Влияние кислотных осадков на злаковые растения

Тема: Влияние кислотных осадков на зерновые культуры.
Введение.
В последние годы в областях Нечерноземной зоны садоводства Центральной
части России плодовые насаждения были подвергнуты массовому поражению
неизвестной этиологии. Симптомы поражения появлялись в конце мая - начале
июня, как правило, после выпадения дождей, в виде некротических и ожоговых
повреждений листьев. К концу июня деревья в садах потеряли от 60 до 80-90 %
листовой поверхности. Поражением в отдельных областях было охвачено до 80 %
площадей садов. Высказано предположение, что в экологических катастрофах
имели место факторы техногенного загрязнения с одновременным воздействием
погодных аномалий. Однако, конкретная информация, на основе которой можно
было бы с определенной достоверностью, установить причины массового
поражения растений
сравнимых
со
отсутствует. Вполне вероятны повторения аналогичных,
стихийными
бедствиями
ситуаций.
Поэтому
необходимы
целенаправленные комплексные исследования по достоверному выявлению
причин массовых поражений растений и обоснованию предположений по
снижению отрицательных последствий наблюдавшихся аномалий.
положений
В числе
такого комплекса исследований, в частности, должен быть
постоянный контроль над содержанием вредных веществ в окружающей среде.
Цель работы: изучить влияние выпадающих кислотных осадков
на зерновые
культуры.
В задачу исследований входит:
1. Определение порога чувствительности ассимиляционной поверхности листьев
зерновых
злаков
к
выпадающим
кислотным
осадкам,
как
возможным
абиотическим факторам.
2. Выявить влияние концентраций выпадающих кислотных осадков на: скорость
роста, наступление фенофаз, репродуктивную способность зерновых культур.
Литературный обзор.
Интенсивное развитие хозяйственной деятельности человека привело к
глобальному загрязнению окружающей среды продуктами токсичными для человека¸ животных и растений. Отрицательное воздействие на растения оказывают
практически все элементы, составляющие выбросы промышленных предприятий,
однако, наибольшего влияния заслуживают так называемые приоритетные
вещества: окислы серы,
тяжелые металлы, окись углерода. Среди указанных
выше веществ наибольшую опасность для растений представляют выбросы в
атмосферу двуокиси серы, образующиеся в продуктах сгорания угля. Ежегодно
100 млн. тонн SO2 выбрасывается в атмосферу и переносится ветрами,
господствующими над Европой. С запада на территорию Центральных областей
Европейской части России ежегодно поступает из атмосферы 4 млн. тонн серной
кислоты. Эта тенденция, возможно, будет устойчивой в течение ближайших
десятилетий, что вызовет сильное загрязнение воздуха серой и может привести к
возникновению критической ситуации за счет воздействия кислотных осадков на
окружающую среду. Одной из широко обсуждаемых проблем является образование кислотных соединений в результате химических превращений с участием
двуокиси серы, происходящих во время их переноса в атмосфере. Последующие
процессы вымывания загрязняющих веществ из атмосферного воздуха осадками
приводит к поступлению кислотных соединений с дождевыми каплями,
имеющими низкое pH, на поверхность Земли, что ведет к образованию серной
кислоты. Значительное количество загрязняющих веществ по мере выпадения их
из атмосферы осаждается на растительность. Затем они проникают в растения и
их внутриклеточное пространство, где адсорбируются клетками растения и могут
взаимодействовать с компонентами клетки. Только после завершения этих
процессов можно выявить токсичность загрязняющего вещества.
Практически каждый вид растений имеет некоторое число индивидуумов,
которые являются толерантными по отношению к загрязнению воздуха. В то же
время некоторые растения внутри одного вида настолько чувствительны к
загрязнению воздуха, что повреждаются загрязняющими веществами, даже если
их концентрация лишь незначительно превышает фоновую. Подавляющее
большинство видов растений обладает различными защитными средствами и
использует их, хотя растения не находится при этом в совершенно здоровом
состоянии.
Кислотные осадки вызывают потерю нормального цвета листвы,
некроз тканей растения. Степень повреждения может быть классифицирована как
слабая, сильная или очень сильная. По мнению Т.В. Николаевский, которая в
лабораторных условиях изучала чувствительность 25 видов растений к
сернистому газу, этот газ вызывает разрушение мембран клетки, повышение
скорости потери воды при завядании листьев, замедление фотосинтеза. К
аналогичным выводам пришли и другие авторы. При высоком уровне SO2 в
атмосфере, у растений наблюдается повреждение устьичного аппарата, некроз
листьев, пониженное содержание хлорофилла.
Перехват и удержание атмосферных частиц растениями происходит самыми
различными способами и в основном зависят от: 1. Размера, формы, влажности,
текстуры поверхности частиц. 2. Размера, форы, влажности и текстуры
поверхности улавливающего органа растения.
Большая шероховатая поверхность листьев увеличивает % улавливания
частиц размером менее 5 мкм в диаметре. Растения с гладкими листьями менее
эффективные улавливатели, чем культуры с шероховатыми листьями. Одни и те
же концентрации одного и того же вещества могут вызвать острые повреждения
(некроз)
у очень
чувствительных
видов,
замедление
роста
у менее
чувствительных. У хлебных злаков: пшеницы и ячменя урожайность и масса
зерна снижаются даже в тех случаях, когда действием SО2 затронуты только
осевые волоски. Имеются данные о замедлении роста и уменьшении массы сухого
вещества проростков и о значительном снижении урожайности райграса. Есть
описание снижения урожайности до 51% от контрольного значения без появления
заметных признаков некроза. Обнаружено уменьшение массы сухого вещества
ростков до 40% у ежи сборной. Разработана технология измерения влияния SО2 на
проростки овса и обнаружено, что при воздействии различных концентраций
скорость их роста замедляется без появления каких либо видимых симптомов.
Некоторые авторы исследовали не только чувствительность
листьев, но и
продуктивность многих видов растений после воздействия SО2. Они установили,
что снижение урожайности некоррелирует с процентом площади пораженных
некрозом листьев. На восприимчивость растений влияет не только концентрация,
продолжительность и частота экспозиции, но и устойчивость растений к
воздействию того или иного загрязняющего вещества, которое в свою очередь
зависит от внутренних и внешних факторов.
устойчивости
Исследования причин и критериев
растений к загрязнению воздуха показали наличие важной
взаимосвязи между устойчивостью к загрязнению воздуха и засухой. Более того,
на процессы осаждения SО2 на растительность влияют некоторые внешние
факторы,
многие
пространственные
сопротивление.
из
которых
изменения.
претерпевают
Особый
интерес
суточные,
сезонные
представляет
и
устьичное
На устойчивость растений влияет возраст и стадия развития
различных органов растений. Так обнаружено, что чувствительность хлебных
злаков к SО2 особенно высока на некоторых критических стадиях развития:
стадия трех листьев и период перед цветением. Чувствительность всего растения
определялась чувствительностью последующих листьев, так как каждый следующий лист устойчивее предыдущего. У травянистых растений критическая
фаза для всего растения наблюдается между цветением и началом созревания. Что
касается чувствительности листьев к SО2, считается, что очень молодые, еще не
полностью сформировавшиеся листья относительно устойчивы, а полностью
сформировавшиеся – очень чувствительны, в то время, как старые листья
малочувствительны. Однако, чувствительность в большей степени зависит от
концентрации загрязняющего вещества. При длительном воздействии низких
концентраций SО2 старые листья поражаются обычно раньше молодых, хотя
имеют более низкую активность и аккумулируют меньше SО2. У многолетних
растений периоды чувствительности к загрязнению SО2 зависят от стадии
развития. Кроме сезонных изменений чувствительности, которые соответствуют
изменениям
физиологической активности листьев, существуют изменения
чувствительности, в зависимости от возраста. Молодые листья молодых растений
физиологически более активны, накапливают больше серы, но более устойчивы к
ней, чем молодые листья старых растений. Более того, в течение развития побегов
чувствительность листьев меняется с возрастом, так как
за одним листом
распускается другой и молодые листья с увеличением возраста растения
становятся все более чувствительнее. Многочисленные наблюдения показали, что
развитие к чувствительности к SО2 часто связаны с поглощением загрязнителя и с
диффузным сопротивлением листа.
Объект и методы исследования.
Реакции растений на воздействия кислотных выпадений весьма разнообразны
и зависят от целого ряда факторов, в числе которых
морфоанатомическое
строение листового аппарата играет немаловажную роль. В наших экспериментах
были использованы следующие зерновые культуры – пшеница, рожь и ячмень.
Опыты проводили как в лабораторных (тепличных), так и в полевых условиях
(данный
участок
Тульской
области).
Опыты
с
зерновыми
культурами
проводились на проростках (фаза 2-х листьев) пшеницы (сорт Мироновская 808),
ячменя (сорт Ауксиняй 3) и ржи (сорт Чулпан), выращенных в вазонах по 0,3 кг
почвы. В качестве искусственного кислотного дождя использовался водный
раствор серной кислоты (pH 1,2; 3,2; 4,2). Так же применяли растворы серной
кислоты с концентрациями 0,5; 1; 5; 10; 20; 50 %. Для контроля использовалась
чистая дистиллированная вода. Растения опрыскивали опытным раствором в фазе
2-х листьев из расчета 5 мл на 50 растений. Учет проводили через 3, 5, 10 суток.
Измеряли длину 1-го и 2-го листа и наличие (или отсутствие) ожоговых пятен на
ассимиляционной поверхности листа. В полевых условиях поставленная задача
решалась 1х 2 с теми же культурами (пшеница, рожь, ячмень), обработанными в
фазу кущения растворами серной кислоты (pH 1,2; 3,2; 4,2) при расходе жидкости
0,3 литра на делянку. Наблюдения проводили через 7 и 15 дней. Учитывали
наличие признаков поражения (ожоговых пятен) и общее состояние растений.
Воздействие осадков на урожай определяли путем взвешивания массы зерна и
соломы на контрольных и опытных делянках. Метод визуальной оценки
состояния посевов культур, используемый в работе, по нашему мнению пригоден
для выполнения поставленной задачи.
Результаты исследований.
На первом этапе исследований были запланированы эксперименты, результаты
которых
позволят
определить
порог
чувствительности
ассимиляционной
поверхности листьев различных видов зерновых культур к выпадающим
кислотным осадкам. Для этого был проведен опыт с проростками зерновых
культур, выращенных в вазонах, которые подвергали опрыскиванию растворами
серной кислоты различной концентрации.
Как показали результаты наших
исследований (таблица 1 и 2), однократное нанесение на листья растворов до 10%
концентрации можно серной кислоты не влияет на рост и развитие зерновых
культур. Мелкие ожоговые пятна на первых двух листьях (до 40% всей
ассимиляционной поверхности) не ускоряют естественного отмирания и не
влияют на появление и развитие последующих листьев.
Содержание кислоты в
наносимом растворе от 20 до 50% вызывает от 50 до 90% гибель всходов.
Результаты наших экспериментов так же показали, что в ряду изучаемых культур
ячмень наиболее устойчив к воздействию кислотных осадков по сравнению с
пшеницей и рожью. Аналогичные результаты получены в полевом опыте (таблица
3 и 4). Растения пшеницы, ячменя и ржи, опрыснутые в фазе кущения водными
растворами серной кислоты (pH 1,2; 3,2; 4,2), практически не пострадали от
воздействия
кислотными
осадками
указанных
концентраций.
Наличие
множественных ожоговых пятен на ассимиляционной поверхности листьев,
конечно, повлияло на физиологические процессы (которые мы не имели
возможности зафиксировать), но наступление последующих фенофаз не было
заторможено или ускорено и дальнейший рост и развитие растений протекали на
одном уровне с контрольными. Потерь урожая на опытных делянках, а так же
изменения массы 1000 зерен (одного из основных показателей полноценности
зерна) не отмечено (таблица3 и 4).
Заключение
Наблюдаемое в последние годы
поражение сельскохозяйственных культур
неизвестной этиологии, возможно не оставило видимых серьезных последствий,
но нет гарантии, что это не повторится. Техногенный процесс на биосферу,
обусловленный хозяйственной деятельностью человека, может вызвать аномалии,
размеры которых будут постоянно расти, по мере увеличения масштабов и
интенсификации хозяйственной деятельности человека. Изучение возникающей
ситуации и умение противодействовать негативному развитию загрязнения среды
является одной из главных задач на современном этапе. Наиболее опасными
фитотоксичными
агентами
неконтролируемого
техногенного
загрязнения
являются кислотные осадки. Возможно усиление (синергизм) отрицательного
влияния на растения при их сочетанном воздействии. Изучение поведения
кислотных осадков в конкретных агроклиматических условиях актуально потому,
что являются наиболее вероятными причинами поражения больших массивов,
территорий сельскохозяйственного использования. Эксперименты показали, что
чувствительных зерновых культур к кислотным осадкам в агроклиматических
условиях Тульской области находится в непосредственной зависимости от pH
кислотного раствора, фазы развития, физиологических особенностей растений и
климатических условий сезона. Опрыскивание раствором серной кислоты
культурных злаков показало, что кислотные осадки pH 1,2; 3,2 сами по себе
заметных
физиологических
изменений
у растений
не
вызывали.
Более
выраженных отклонений от нормы, чем некрозы межжилковых зон или краев
листьев в наших экспериментах не наблюдалось. На скорость роста, наступление
фенофаз и репродуктивную способность очевидного влияния кислотные осадки в
изучаемых концентрациях не оказали. Возможны изменения во внутренних
физиологических процессах растительных органах, которые мы не имели
возможности учесть. Полученные результаты характерны для условий сильной
влажности, так как этот год отличался большим количеством осадков. Вполне
вероятно, что в условиях засушливого вегетационного сезона результаты будут
другими. Планируется повторение этих экспериментов на следующий год, для
подтверждения полученных результатов.
Список литературы.
1. Протокол и решение заседания Межведомственной комиссии, образованной
распоряжением совета министров РСФСР от 25.07.1990г. № 401 р.5.08091.
Россельхозакадемия.
2. Экологические
причины
поражения
садов
и
комплекс
мер
по
восстановлению потенциала их продуктивности. 1990г. г. Мичуринск
3. Ансеров Ю.М., Дурнев В.Д. Машиностроение и охрана окружающей среды.
Л. Машиностроение, 2001г.
4. Ужов В.Н., Вальдберг. Очистка промышленных газов от пыли –М: Химия,
2006г.
5. Янди К. Смог над городом (перевод с венгерского) М., Стройиздат, 2007
6. Лапко Г.М., Бочкарева Т.В. Проблемы качества городсткой среды. М.
«Наука 1989»
7. Благолевская З.К., Юркин С.П. Потери элементов питания в интенсивном
земледелии и охрана окружающей среды. ВНИИТ 2000.
8. Горышкина Г.К. Экология растений. Высшая школа, 2003г.
9. Майкл Грешоу. Загрязнение воздуха и жизнь растений. Ленинград.
Гидролиноиздат, 1988.
10.Николаевская Г.В. Влияние промышленных газов на некоторые физиологобиохомические процессы растений. Состояние и перспективы развития.
Тезисы доклада. А.Н.УССР Киев 1990.
Таблица №1
Реакция растений на воздействие кислотного раствора
№
Варианты
Пшеница
Длина
Поражения
листьев,
растения , %
см
1-й
2-й
1
2
лист
лист
13260
0
16
30
Ячмень
Длина
Поражения
листьев,
растения ,%
см
1-й
2-й
1
2
лист лист
8170
0
10
27
Рожь
Длина
Поражения
листьев,
растения ,%
см
1-й
2-й
1
2
лист лист
9-11 200
0
22
1
Контроль
2
pH-1,2
1517
2830
40
35
810
2426
20
10
9-12
2124
40
35
3
pH-3.2
1213
2830
20
15
810
2325
10
5
9-13
1721
20
10
4
pH-4,2
1416
2529
0
0
810
1920
0
0
1012
1921
0
0
Таблица №2
Реакция зерновых культур(проростков) на воздействие кислотного раствора
культура
Концентрация
H2 SO4 , %
H2 O
0,5
пшеница
1,0
5,0
10,0
20,0
50,0
H2 O
0,5
рожь
1,0
5,0
10,0
20,0
50,0
H2 O
0,5
ячмень
1,0
5,0
10,0
20,0
50,0
Состояние растений через 3, 5,10 суток после опрыскивания
3
5
10
Растение в норме
Растение в норме
Подсыхание верхушки
листьев
Подсыхание верхушки Не отличаются от Не
отличаются
от
листьев
контроля
контроля
Слабое пожелтение и Слабое пожелтение и Слабое пожелтение и
подсыхание верхушки подсыхание верхушки подсыхание верхушки
листьев
листьев
листьев
Незначительное
Подсыхание верхушки Подсыхание верхушки
пожелтение
и листьев
листьев
скручивание
Пожелтение
концов Пожелтение растений
Вновь отросшие листья
листьев
функционируют
нормально
Побурение
50% Побурение,
Гибель 50% растений
листовой поверхности скручивание листьев
Побурение
90% Отсутствие
тургора, Гибель 90% растений
листовой поверхности скручивание листьев
Растение в норме
Растение в норме
Растение в норме
Подсыхание верхушки Не отличаются от Не
отличаются
от
листьев
контроля
контроля
Подсыхание верхушки Не отличаются от Не
отличаются
от
листьев
контроля
контроля
Подсыхание верхушки Не отличаются от Не
отличаются
от
листьев
контроля
контроля
Подсыхание верхушки
Не отличаются от
Не отличаются от
листьев
контроля
контроля
Слабое
пожелтение Пожелтение растений
Гибель 50% растений
растений
Скручивание
и Скручивание
и Гибель 85% растений
побурение листьев
побурение листьев
Растение в норме
Растение в норме
Растение в норме
Подсыхание верхушки Растения
не Растения
не
листьев
отличаются
от отличаются от контроля
контроля
Подсыхание верхушки Растения
не Растения
не
листьев
отличаются
от отличаются от контроля
контроля
Подсыхание верхушки Растения
не Растения
не
листьев
отличаются
от отличаются от контроля
контроля
Слабое подвядание
Пожелтение листьев
Побурение,
скручивание,
подвядание листьев
Подвядание растений
Значительное
Гибель 50% растений
снижение тургора
Скручивание листьев
Скручивание листьев
Гибель 70% растений
Таблица №3
Поражение листового аппарата при воздействии кислотных растворов, %.
ку
ль
ту
ра
пше
ница
Лист
Учет проведен через 7 дней
по
после опрыскивания
порядку H2O pH
pH
pH
снизу
1,2
3,2
4,2
1
0
40
20
0
2
0
35
15
0
3-4
0
10
0
0
5-6
0
0
0
0
Яч
1
0
30
15
0
мень
2
0
20
5
0
3-4
0
10
0
0
5-6
0
0
0
0
рожь
1
0
40
20
0
2
0
30
10
0
3-4
0
10
0
0
5-6
0
0
0
0
Учет проведен через 15 дней
после опрыскивания
H2O
pH
pH
pH
1,2 3,2
4,2
0
Засох
Засох Засох
0
Засох
Засох Засох
0
10
0
0
0
0
0
0
0
Засох
Засох Засох
0
Засох
Засох Засох
0
10
0
0
0
0
0
0
0
Засох
Засох Засох
0
Засох
Засох Засох
0
10
0
0
0
0
0
0
Таблица№4
Урожай зерновых культур при опрыскивании кислотными растворами, г/м2.
№
п/п
культуры
1
Пшеница
2
Ячмень
3
рожь
Части растений
Солома
Зерно
1000зерен
Солома
Зерно
1000зерен
Солома
Зерно
1000зерен
pH
1,2
3,2
4,2
H2O
495,3
115,4
42,9
318.5
296,2
49,5
154,3
110,5
34,7
528,0
125,0
45,2
250,0
290,5
50,1
140,5
111,0
37,1
530,6
119,2
45,6
374,3
308,4
51,5
152,4
116,3
36,8
544,0
120,0
46,5
369,8
315,0
56,3
160,0
99,9
37,5