Агроэкосистемы лесостепной зоны Красноярского края, на которые приходится 70,2 % пахотных земель региона, испытывают значительную антропогенную нагрузку, в связи с тем, что выбросы в окружающую среду промышленными предприятиями, ТЭЦ и автотранспортом поллютантов, особенно тяжелых металлов, в последние десятилетия остаются стабильно высокими. Один из способов, позволяющих оценить негативное воздействие тяжелых металлов на агроэкосистемы, является фитотестирование [3].
В лабораторно-вегетационном эксперименте изучалось влияние на жизнеспособность тест-растения загрязнения почвы кадмием в дозах от 1 до 3 ПДК. Варианты модельного загрязнения: 0 – Контроль; I (1 ПДК Cd); II (2 ПДК Cd); III (3 ПДК Cd). Расчет концентраций тяжелого металла произведен согласно данным ПДК, приведенных гигиеническими нормативами [1]. Растения выращивались в сосудах емкостью 300 г. Кадмий вносился в виде хорошо растворимой соли CdSO4∙3Н2О. Производили посев горчицы сорта Семеновская по 30 шт. в емкость, повторность опыта 4-кратная. Токсичность кадмия в каждом варианте оценивали по энергии прорастания на 3-е сутки; по всхожести семян – 6 сутки [2], длине побега и корня проростков на 14-е сутки.
Статистическую обработку результатов проводили с использованием программ Microsoft Excel, SNEDECOR.
Оценивая посевные качества можно отметить негативное влияние ионов кадмия на всхожесть и энергию прорастания семян горчицы (табл. 1). Наибольшее отрицательное влияние оказал кадмий в концентрации 3 ПДК, в этом случае энергия прорастания уменьшилась (Р ≤ 0,01) на 23,3 %, а всхожесть – 7,66 % по сравнению с контролем. Так же, негативное влияние оказал кадмий в концентрации 2 ПДК, энергия прорастания уменьшилась (Р ≤ 0,01) на 18,48 %,а всхожесть – 4,96 % по сравнению с контролем и даже в концентрации 1 ПДК кадмий оказывал негативное воздействие, при этом энергия прорастания уменьшилась (Р ≤ 0,05) на 12,2 %, всхожесть – 1,68 %.
В результате проведения регрессионного анализа установлена отрицательная зависимость (R2 = 0,9521) между энергией прорастания семян горчицы сорта Семеновская от концентрации кадмия в почве (рис. 1)
Также установлена отрицательная зависимость (R2 = 0,9857) между всхожестью семян горчицы сорта Семеновская от концентрации кадмия в почве.
Оценивая морфометрические показатели можно отметить негативное влияние ионов кадмия на длину побега и длину корня горчицы (табл. 2). Наибольшее отрицательное влияние оказал кадмий в концентрации 3 ПДК, в этом случае длина побега уменьшилась (Р ≤ 0,01) на 37,42 %, а длина корня – 38,97 % по сравнению с контролем. Так же, негативное влияние оказал кадмий в концентрации 2 ПДК, длина побега уменьшилась (Р ≤ 0,05) на 9,84 %, а длина корня – 10,17 % по сравнению с контролем. При концентрации 1 ПДК кадмий оказал стимулирующее воздействие на длину побега (Р ≤ 0,01) на 13,7 %, а длина корня уменьшилась на 11,54 % по сравнению с контролем.
Таблица 1
Влияние кадмия на посевные качества семян горчицы
|
Вариант опыта |
Посевные качества |
|
|
Энергия прорастания, % |
Всхожесть, % |
|
|
Контроль (0) |
66,18 ± 4,552 |
81,55 ± 0,318 |
|
1 ПДК |
58,10 ± 0,667* |
80,18 ± 0,554 |
|
2ПДК |
53,95 ± 0,701** |
77,50 ± 0,535** |
|
3 ПДК |
50,75 ± 0,507** |
75,30 ± 1,004** |
|
НСР (5 %) – * |
7,21 |
2,01 |
|
НСР (1 %) – ** |
10,11 |
2,82 |
Рис. 1. Регрессионная зависимость посевных качеств семян горчицы сорта Семеновская от концентрации кадмия в почве
Таблица 2
Влияние кадмия на длину побега и корня проростков горчицы белой
|
Вариант опыта |
Длина побега, см |
Длина корня, см |
|
Контроль (0) |
4,043 ± 0,096 |
6,240 ± 0,245 |
|
1 ПДК |
4,662 ± 0,131** |
5,520 ± 0,231* |
|
2ПДК |
3,645 ± 0,095* |
5,605 ± 0,245 |
|
3ПДК |
2,530 ± 0,111** |
3,808 ± 0,210** |
|
НСР (5 %) – * |
0,30 |
0,65 |
|
НСР (1 %) – ** |
0,40 |
0,85 |
В результате проведения регрессионного анализа выявлена отрицательная зависимость (R2 = 0,639) между длиной побега горчицы сорта Семеновская и концентрацией кадмия в почве, а также отрицательная зависимость (R2 = 0,7998) между длиной корня горчицы сорта Семеновская от концентрации кадмия в почве.
В результате фитотестирования были отмечены однозначные изменения длины проростков и корней как тест-реакции высших растений. Для получения еще более сопоставимых результатов нами был предложен индекс фитотоксичности (ИФ), рассчитываемый по формуле:
где LР – длина побега; LК – длина корня.
Результаты расчета индекса интегральной фитотоксичности представлены в табл. 3.
Таблица 3
Индекс интегральной фитотоксичности при биотестировании почв
|
Вариант опыта |
ИФ |
|
1 ПДК |
0,408 |
|
2 ПДК |
0,049 |
|
3 ПДК |
0,235 |
Комплексный индекс (ИФ) (на рисунке обозначен под цифрой 2), как видно по результатам, для культуры горчицы наиболее тесно (R2 = 0,79, Р ≤ 0,05) коррелирует с концентрацией тяжелого металла (Cd) (1) (рис. 2).
Рис. 2. Кластеризация по максимуму коэффициента корреляции между признаками: 1 – концентрация кадмия в почве; 2 – ИФ; 3 – длина корня тест-растения; 4 – длина побега тест-растения
Выводы
Таким образом, в результате исследований выявили отрицательное влияние кадмия в разных концентрациях на посевные качества семян и морфометрические параметры проростков горчицы с помощью метода фиотестирования. Наиболее негативное влияние оказал кадмий в концентрации 3 ПДК, в этом случае, энергия прорастания уменьшилась (Р ≤ 0,01) на 23,3 %, а всхожесть – 7,66 % по сравнению с контролем. Так же при внесении в почву кадмия в дозе 3 ПДК, длина побега уменьшилась (Р ≤ 0,01) на 37,42 %, а длина корня – 38,97 % по сравнению с контролем.
Наибольшее число корреляционных связей образуется между всхожестью семян горчицы и концентрацией кадмия в почве. Так, всхожесть семян снижается при увеличении концентрации кадмия в почве. Повышенная концентрация кадмия в почве приводит к уменьшению длины побега и корней проростков горчицы.
Предложенный индекс интегральной фитотоксичности позволяет представлять воздействия загрязненных почв на тест-реакции высших растений более объективно.