ИЗУЧЕНИЕ КОРНЕЙ ТОПОЛЯ БАЛЬЗАМИЧЕСКОГО (POPULUS

Вестник Челябинского государственного университета. 2013. № 7 (298).
Биология. Вып. 2. С. 168–172.
Р. Х. Гиниятуллин
ИЗУЧЕНИЕ КОРНЕЙ ТОПОЛЯ БАЛЬЗАМИЧЕСКОГО
(POPULUS BALSAMIFERA L.)
ПО ПОЧВЕННОМУ ПРОФИЛЮ
Приводятся данные по фракциональному составу корневой системы тополя бальзамического
в ­условиях Стерлитамакского промышленного центра и в зоне условного контроля. Установлено, что
в условиях загрязнения на глубине до 10 см под влиянием металлов происходит снижение доли поглощающих корней тополя бальзамического по сравнению с контролем.
Ключевые слова: тополь бальзамический, Стерлитамакский промышленный центр, поглощающие
корни, тяжёлые металлы.
Введение. Аккумуляция элементов техногенного происхождения в почвенном профиле определяется совокупным влиянием ряда процессов,
важнейшими из которых являются поступление
веществ с атмосферными осадками и пылью, адсорбция промышленных газов почвой, аккумуляция избыточных количеств элементов в растениях и поступление в почву с опадом, дополнительное накопление их в подстилке за счёт замедленной её трансформации [1]. Возрастающие
дозы тяжёлых металлов в почве вызывают у
растений в первую очередь замедление роста
[2; 3]. Поступление тяжёлых металлов в растения во многом зависит от их концентрации в почве. Из корней металлы транспортируются в вышерасположенные органы по сосудам ксилемы
с транспортирующим током [4; 5].
В условиях полиметаллического загрязнения Стерлитамакского промышленного центра (СПЦ), тополевые насаждения находятся под влиянием техногенного воздействия.
Показателем, характеризующим загрязненность
атмосферы и почвы тяжёлыми металлами, является наличие их в почвах и корнях под пологом
насаждений тополя бальзамического (Рopulus
balsamifera L.).
Цель. Изучение особенностей формирования
корневой системы тополя бальзамического и содержания тяжёлых металлов в подземных частях
растений.
Материалы и методы. Исследования проводились в тополевых древостоях, расположенных
вблизи от источников загрязнения и в зоне условного контроля. Исследования корневых систем
тополя бальзамического в СПЦ и в зоне условного контроля проводили методом количественного
учёта — методом монолитов [7].
Траншеи (почвенные разрезы) на пробных площадях закладывали перпендикулярно направлению роста горизонтальных корней на расстоянии
70 см от ствола. Все почвенные разрезы имели
одинаковые размеры 1×1 м.
Отбор и подготовка к анализу почвенных
и растительных образцов осуществляли по общепринятым методам [8]. Содержание металлов
в корнях определялось методом атомно-абсорбционного анализа (ААС — Zenit — 650).
Результаты и обсуждение. Корненасыщенность
метрового слоя почвы в условиях СПЦ составляет 3 678,3 г/м2, а в зоне условного контроля —
2 543 г/м2. Максимальная корненасыщенность почвы в условиях СПЦ отмечается на глубине 10–
20 см, где сосредоточено 19 % всех корней тополя
(708,3 г/м2), а в контроле — на глубине 20–30 см,
где сосредоточено 30,6 % всех корней (780,5 г/м2).
Минимальная корненасыщенность почвы характерна для следующих глубин: СПЦ — 90–100 см
(89,4 г/м2, 2,4 %), контроль — 80–90 см (62,0 г/м2,
2,4 %), 90–100 см (39,7 г/м2, 1,5 %). В зоне условного контроля основная масса корней сосредоточена в верхних горизонтах почвы. Так, в толще
почвы 0–40 см сосредоточено 78,8 %, а в условиях загрязнения основная масса корней сосредоточена на глубине 10–60 см (72,1 % массы корневой системы тополя). Сравнение насыщенности
почвы корнями показывает, что в условиях СПЦ
насыщенность верхнего слоя почвы (0–30 см) корнями ниже, чем в зоне условного контроля. В более глубоких слоях (30–100 см) отмечается противоположная картина.
Тяжёлые металлы, поступая в почву, накапливаются в приповерхностном слое почвы 0–10 (20) см,
где они присутствуют в форме обменных ионов,
входят в состав гумусовых веществ, карбона-
169
Изучение корней тополя бальзамического (Populus Balsamifera L.) по почвенному профилю...
тов, оксидов алюминия, железа и марганца [9].
Высокобуферные карбонатные горизонты фиксируют до 90 % поступающих тяжёлых металлов в
слое 10–20 см. В слабокислых почвах миграция
металлов наблюдается до глубин 40 см [10].
Выявлено, что в условиях СПЦ в почвах на
глубине 0–10 см под насаждениями тополя содержание Cu, Mn, Cd, Pb значительно выше, чем
на глубине 30–50 см. В условиях полиметаллического загрязнения СПЦ в слое почвы 0–10 см
содержание Cu (в 11,9 раза), Cd (в 127,5 раза), Pb
(в 7,28 раза), Ni (в 5,1 раза) выше, чем в условиях
контроля (табл. 1).
В условиях СПЦ выявлено повышенное содержание тяжёлых металлов в слое почвы 0–10 см,
что приводит к снижению доли корней тополя.
В тонких корнях тополя бальзамического диаметром до 1 мм, 1–3 мм и более 3 мм определялось
накопление тяжёлых металлов. Корни до 1 мм относили к деятельным и условно деятельным (сосущие), 1–3 мм — к полускелетным (проводящие), более 3 мм — к скелетным (проводящие)
[11]. Наиболее повышенная концентрация Cd,
Pb, Ni наблюдается в корнях диаметром 1–3 мм.
В условиях СПЦ содержание Cd в 12,2 раза, Pb
в 8,3 раза, Ni в 7,5 раза больше, чем в зоне условного контроля (рис. 2, 3, 5). Следует отметить, что
в условиях СПЦ тяжёлые металлы в корнях содержатся в концентрациях, превышающих норму.
Несколько иная картина наблюдается в корнях
тополя бальзамического при накоплении Cu и Mn
(рис. 1 и 4). Выявлены следующие особенности
аккумуляции Cu и Mn в тонких корнях. В условиях СПЦ в корнях избыточных концентраций
Cu и Mn не зафиксировано. В течение вегетации больших различий в накоплении Cu и Mn во
фракциях корней в условиях СПЦ и в контроле не
обнаружено. Причем в условиях СПЦ и в зоне условного контроля наибольшее количество Mn накапливается в корнях диаметром более 3 мм, а Cu
накапливается в корнях диаметром менее 1 мм.
Концентрация Cu в корнях диаметром менее 1 мм
в 1,5 раза выше, чем во фракциях 1–3 мм и более
3 мм. Более высокое содержание Cu в корнях диаметром до 1 мм объясняется тем, что в эту фракцию вошли все физиологически активные корни.
Наибольшая концентрация Cd, Pb, Ni характерна
для корней до 1 мм и для полускелетных диаметром 1–3 мм. Содержание Mn больше в проводящих корнях диаметром 3 мм.
Из полученных результатов следует, что в условиях полиметаллического загрязнения, избыточное содержание Cd, Pb, Ni в почве на глубине
0–10 (20) см снижает образование тонких корней
тополя бальзамического.
Данный факт согласуется с результатами, полученными В. Д. Веселкиным [12] и В. Т. Ярмишко
[13]. Глубокое залегание корней всех фракций и
их интенсивное отмирание в верхних слоях почвы под воздействием выбросов металлургического предприятия было описано у сосны обыкновенной [14].
В условиях СПЦ наблюдаются изменения во
фракционном составе корней. Отмечается сниТаблица 1
Содержание металлов в почвах под насаждениями тополя бальзамического, мг/кг
Глубина, см
СПЦ
Контроль
Cu
Cd
Pb
Mn
Ni
Cu
Cd
Pb
Mn
Ni
0–10
298
5,1
18,2
536
120
25,4
0,04
2,5
1 540
23,5
10–20
210
2,1
15,4
515
80
20
0,02
2,0
1 386
32
20–30
180
1,4
10,1
480
50
22
0,01
0,38
1 284
29
30–40
195
0,04
2,0
318
55,3
33,6
0,02
0,55
1 036
30,2
40–50
245
0,02
0,69
620
45
25
0,06
0,15
920
43
50–60
236
0,18
0,93
344
166
21
0,01
0,29
1 260
50
60–70
220
1,25
2,39
518
112
18
0,54
0,32
1 601
46,1
70–80
135
1,5
8,7
501
30
16
0,05
0,45
1 241
43
80–90
162
4,25
6,4
210
24
17
1,64,
0,90
1 060
37
90–100
170
5,6
3,8
208
18
24
2,54
0,19
1 012
34
170
Р. Х. Гиниятуллин
30
30
25
25
20
20
СПЦ
СПЦ
15
15
Контроль
Контроль
10
10
55
00
<< 11 мм
мм
1–3мм
мм
1-3
> 3
мм
> 3 мм
Рис. 1. Содержание Cu (мг/кг) в корнях тополя бальзамического
в условиях полиметаллического загрязнения СПЦ в зоне условного контроля
66
55
44
СПЦ
СПЦ
33
Контроль
Контроль
22
11
00
< 11мм
мм
1-3
1–3мм
мм
> 3 мм
> 3
мм
Рис. 2. Содержание Cd (мг/кг) в корнях тополя бальзамического
в условиях полиметаллического загрязнения СПЦ в зоне условного контроля
60
60
50
50
40
40
СПЦ
СПЦ
30
30
Контроль
Контроль
20
20
10
10
00
<< 11мм
мм
1–3мм
мм
1-3
> 3
мм
> 3 мм
Рис. 3. Содержание Pb (мг/кг) в корнях тополя бальзамического
в условиях полиметаллического загрязнения СПЦ в зоне условного контроля
171
Изучение корней тополя бальзамического (Populus Balsamifera L.) по почвенному профилю...
300
300
250
250
200
200
СПЦ
СПЦ
150
150
Контроль
Контроль
100
100
50
50
00
<< 11 мм
мм
1–3мм
мм
1-3
мм
>> 3
3 мм
Рис. 4. Содержание Mn (мг/кг) в корнях тополя бальзамического
в условиях полиметаллического загрязнения СПЦ в зоне условного контроля
80
80
70
70
60
60
50
50
40
40
СПЦ
СПЦ
30
30
Контроль
Контроль
20
20
10
10
00
<< 11 мм
мм
1–3мм
мм
1-3
> 3
мм
> 3 мм
Рис. 5 Содержание Ni (мг/кг) в корнях тополя бальзамического
в условиях полиметаллического загрязнения СПЦ в зоне условного контроля
жение доли поглощающих корней в 2 раза. В условиях полиметаллического загрязнения на эту
фракцию приходится в среднем 17,09 %, а в контроле 35,20 %. В то же время доля полускелетных
корней уменьшается и составляет 17,71 % всей
массы корневой системы, а в контроле — 32,85 %.
В условиях полиметаллического загрязнения
СПЦ основная масса корней — 65,20 %, приходится на скелетную составляющую, а в зоне
услов­ного контроля — 31,95 % (табл. 2).
Выводы и заключение. Таким образом, можно
заключить, что в условиях полиметаллического
загрязнения СПЦ, происходит увеличение доли
скелетных корней в общей массе корневой системы по сравнению с контролем. Снижение доли
поглощающих и полускелетных корней на глуби-
не 0–10 см, видимо, связано с повышенным содержанием тяжёлых металлов и с их токсичностью.
В зоне условного контроля основное количество выходов корней всех фракций обнаруживаются в верхних слоях почвы. Характер распределения корней по профилю почвы зависит, прежде
всего, от уровня загрязнения.
В условиях полиметаллического загрязнения
СПЦ при загрязнении почвы тяжёлыми металлами, отмечено снижение доли поглощающих
(диаметром менее 1 мм) и полускелетных (проводящие 1–3 мм) корней тополя бальзамического. Высокое содержание Cd, Pb, Ni в корнях и почвах под насаждениями тополя бальзамического
в СПЦ негативно отражается на росте и развитии
поглощающих и полускелетных корней.
172
Р. Х. Гиниятуллин
Таблица 2
Фракционный состав корневой системы тополя бальзамического
в условиях СПЦ и в зоне условного контроля
Доля каждой фракции в общей массе корней, %
Глубина, см
СПЦ
Контроль
< 1 мм
1–3 мм
> 3 мм
< 1 мм
1–3 мм
> 3 мм
0–10
8,45
7,45
84,1
16,23
19,67
64,1
10–20
10,75
11,02
78,23
14,12
13,65
72,23
20–30
14,2
13,23
72,57
13,67
10,20
76,13
30–40
15,6
16,7
67,7
35,10
25,70
39,2
40–50
17,06
19,50
63,44
35,92
26,61
37,47
50–60
13,07
15,93
71,00
50,7
43,33
5,97
60–70
19,83
21,02
59,15
42,28
44,71
13,01
70–80
28,02
30,10
41,89
43,55
49,43
7,02
80–90
23,36
26,08
50,56
50,02
47,15
2,83
90–100
20,09
16,15
63,76
50,08
48,07
1,89
Среднее значение
17,09
17,71
65,20
35,20
32,85
31,95
Список литературы
1. Влияние атмосферного загрязнения на свойства почв / под ред. Л. А. Гришиной. М. : Изд-во
Моск. ун-та, 1990. 2005. 191 с.
2. Мельничук, Ю. П. Влияние ионов калия на
клеточное деление и рост растений. Киев : Наукова думка, 1990. 148 с.
3. Yang, Y. Y. Identification of size varieties with
tolerance or sensitivity to lead and characterizations
of the mechanism of tolerance / Y. Y. Yang, J. Y. Jung,
W.-Y. Song [etc.] // Plant physiol. 2000. Vol. 124.
P. 1019–1026.
4. Salt, D. E. Mg ATP — dependent transport
of phitochelatins across the tonoplast of out roots /
D. E. Salt, W. E. Rauser // Plant phisiol. 1995. Vol.
107. P. 1293–1301.
5. Hart, J. J. Characterization of cadmium Binding
update and translocation in tact seeding of bread
and durum wheat cultivars / J. J. Hart, R. M. Welch,
W. A. Norvell [etc.] // Plant phisiol. 1998. Vol. 116.
P. 1413–1420.
6. Красильников, П. К. Методика полевого
изучения подземных частей растений (с учетом
специфики ресурсоведческих исследований). Л. :
Наука, 1983. 208 с.
7. Рахтеенко, И. Н. Комплексный метод исследования корневых систем растений / И. Н. Рахтеенко, Б. И. Якушев // Методы изучения продуктивности корневых систем и организмов ризосферы. Л. : Наука, 1968. С. 174–178.
8. Методика количественного химического
анализа. Определение As, Cd, Co, Cr, Cu, Hd, Mn,
Ni, Pb, Sb, Sn, Tn (кислотно-растворимые формы)
в почвах и данных отложениях атомно-адсорбционным методом. СПб., 2005. 12 с.
9. Хазиев, Ф. Х. Экотоксиканты в почвах Башкортостана / Ф. Х. Хазиев, Ф. Я. Багаутдинов,
А. З. Са­хабутдинова. Уфа : Гилем, 2000. 62 с.
10. Садовникова, Л. К. Показатели загрязнения
почв тяжёлыми металлами и неметаллами в почвенно-химическом мониторинге / Л. К. Садовникова, Н. Т. Зырин // Почвоведение. 1985. № 10.
С. 84–89.
11. Рахтеенко, И. Н. Корневые системы древесных и кустарниковых пород. М. : Гослесбумиздат,
1952. 106 с.
12. Веселкин, Д. В. Распределение тонких корней хвойных деревьев по почвенному профилю в
условиях загрязнения выбросами медиплавильного производства // Экология. 2002. № 4. С. 250–
253.
13. Ярмишко, В. Т. Особенности развития корневых систем сосны // Влияние промышленного атмосферного загрязнения на сосновые леса
Кольского полуострова / под ред. Б. Н. Норина,
В. Т. Ярмишко. Л., 1990. С. 84–94.
14. Ставрова, Н. И. Влияние атмосферного загрязнения на возобновление хвойных пород //
Лесные экосистемы и атмосферные загрязнения.
Л. : Наука, 1990. С. 121–144.