (6,1-6,3 %), 5,8-6,5 (5,9-6,1 %) соответственно, а в общей массе почвы – 4,1-5,4 (5,8-7 %) (приложение 9).

Увеличение концентрации обменных соединений цинка в ризосфере относительно общей массы почвы было достоверным (Р0,5) только под древесными видами в п. Западном, а также под всеми видами, произрастающими вблизи предприятий, и составило 1,2 раза (рис. 29).

п.Западный в районе цементного завода в районе силикатного завода

Рис. 29. Содержание обменной формы соединений цинка в ризосфере растений, мг/кг