Проблема избыточного накопления ТМ в растениях затрагивает широкий круг вопросов, касающихся механизмов поглощения, транспорта, метаболизма и распределения его в органах и тканях. Биогенные элементы играют существенную роль в обеспечении физико-биохимических барьеров, при проникновении ТМ в растения.
Избыточные концентрации ТМ отрицательно влияют на синтез и функции многих биохимических активных соединений: ферментов, витаминов, пигментов и др. Повышенные по сравнению с фоном концентрации ТМ существенно влияют на фотосинтетическую деятельность растений.
При изучении белкового обмена растений показано, что избыточная концентрация ТМ влияет на уменьшение содержания альбуминов и возрастает количество проламинов, глютелинов и нерастворимого остатка. Это указывает на снижение содержания лизина. Растения обладают способностью ограничивать накопление элементов - загрязнителей в надземных органах, особенно в органах запасания ассимилятов.
Растения являются хорошими индикаторами, позволяющими определить степень загрязнения почв соединениями тяжелых металлов. Степень накопления соединений тяжелых металлов в растениях определяется уровнем загрязнения почв, расстоянием от техногенного источника, количеством атмосферных выпадений и видовыми особенностями растений. При этом повышенные концентрации соединений ТМ содержатся в корнях и листьях.
Содержание соединений ТМ в растениях сельскохозяйственных районов в семь раз меньше, чем в растениях, растущих в зоне городов.
В связи с тем, что многие растения используются в пищу или корма возникает проблема взаимоотношения растений и тяжелых металлов в окружающей среде, она является актуальной и требует дальнейшего ее изучения.
Оценка уровней безопасного загрязнения почв ТМ проводится исходя из недопустимости повышения порога адаптационной возможности наиболее чувствительной группы населения и экологической адаптационной способности почвы. Почва служит естественным барьером на пути ТМ и сдерживает их поступление в растения и сопредельные среды.
Глава 2. Взаимодействие почв и растительных сообществ
2.1 Влияние растительных сообществ на почву
Растения -- главный источник снабжения почвы органическими веществами. Без органических веществ было бы невозможным формирование плодородного слоя почвенного горизонта -- биогумуса, а это, в свою очередь, сделало бы невозможным существование как земной флоры, так и фауны.
Другая важная функция растений -- переработка солнечной энергии, к чему не имеют способности животные организмы. В результате такой трансформации почва снабжается значительным количеством необходимых питательных веществ.
Растения являются источником пищи для огромного количества живых существ. В результате переработки их организмами растительной пищи происходит удобрение почвы. Жизнедеятельность множества подземных существ обеспечивает почву воздухом и влагой, а ведь эта деятельность возможна лишь при наличии растительной пищи.
Остатки растений служат хорошим укрытием не только для всевозможных живых существ, но и создают особый мульчирующий слой для почвы. Также растения нужны большому количеству почвенных бактерий и грибов, без которых не могли бы осуществляться многие экологические и природные процессы.
Растения оказывают огромное влияние на количество влаги, солей, минеральных элементов в почве, влияют на температуру и затененность, и на многие другие факторы. В большинстве своем растительные организмы забирают из почвы минеральные элементы и снабжают органическими.
Корни растений служат крепежным материалом для многих видов грунтов, препятствуя овражному механизму эрозии почвы.
Растения могут выводить из почвы значительное количество лишних солей, а также менять кислотно-щелочной показатель грунта.
Деревья вокруг сельскохозяйственных угодий оказывают защитный эффект, предохраняя почву от ветровой эрозии (так называемых пылевых бурь). Растения являются прекрасными удобрениями и основой для плодородных слоев почвы, а также пищей для множества живых организмов, в том числе бактерий и грибов. Особенно актуально снабжение органическими веществами на песчаных и супесчаных видах почвы.
В пустынных районах почвенную эрозию предотвращают специфические виды растений с хорошо разветвленной вширь корневой системой. Благодаря корневой системе растительных организмов почва приобретает определенную структуру: зернистую, комковатую, ореховатую или иную.
Главное отрицательное воздействие на почву -- обеднение грунта вследствие истощения биогумуса. Это происходит при несоблюдении агротехнических правил и нарушении норм севооборота, то есть при вмешательстве человека.
Таким образом, для сохранения почвы и обеспечения нормального функционирования природной экосистемы нужно внимательно изучать характеристики почвы и заниматься сельским хозяйством без нарушения экологических норм взаимодействия с землей.
2.2 Влияние почвы на растения
Эдафические условия определяются свойствами субстрата, на котором произрастают растения. Субстрат может быть лишь незначительно затронут процессами почвообразования (скалы, подвижные пески), или же в результате действия физического выветривания и живых организмов поверхностный слой горной породы может превратиться в почву.
Почвы играют для растений крайне важное значение. Во-первых, в большинстве случаев почвы являются тем субстратом, в котором происходит механическое закрепление растений. Во-вторых, именно почвы обеспечивают водоснабжение и минеральное питание растений. В третьих, через почвы осуществляются многие типы взаимодействий растений друг с другом, а также с другими организмами (почвенными микроорганизмами, грибами, животными). Почвы характеризуются рядом физико-химических характеристик, имеющих существенное значение для роста и развития растений, а также для формирования того или иного типа растительного сообщества.
Воздушный режимпочв определяет обеспеченность корней растений кислородом, необходимым для дыхания. Он зависит от механического состава почв: чем большие размеры имеют частицы субстрата, тем большая воздухопроницаемость. К примеру, высокая воздухопроницаемость характерна для песчаных грунтов, а для глинистых - значительно более низкая.
Водный режимгрунтов определяет запасы доступной для растения почвенной влаги. Всю воду, находящуюся в почве, можно разделить на две категории: доступная для растений капиллярная влага и недоступная физически и химически связанная влага. Но даже если в почве имеется влага в достаточном или избыточном количестве, она не всегда может быть доступна для растений. В этом случае говорят о так называемой физиологической сухости почвы. Вызывать это явление могут несколько абиотических факторов. Так, физиологически сухими являются богатые влагой, но имеющие очень низкую температуру почвы тундр. На верховых болотах с обильным сфагновым покровом вода оказывается недоступной для многих видов из-за ее низкой температуры, высокой кислотности, слабой аэрации и наличия токсических веществ. Все это в совокупности нарушает функционирование корневой системы растений. Физиологически сухими являются также и засоленные почвы, в которых влага благодаря высокому осмотическому давлению почвенного раствора не может быть использована растениями. Физиологически сухие местообитания экстремальны, и поэтому произрастающие в них растения должны быть приспособлены либо к повышенному содержанию в почве легкорастворимых солей, либо к очень низкой температуре почвы.
Кислотность почвы, так же как и ее физические особенности, сильно влияет на рост и развитие растений. Кислотность почвы выражается отрицательным логарифмом концентрации водородных ионов рН. При рН почвы в диапазоне 2,4-6,7 она считается кислой, 6,7-7,0 - нейтральной, выше 7,0 - щелочной. Большинство почв Беларуси являются кислыми.
Кислотность грунтов может быть вызвана многими причинами: химическим составом материнских пород, выделений растений и растительных остатков, степенью аэрации и др. Так, кислые грунты формируются в условиях чрезмерного увлажнения. На гранитах, гнейсах, андезитах также формируются кислые почвы, тогда как на лёссах, мелах, мергелях - нейтральные или щелочные. Почвы под еловыми лесами, по сравнению с широколиственными, будут иметь более кислую реакцию, так как продукты разложения растительных остатков хвойных пород (хвоя, древесина) имеют более кислую реакцию.
По отношению к кислотности почвы как к экологическому фактору выделяются следующие группы растений (Braun-Blanquet, 1951):
ацидофилы- растения, предпочитающие кислые почвы (рН 2,4-6,7). В пределах этой группы выделяются экологические подгруппы с более узкими значениями, которые точнее характеризуют природные условия:крайние ацидофилы(рН 2,4-5,0),умеренные ацидофилы(рН 5,0-6,2) ислабые ацидофилы(рН 6,2-6,7); нейтрофилы- растения нейтральных почв (рН 6,7-7,0). Это чина луговая (Lathyruspratensis), тимофеевка луговая (Phleumpratense), ежа сборная
(Dactylisglomerata) и др.; базифилы- растения щелочных почв (рН 7,0 и выше). Их можно разделить наслабые базифилы(рН 7,0-8,0) ивыраженные базифилы(рН 8,0-14,0, как правило, это растения, произрастающие на мелах и имеющие довольно узкое распространение); индифферентные видыне имеют определенной приуроченности к тому или иному значению рН почвы и встречаются в очень широких пределах рН - начиная от щелочных и кончая сильнокислыми. Типичными представителями этой группы являются ландыш майский
(Convallariamajalis), сосна обыкновенная (Pinussylvestris), дуб черешчатый (Quercusrobur) и др. Валовое содержание питательных веществ (богатство почвы)определяет плодородие почвы и, следовательно, уровень обеспечения растений питательными веществами. Отсутствие или недостаток того или иного элемента питания (азота, калия, фосфора, кальция, железа, магния, других макро- и микроэлементов) приводит к нарушениям метаболизма растений. К примеру, при недостатке магния, являющегося структурным компонентом хлорофилла, последний разрушается, что приводит к нарушениям процессов фотосинтеза.
По отношению к богатству почвы как к экологическому фактору выделяются следующие группы растений:
эвтрофы- растения, нормально развивающиеся только на почвах, богатых питательными веществами. Индикаторами богатства грунта могут служить крапива двудомная (Urticadioica), чистотел большой
(Chelidoniummajus), липа (Tiliacordata), ясень (Fraxinusexcelsior) и т.д. К этой группе относятся такженитрофилы- растения, нуждающиеся в повышенном содержании в почве азота. Они поселяются на свалках у жилья человека, около животноводческих ферм, на перегное в широколиственных лесах и др. Типичными нитрофилами являются многие виды лебеды (Atriplex), мари (Chenopodium), бузина красная (Sambucusracemosa), хмель
(Humuluslupulus) и др.; мезотрофы- растения, обитающие на почвах с умеренным содержанием элементов минерального питания. К мезотрофам относятся многие культурные растения: морковь (Daucussativus), яблоня (Malusdomestica), картофель (Solanumtuberosum) и др., а также большая часть дикорастущих видов растений; олиготрофы- растения, мало требовательные к плодородию почвы и поэтому могущие произрастать на грунтах с минимальным содержанием доступного азота и зольных элементов. К олиготрофам относятся растения экстремальных местообитаний - верховых болот, песков, скал. Содержание солей в почве.Процессы засоления почв могут идти в различных природноклиматических условиях при преобладании в почве восходящего тока воды, несущего с собой легкорастворимые соли, над нисходящим током. Благодаря этому перемещение солей из верхних горизонтов в нижние становится невозможным, и легкорастворимые соли постепенно накапливаются в верхних горизонтах грунта. Эти процессы характерны для сухих областей земного шара, где испарение резко превышает количество выпадающих осадков, а также по берегам океанов и морей.
Растения, приспособленные к высокому содержанию солей в почве, носят названиегалофитов. Они характеризуются высоким осмотическим давлением клеточного сока (у некоторых видов до 100 атм. и выше), что дает им возможность извлекать воду из концентрированного солевого раствора почвы. Большинство галофитов либо имеет суккулентное, либо ксероморфное строение. Растения незасоленных почв называютсягликофитами.
Среди легкорастворимых солей, участвующих в засолении грунта в аридных областях, наиболее обычны соли натрия (NaCl, Na2SO4, NaHCO3и Na2CO3), хлориды и сульфаты кальция и магния. Значительно реже встречаются соли калия и азотнокислые соли. На морских и океанических побережьях основным фактором засоления является хлорид натрия, количество которого в различных географических зонах может варьировать в широких пределах. Так, к примеру, на берегу Балтийского моря почвы могут иметь концентрацию хлористого натрия не выше, чем в питательном растворе Кноппа, на побережье Северного моря - до 6%, а у берегов океана в экваториальной зоне при интенсивном испарении воды во время приливов - до 12%.