WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


 

  На правах рукописи

Шаркова Сания Юнусовна

   

Экологическое состояние природных и техногенных  Экосистем среднего поволжья и их реабилитация.

Специальность  03.00.16. – экология

Автореферат

диссертации на соискание ученой

степени доктора биологических наук

Москва 2009

Диссертационная работа выполнена в ГНУ «Всесоюзный научный исследовательский институт агрохимии им. Д.Н. Прянишникова» Россельхозакадемии

Научный консультант:  доктор сельскохозяйственных наук,  профессор, академик РАСХН

  Сычев Виктор Гаврилович

Официальные оппоненты:        Зубкова Валентина Михайловна,

доктор биологических наук, профессор;

Мосина Людмила Владимировна,

доктор биологических наук, профессор;

Гармаш Нина Юрьевна,

доктор биологических наук.

Ведущее предприятие:        ГОУ ВПО Московский государственный университет природообустройства

Защита диссертации состоится 27 апреля 2010 г. в 12 часов на заседании диссертационного Совета Д 220.056.01 при Российском государственном аграрном заочном университете по адресу:143900, Московская обл., г. Балашиха, ул. Ю. Фучика, д. 1. тел./факс (495) 521-45-74.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Российского государственного заочном аграрного университета.

Автореферат разослан «  »  2010_ г.

Ученый секретарь

диссертационного совета, кандидат биологических наук Сойнова О.Л.

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Почва является индикатором природных процессов, и ее состояние - результат длительного воздействия разнообразных источников загрязнения. Выбросы в атмосферу от промышленных предприятий, объектов теплоэнергетики, и транспорта приводят к загрязнению почв, ухудшению их физического и химического состояния и в результате к снижению плодородия. В условиях современных техногенных нагрузок характеризующихся интенсификацией миграции загрязняющих веществ, городские почвы, оказались в наиболее уязвимом положении. На протяжении 5-летнего периода количество вредных выбросов в атмосферу на 1 жителя по г. Пензе превышает среднеобластные показатели. Выбросы загрязняющих атмосферу веществ от стационарных источников (без учета выбросов автотранспорта) в среднем на одного жителя области превышают санитарно-гигиенические нормативы (23,3кг).

Ограниченность земельных ресурсов ставит неотложную задачу возврата в сельскохозяйственное производство всех видов нарушенных и деградированных почв, в том числе и нефтезагрязненных. Загрязнение почв нефтепродуктами происходит повсеместно в больших и малых городах, вокруг АЗС, количество которых с каждым годом возрастает,  вдоль дорог, везде, где происходит связанная с нефтью деятельность человека. Нефть и продукты ее переработки даже в небольших количествах могут нанести значительный ущерб окружающей среде. По территории Пензенской области проходит трубопровод «Дружба», ежегодно на котором происходит 2-3 прорыва нефти с причинением ущерба окружающей среде.

       Одним из наиболее опасных факторов воздействия на биосферу и особенно почву являются химические соединения, выделившихся при уничтожении химического оружия, хранящегося на территории Пензенской области (17,2% запасов России), технологически необоснованными приемами.

Почвы медленно накапливают загрязняющие вещества, выполняя при этом протекторные функции в отношении других природных образований. Но, играя барьерную роль, они постепенно сами подвергаются загрязнению, и на каком-то этапе оно может достичь таких уровней, когда почвенный покров становится мало пригодным для сельскохозяйственного использования. На таких почвах для получения экологически чистой продукции растениеводства необходимы приемы, ограничивающие подвижность загрязняющих веществ и ведущие к снижению токсического действия на растения. Многие из этих приемов изучены в разных регионах страны (Добровольский, 1980; Ильин, 1986, 1991; Алексеев, 1987; Минеев, 1994; Черных и др., 1995; Кирейчева, Глазинова, 1995; Овчаренко и др., 1997; Помазкина и др., 1999).

В условиях лесостепного Среднего Поволжья, актуальной является проблема создания комплекса методических разработок для исследования экологического состояния городских и пригородных биогеоценозов, разработка оценочных критериев степени деградации растительного покрова и почв и методов их реабилитации.

Цель исследований.  Целью исследований является выявление закономерностей изменения биогеоценозов  в результате длительных антропогенных воздействий  и на их основе разработка практических, экологически обоснованных приемов реабилитации загрязненных почв.

Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:

  • Определить содержание тяжелых металлов в почвенном и растительном покрове и оценить вклад различных  источников их поступление в экосистемы;
  • Оценить степень деградации городских почв и их устойчивость при негативных воздействиях;
  • Изучить воздействие техногенных поллютантов на изменение свойств почв в зонах с  различным уровнем загрязнения;
  • Определить фитоиндикационную роль морфолого-физиологических показателей растений при техногенном загрязнении;
  • Выявить эколого-микробиологический статус почв под воздействием антропогенеза;
  • Оценить функционирование агроценоза сельскохозяйственных культур в условиях техногенного воздействия и разработать приемы по улучшению их состояния;
  • Провести количественный учет агрохимических показателей почв и закономерности их изменений при известковании, применении органических и минеральных удобрений;
  • Проследить за влиянием удобрений и химической мелиорации на микробиологическую активность почвы;
  • Исследовать действие экологических факторов на продуктивность сельскохозяйственных культур и их качество.

Научная новизна. Впервые, в условиях лесостепи Среднего Поволжья на примере Пензенской области, проведены комплексные многокомпонентные эколого-агрохимические исследования, с целью оценки техногенной нагрузки на природную среду при различных видах хозяйственной деятельности и разработки научных основ по реабилитации загрязненных почв.

Для городских и пригородных ландшафтов определена фитоиндикационная роль морфолого-физиологических показателей древесных растений при аэротехногенном загрязнении. Доказано, что данные только биоиндикационных исследований не являются достаточно информативным признаком для мониторинга экологического состояния, они обязательно должны быть уточнены физико-химическими анализами.

Проведено комплексное исследование динамики ферментативной активности почв в зависимости от различных уровней техногенного загрязнения тяжелыми металлами и нефтепродуктами. Установлено, что энзиматическая активность почв может быть использована как один из диагностических показателей агроэкологического состояния почв, испытывающих интенсивное антропогенное влияние.

Изучено изменение свойств городских и пригородных почв в результате длительных техногенных воздействий и оценена устойчивость почв к деградации в этих условиях.

Проведен учет фоновых значений валовых и подвижных форм тяжелых металлов в почве и их изменений под воздействием техногенного фактора. Установлено что почвы лесостепи Среднего Поволжья характеризуются значительной вариабельностью содержания валовых и подвижных форм тяжелых металлов.

Разработаны приемы снижения подвижности тяжелых металлов и мышьяка и поступления их в растения яровой пшеницы. Выявлено положительное влияние известкования и вермикомпоста (биогумуса) на физико-химические свойства,  микробиологическую и энзиматическую активность почвы.

  Основные  положения, выносимые на защиту:

  • накопление тяжелых металлов в почве и растительном покрове в условиях аэротехногенного загрязнения;
  • в результате уничтожения химического оружия, технологически необоснованными приемами, наблюдаются превышения содержания мышьяка и тяжелых металлов по сравнению с фоновыми значениями;
  • изменение физико-химических свойств серой лесной почвы и черноземной (выщелоченной и оподзоленной) под влиянием техногенеза;
  • биоиндикация загрязнения почвенного покрова по состоянию микробного комплекса, и высших растений;
  • использование доломитовой муки, биогумуса уменьшает подвижность тяжелых металлов и токсичность для пшеницы, усиливает микробиологическую и ферментативную активность, мобилизует элементы питания и тем самым оптимизирует питательный режим, способствует закреплению в почве гумуса, положительно влияет на реакцию почвенной среды, улучшает экологическую обстановку в целом;
  • в условиях техногенного загрязнения почв, сорта различных с/х культур по разному адаптированы к применению приемов санации.

Практическая значимость и реализация результатов исследований. Показана реальная возможность индикации воздействия на почву техногенных факторов с помощью показателей ферментативной и микробиологической активности серой лесной почвы. Определен ряд наиболее информативных показателей ферментативной активности почв.

Выявленные закономерности могут быть использованы для оценки качества городской среды, определения зон экологического бедствия, разработки стратегии рационального использования территории, оценки эффективности природоохранных мероприятий.

Предложенные тест – объекты, как растения, так и почвы, могут применяться для оценки аэротехногенного загрязнения городов Центральной России. Полученные данные по содержанию тяжелых металлов могут быть использованы при составлении карты геохимического загрязнения почв и растительности города Пензы и его окрестностей.

Теоретические положения и результаты экспериментальных исследований городских транспортно-селитебных ландшафтов, используются в учебном процессе на кафедрах «биологии и экологии» ПГСХА, «Технологии и инженерные средства защиты окружающей среды» ПГТА и включены в учебные пособия «Биология с основами экологии», «Мониторинг окружающей среды», «Биогеохимические циклы», «Экология природопользования», «Управление охраной окружающей среды».

Материалы диссертации являются вкладом в разработку теории и практики экологического мониторинга городской среды средствами биоиндикации, и могут быть использованы в качестве методической и практической её основы. 

Разработаны рекомендации по использованию биогумуса, известкования и минеральных удобрений в условиях техногенного воздействия, позволяющие повысить урожайность сельскохозяйственных культур и оптимизировать их качество. Установлено что при известковании по 0,75 Нг содержание подвижных форм свинца снижается на 29-30% , кадмия – на 17-20%. Увеличение доз мелиоранта до 1,5-2,25 по Нг вызывало снижение подвижности свинца на 36-43% и кадмия на 37-45%. В отношении мышьяка выявлена противоположная картина. Под действием первой дозы извести подвижность его возрастала 9-10%, второй – 11-13%  и третьей – на 20-21%. Установлена эффективность применения разных доз вермикомпоста, известкования и минеральных удобрений на формирование урожайности и качество зерна разных сортов яровой пшеницы в условиях лесостепного Среднего Поволжья.

Апробация работы. Результаты исследований докладывались на международных и всероссийских конференциях, в том числе: международной научно-практической конференции «Экологические аспекты интенсификации с/х производства» (Пенза, 2002); международной научно-практической конференции «Проблемы АПК и пути их решения»(Пенза, 2003); международной научно-практической конференции «Проблемы аграрной отрасли в начале ХХI века»(Смоленск, 2002); международной научно-практической конференции посвященной 75-летию со дня рождения профессора Г.Б. Гальдина (Пенза, 2003); международной научной конференции «Агрохимические аспекты повышения продуктивности с/хозяйственных культур» (Москва, 2003); международной конференции, посвященной 50-летию кафедры общего земледелия Пензенской ГСХА (Пенза, 2004); международной научной конференции: Агрохимические аспекты повышения продуктивности сельскохозяйственных культур (Москва, 2003); международной научно-практической конференции: Проблемы производства продукции растениеводства на мелиорированных землях конференции (Ставрополь, 2005); международной научно-практической конференции «Роль почв в сохранении устойчивости ландшафтов и ресурсосберегающее земледелие» (Пенза, 2005); всероссийской конференции  СО РАН: Природная и антропогенная динамика наземных экосистем (Иркутск, 2005); международной научной конференции: Агрохимические приемы рационального применения средств химизации как основа повышения плодородия почв и продуктивности с/х культур. Москва: ВНИИА, 2007; международной научно-практической конференции РАСХН СО: Проблемы рационального использования  малоплодородных земель (Омск, 2009); международной научной конференции: Инновации сегодня: образование, наука, производство (Ульяновск, 2009); VI международной научной конференции: Агроэкологические аспекты устойчивого развития АПК (Брянск,2009).

Публикации. Основные положения диссертационной работы изложены в 49 научных работах, включая 1 монографию и 12 работ в изданиях рекомендованных ВАК. 

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 7 глав, выводов и предложений. Работа изложена на 342 страницах машинописного текста, содержит 88 таблиц, 19 рисунков, 20 приложений. Список использованной литературы включает 452 источника, в том числе 49 на иностранных языках.

Все научные положения диссертации разработаны лично автором. В решении отдельных вопросов в разное время принимали участие С.М. Надежкин, Ю.В. Карягин некоторые экспериментальные данные получены совместно с Глазковой Н.Е., Юскаевой Г.И., которым автор выражает искреннюю благодарность.

Автор выражает глубокую благодарность научному консультанту академику РАСХН В.Г. Сычеву, профессорам И.А. Шильникову, Н.И. Акановой, Е.В. Надежкиной, Т.Б. Лебедевой за методические советы и поддержку при подготовке диссертации

Содержание работы

Глава 1  Объекты и методы исследования

Исследования по оценке уровня загрязнения системы «воздух-почва-растение» проводили вблизи промышленных предприятий, предприятия энергетики, АЗС, объекта хранения химического оружия и разветвленной транспортной сети - основными источниками техногенного воздействия на экосистемы региона.  В связи с поставленными задачами, основными объектами исследований явились почвенный и растительный покров (естественные и техногенные ландшафты). Для  их изучения были исследованы 6 районов на территории г. Пенза и области, в различной степени подверженные техногенезу.

Были исследованы морфолого-физиологические показатели: такие как  поражение листьев (пораженную и мертвую ткань листа считали по проценту пораженной ткани); площадь поверхности листьев (определяли весовым методом с учетом переводного коэффициента); показатели водного режима. Морфологические показатели вегетативных органов хвойных деревьев длина хвои, масса и продолжительность жизни.

Для определения относительного жизненного состояния (ОЖС) древостоя за основу бралась методика В.А. Алексеева (1990). Проводилась визуальная оценка следующих диагностических признаков относительного жизненного состояния: густота кроны, наличие на стволе мертвых сучьев, степень повреждения листьев. Относительное жизненное состояние древостоя (Ln) определялось по шкале: «здоровое» от 100% до 80%,  при 79-50% - «ослабленное», при 49-20% - «сильно ослабленное», при 19% и ниже - «отмирающее» (Алексеев, 1990).

При исследовании флуктуирующей асимметрии листьев, применяли систему морфологических признаков по методике «Биотест» Захарова В.М. и Кларк Д.М.(1993).

Все анализы выполнялись в трех биологических и двух аналитических повторностях. Математическая обработка полученных данных производилась с помощью статистического пакета Microsoft Excel.

Почвенный покров в зоне исследований представлен в основном серыми лесными почвами и черноземами (оподзоленные, выщелоченные) различного гранулометрического состава. Исследования проводились путем сравнительно-географического и  сравнительно-аналитического методов, стационарных методов наблюдений в сочетании с моделированием в полевых и лабораторных условиях.

Анализы по определению ТМ проводили на атомно-адсорбционном спектрофотометре. Все данные обрабатывались методом дисперсионного и дискриминантного анализа (в изложении Доспехова, 1985).

Для характеристики биологических свойств изучаемых почв определяли комплекс биологических показателей – ферментативную активность (Хазиев,1990), общую численность микроорганизмов (Звягинцев,1980), целлюлозоразлагающую способность, интенсивность нитрификации и денитрификации, интенсивность выделения СО2 (методом газовой хроматрографии).

Глава 2 Оценка состояния экосистем на примере Пензенской области

Площадь воздействия города превышает его территорию в 20-50 раз, а пригородные зоны отзываются на загрязнения жидкими, газообразными и твердыми отходами, которые об­разовались в районах жилой застройки и промышленных центрах (Венедяпин и др., 1994; Мамин, 1995). Возникает проблема необеспеченности городов природно-ресурсным потенциалом что выражается в недостаточных площадях зеленых насаждений, загрязнении водной и воздушной среды - это приводит к потере устойчивости территорий, увеличению абиотичности экосистемы, повышению степени экологического риска для всех компонентов окружающей среды: воздуха, растительности, почвы, воды и грунтов (Осипов, 1994).

Начиная с 2000 г., параллельно с экономическим ростом в стране увеличивается  техногенная нагрузка на экосистемы. Источниками загрязнения окружающей среды продолжают оставаться промышленность и автомобильный транспорт (количество увеличивается в среднем на 30-40%. ежегодно). Наибольший удельный вес загрязнений отмечен на предприятиях, занимающихся транспортированием газа и нефти по трубам (10,1 тыс. тонн), нефтедобычей (3,0 тыс. тонн) и предприятиях, передающих и распределяющих электроэнергию (2,4 тыс. тонн).

Экстремально высокого уровня загрязнения атмосферного воздуха в г. Пензе и других промышленных районах области за последние годы не наблюдалось (рис.1). Тем не менее, в крупных городах региона – гг. Пенза, Кузнецк, Никольск,  выбросы в атмосферу от стационарных источников в среднем на одного жителя области составили 23,3кг,  что превышает санитарно-гигиенические нормативы.

Анализ показывает, что в целом наметилась тенденция к увеличению уровня загрязнения атмосферного воздуха, на 7,5% стационарными источниками. Основными загрязняющими веществами являются: окись углерода, диоксид серы, оксид азота, формальдегид, углеводороды, пыль и др..Выхлопные газы автомашин дают основную массу свинца, износ шин - цинк, дизельные моторы – кадмий, бензапирен. Доля выбросов автотранспорта составляет в Пензенской области – 70%, (Москве – 80%, Санкт-Петербурге – 75%, Республике Башкортостан – 57,4%, Магаданской области – 50%).

Почва, в отличие от других компонентов природной среды, не только геохимически аккумулирует компоненты загрязнений, но и выступает как природный буфер, контролирующий перенос химических элементов и соединений в атмосферу, гидросферу и живое вещество.

Рисунок 1 Валовые выбросы загрязняющих веществ в атмосферный воздух промышленными предприятиями

Источником загрязнения также являются предприятия занимающиеся хранением  и  снабжением потребителей нефтепродуктами. В пробах  грунта  с площадок, примыкающих к  АЗС, на глубине до 1метра содержание нефтепродуктов колеблется от 76 до 560 мг/кг почвы. В глубинных горизонтах  до 3000 мг/кг почвы, что соответствует высокому уровню загрязнения. Наибольшее содержание нефтепродуктов было обнаружено на АЗС№ 9 в районе Кривозерья. Содержание нефтепродуктов в почвах загрязнённых  вследствие производственной деятельности, а также аварийных ситуаций на ж/д ЛПДС "Пенза",  сортировочная станция Пенза-3,  достигает от 1935 мг/кг до 165700 мг/кг почвы,  что соответствует высокому и очень высокому уровню загрязнения.

Найдены превышения ПДК по Cd, Pb, Ni, Cu, Сг и Со в районах областного центра.

Свыше 90% всех болезней человека прямо или косвенно связано с состоянием окружающей среды, которая является либо причиной возникновения заболевания, либо способствует его развитию (Глазовская, 1994; Ладонин и др., 1994; Протасов, 2001; Юфит, 2002). Особая проблема возникает в связи с загрязнением окружающей природной среды редкими и рассеянными элементами, обладающими биоцидным действием, например, ртутью, кадмием, свинцом, мышьяком, селеном и другими.

Загрязнение отдельных природных объектов Пензенской области, соединениями мышьяка  и тяжелыми металлами (ТМ) напрямую связано с проблемой уничтожения химического оружия. В 1994 году природоохранными органами были обнаружены три места предполагаемого прежнего уничтожения химического оружия (Панкратов, Мишанин, 1999).

Нами были проведены исследования в п. Леонидовка, где размещается один из крупных арсеналов химического оружия, где хранится  до 17,2 % всего химического оружия России. Это зарин, зоман, иприт, люизит и другие, снаряженные в корпусе боеприпасов (Шеменко, Демидюк, 2000).

При оценке загрязнения почвы Леонидовского лесничества ТМ проводили определение валовых и подвижных форм металлов в образцах серой лесной легкосуглинистой почвы в зависимости от источника загрязнения место прежнего уничтожения химического оружия (УХО). В почвах лесного массива, по сравнению с пограничной пашней при равном удалении от источника загрязнения (табл. 1), отмечается более низкое содержание тяжелых металлов (за исключением мышьяка и марганца).

Нашими исследованиями установлено, что уничтожение химического оружия оказало существенное влияние на накопление одного из самых токсичных элементов – мышьяка. При этом содержание его валовых форм вблизи оз. Моховое больше в 77-98 раз, подвижных форм – в 27-98 раз, чем на не загрязненной почве. Вместе с тем следует учесть, что фактическое загрязнение превышающее ПДК отмечается на расстоянии до 2000 м от источника загрязнения, что свидетельствует об антропогенном происхождении. 

Таблица 1

Содержание ТМ и мышьяка в верхнем слое серой лесной легкосуглинистой почвы

Угодие

Содержание валовых форм, мг/кг

As

Pb

Cd

Zn

Hg

Cu

Ni

Mn

Удаление на 2 км

Лес

2,12

8,9

1,03

49,3

0,052

11,5

17,6

435

Пашня

2,59

11,4

1,27

50,8

0,050

12,7

20,4

568

Удаление на 20 км – фон

Лес

0,18

10,5

0,25

40,2

0,05

13,1

18,5

390

Пашня

0,23

10,8

0,24

46,7

0,05

14,0

20,1

386

Что касается других изученных нами ТМ, то в их содержании не выявлено четкой закономерности в зависимости от места отбора почвенных проб (табл. 2).

Таблица 2.

Содержание ТМ и мышьяка  в зависимости от удаленности УХО, мг/кг почвы, слой 5-15 см

Расстояние от объекта УХО

(оз. Моховое), м

As

Pb

Cd

Zn

Hg

Cu

Ni

Mn

Валовые формы

50

87,20

7,1

1,61

38,4

0,061

9,8

18,9

319

100

65,10

8,3

1,24

41,3

0,038

19,3

20,5

372

200

13,20

10,2

1,17

35,2

0,042

13,2

17,3

451

500

3,47

6,5

1,29

37,1

0,055

10,1

30,1

392

1000

2,83

11,7

1,45

37,2

0,060

8,7

37,4

408

2000

2,12

8,9

1,03

49,3

0,052

11,5

17,6

435

ПДК

2,00

32,0

5,0

110

2,100

23

35

1500

Фон

0,18

10,5

0,25

40,2

0,050

13,1

18,5

390

Подвижные формы

50

6,30

2,88

0,72

15,1

0,47

2,65

121

100

1,40

3,12

0,68

18,3

0,31

3,12

133

200

0,50

3,07

0,33

11,4

0,58

2,89

142

500

0,70

2,92

0,37

10,7

0,60

2,43

127

1000

0,23

2,14

0,52

9,5

0,34

2,65

144

2000

0,20

2,44

0,19

15,2

0,78

3,14

109

ПДК

6,00

1,00

23,0

3,00

4,00

500

Фон

0,15

2,00

0,15

13,0

0,44

2,45

260

НСР05

8,4

Fф<F05

Fф<F05

Fф<F05

Fф<F05

Fф<F05

Fф<F05

Fф<F05

Валовое содержание ТМ в почве является фактором емкости, отражающим в первую очередь потенциальную опасность загрязнения продукции. В связи с этим А. Финк (1982) рассматривает шкалу нормирования по количеству валовых форм ТМ как сугубо приблизительную.

Таблица 3.

Содержание подвижных форм ТМ в почвах и растениях в зоне влияния промышленности мг/кг

Расстояние

от объекта, м

Глубина взятия образца, см

Pb

Cd

Zn

Cu

Co

Mn

Mo

Почва

50

0-10

10-20

20-30

5,54

5,43

4,89

0,56

0,40

0,31

6,87

7,50

4,42

0,42

0,38

0,35

1,0

1,8

1,2

32,21

22,4

9,79

2,6

3,5

3,1

500

0-10

10-20

20-30

5,50

4,82

3,97

0,15

0,09

-

2,60

2,46

2,40

0,40

0,27

0,42

0,9

1,0

1,1

21,28

8,14

35,30

3,4

2,2

2,6

1000

0-10

10-20

20-30

2,25

3,64

2,48

0,43

0,35

0,37

0,82

3,21

2,50

0,48

0,24

0,19

0,1

0,6

1,3

21,99

63,48

74,89

3,5

2,6

5,7

2000

0-10

10-20

20-30

5,90

3,86

4,62

0,64

0,67

0,65

6,20

2,73

2,01

0,30

0,34

0,29

1,7

1,0

1,3

23,39

19,54

11,3

49

6,7

3,8

ПДК

6,00

1,00

23,00

3,00

5,00

500

6,00

В наших исследованиях определение содержания подвижных форм ТМ показало, что в районе влияния промышленных объектов, почвенный покров незначительно загрязнен ТМ (содержание вредных ингредиентов в почве не превышает ПДК - табл. 3), так как при сгорании газа не происходит выбросов ТМ в воздух.

Рисунок  2  Содержание подвижных форм ТМ в почве в зависимости от расстояния от источника загрязнения (1 – 50 м; 2 – 100 м; 3 – 2000 м).

С целью изучения влияния самого крупного объекта энергетики в области на окружающую среду нами было проведено комплексное исследование прилегающей территории ТЭЦ-1.

Таблица 4.

  Элементный состав листьев древесных пород

Место отбора

Порода

Содержание элементов, мг/кг сухого вещества

Гигроскопичес-кая влажность, %

Fe

Ni

Zn

Cu

Ca

Mg

Mn

ТЭЦ, 50 м от источника

I

360,12

1,67

0,16

0,75

6722,69

9026,5

360,82

9,1150

III

168,50

1,60

0,15

0,99

12499,1

8811,3

164,41

8,8659

II

3900,6

6,40

7,38

3,70

23801,4

6901,8

829,59

9,6231

ТЭЦ, 500 м от источника

I

90,79

0,66

0,05

0,60

4073,60

>5000

305,96

9,0846

II

206,34

1,07

0,22

0,89

6700,62

>6000

780,94

9,20706

III

167,30

1,47

0,14

0,79

11284,8

>9000

100,96

9,3940

IV

476,85

1,39

0,32

1,48

7923,54

>4443,1

308,11

8,1486

ПЕНЗмаш

1

177,19

2,25

0,12

0,67

8079,5

>8000

458,15

9,0406

III

180,47

2,49

1,49

1,85

10657,2

>2000

514,1

8,1761

II

291,15

4,36

3,27

2,01

12727,4

>9000

1316,3

9,0619

IV

475,29

1,42

0,32

1,42

7895,3

  457,01

284,28

8,1488

Ахунский лес, контроль

I

12,69

0,40

0,04

0,04

3100,64

44,11

1,90

9,1150

II

76,84

1,70

0,16

0,32

13047,2

10318,3

104,52

10,4803

IV

120,06

1,34

0,12

0,58

11089,5

5091,7

100,85

9,0515

Примечание: I – акация белая; II – клен остролистный; III – тополь; IV – береза.

Результаты исследований показали (рис.2), что содержание ТМ, таких как цинк, марганец и медь не превышают предельно-допустимых концентраций на различных расстояниях от объекта исследования, но на расстоянии 50 м от источника содержание ТМ было выше, чем при удалении от этих объектов. Содержание свинца, кадмия и кобальта превышало ПДК. Причем это превышение было в 1,6-2,0 раза.

В этом же районе был исследован элементный состав листьев древесных пород, произраставших в нем. Результаты анализа листьев подвергшихся выбросам показали, что содержание химических элементов (на расстоянии 50 и 500 м), намного превышает контрольные величины. При приближении к объекту теплоэнергетики в листьях деревьев, в частности клена остролистного, тополя, березы и акации увеличивается концентрация Fe, Ni, Zn, Cu, Mn, на 1-2 порядка по сравнению с контрольными образцами (табл. 4).

Нами была также изучена концентрация ТМ в ветвях деревьев, находящихся в непосредственной близости автотранспортной магистрали Москва-Челябинск (таб.5).  Результаты исследования показали, что защитные зеленые насаждения улавливают существенное количество опасных загрязнений, т.к. со стороны автомобильной дороги все определяемые показатели, были выше, чем с противоположной стороны.

Таблица 5

Концентрация ТМ в ветвях деревьев, мг/кг сухой массы автомагистрали

Объект

исследования

Свинец

Цинк

Кадмий

Железо

ветви ивы

6/4

130/ 40

0,54/0,34

280/ 80

ветви осины

10/5

40/ 28

0,65/0,32

260 /100

хвоя сосны

11/6

64 / 41

0,33/0,28

235/ 72

Примечание:  в числителе – со стороны дороги,  в знаменателе - с противоположной стороны.

Пристальное внимание заслуживает техногенное накопление ТМ в почвах – начальном звене пищевой цепи. Столь же актуально изучение загрязнённости сельскохозяйственных культур, так как 70-80% общего количества ТМ, поступающих в организм человека, приходится на растительную продукцию (Ильин, Конарбаева, 1993; Глазовская, 1988; Добровольский, 1997; Brummer et al., 1983).

Таблица 6

Содержание ТМ в светло-серой лесной почве (0 - 15 см) автотранспортной магистрали

элемент

Содержание,

мг/кг

ПДК,мг/кг с учетом фона

элемент

Содержание,

мг/кг

ПДК,мг/кг с учетом фона

1000м (контроль)

Mn

Zn

Pb

Cr

617

84

14

57

1500

110

32

-

Cu

Ni

Cd

Co

69

37

1,2

9,5

23

35

5,0

-

500м

Mn

Zn

Pb

Cr

756

84

14

50

1500

110

32

-

Cu

Ni

Cd

Co

74

39

1,27

10,0

23

35

5,0

-

100м

Mn

Zn

Pb

Cr

983

90

21

107

1500

110

32

-

Cu

Ni

Cd

Co

79

34

2,4

11,1

23

35

5,0

-

50м

Mn

Zn

Pb

Cr

1006

96

34

94

1500

110

32

-

Cu

Ni

Cd

Co

80

27

5,7

30,3

23

35

5,0

-

В связи с этим внимание следует обратить на удручающую экологическую ситуацию с почвами населенных пунктов, где часто огороды жителей располагаются в непосредственной близости от дороги.

Изучение содержания ТМ в образцах почвы территории прилегающей к автомагистрали Москва - Челябинск показало, что большая её часть находилась в пределах и ниже допустимых концентрации (таб.6). Вместе с тем в почве расположенной в непосредственной близости от магистрали отмечалось превышение ПДК по свинцу и кадмию.

Другими словами, почвы, достигшие ПДК по валовому содержанию ТМ  - никеля, меди, свинца, кадмия, несомненно, являются токсичными. Это позволяет предположить их  миграцию по пищевым це­пям, что представляет реальную опасность здоровью населения. Для обоснования выводов необходимо проведение анализов проб сельскохозяйственной продукции, особенно это касается овощей, выращиваемых на огородах в придорожной полосе.

Изучение содержания ТМ в овощной продукции, выращенной на загрязненной почве, показало, что изучаемые виды растений обладают неодинаковой способностью поглощать и накапливать ТМ. Так содержание свинца, меди, цинка, никеля, хрома в капусте намного выше, чем содержание этих же элементов в томатах (таб. 7).

Таблица 7

Содержание ТМ в плодах овощных культур, выращенных на загрязненных почвах,

мг/кг сырой массы

Культура

Расстояние

от объекта, м

Элементы

Pb

Cu

Zn

Ni

Co

Cr

Cd

Капуста

50

0,48

1,40

6,62

1,01

0,15

0,38

0,03

100

0,32

1,0

2,68

0,3

0,1

0,46

0,02

500

0,28

0,51

1,0

0,1

0,09

1,77

0,02

1000

0,18

0,19

0,5

0,06

0,01

2,03

0,01

Среднее значение

0,35

0,9

3,9

0,52

0,1

0,93

0,02

Томаты

50

0,15

0,45

3,12

0,11

0,12

0,20

0,05

100

0,12

0,38

2,22

0,10

0,1

0,11

0,04

500

0,07

0,30

2,00

0,09

0,07

0,10

0,03

1000

0,07

0,27

1,3

0,03

0,02

0,04

0,02

Среднее значение

0,10

0,39

2,38

0,11

0,09

0,14

0,04

ПДК

0,5

5,0

10,0

0,5

10

0,2

0,03

В связи с тем, что транспортные магистрали могут оказывать определенное влияние на состояние окружающей среды, изучалось влияние железной дороги в пригородной зоне. Было  установлено, что по всем трем трансектам на расстоянии 5-20 (10) м от железнодорожного полотна в слое почвы 0-10 см отмечается повышенное содержание Pb, Cd, Ni и Mn. При этом превышение ПДК достигает по свинцу в 1,3–3,0 раза,  кадмию – в 1,7 раза, никелю – в 1,7-1,8 и марганцу – 1,1-1,2 раза (рис.3).

Потребление кадмия также зависело от вида растений: томаты - потребление кадмия в 1,5 раза выше, чем у капусты, при выращивании в одинаковых условиях.

Расстояние от автомобильной дороги также влияет на содержание всех ТМ. На расстоянии 5-50 метров содержание всех ТМ было выше, чем на расстоянии 500-1000м. Превышение  ПДК наблюдалось только по свинцу и кадмию. При высоком уровне свинца в почве он накапливается в больших количествах. При одинаковом содержании свинца в почве (1000мг/кг) томаты незначительно  накапливали свинец, а капуста аккумулировала его в количествах, в полтора раза превышающих ПДК. 

Приведенные данные позволяют заключить, что серые лесные легкосуглинистые почвы, расположенные вблизи источников загрязнения, способны накапливать мышьяк и ТМ в количествах, приближающихся к ПДК, и даже превосходить их.

Рисунок 3  Содержание тяжелых металлов в почве в зависимости от удаления от полотна железной дороги.

Изучение техногенного загрязнения почв нефтепродуктами в наших исследованиях показало, что био-экологические последствия его зависят от свойств почв, которые формируют её устойчивость, от параметров  самого загрязнения, удаленности от мест разлива нефтепродуктов. Как свидетельствуют исследования, все изученные почвы, территорий прилегающих к АЗС, по содержанию нефтепродуктов на расстоянии 10 м от мест забора горюче смазочных материалов относятся к среднезагрязненным (таб.8).

Таблица 8 

Показатели техногенного загрязнения почв нефтепродуктами.

Точка отбора

Почва

Содержание нефтепродуктов,г/кг

10 м

50 м

100 м

1

Серая лесная среднесуглинистая

220

100

80

2

Чернозем оподзоленный

среднесуглинистый

275

294

35

3

Чернозем выщелоченный  легкосуглинистый

324

125

29

4

Чернозем выщелоченный  тяжелосуглинистый

315

317

40

5

Серая лесная легкосуглинистая

220

3002

72

По мере удаления от АЗС содержание нефтепродуктов в серой лесной почве и черноземе выщелоченном снижалось. Исключение составила серая лесная легкосуглинистая почва, в которой на расстоянии 50 м от АЗС количество нефтепродуктов оказалось выше ПДК и составило 3002 мг/кг почвы. Видимо был разлив нефтепродуктов, в этих почвах имеющих более тяжелый гранулометрический состав происходило большее накопление нефтепродуктов, что вероятно связано с большей емкостью поглощения и содержания гумуса.

Таким образом, можно заключить следующее, почвы лесостепи Среднего Поволжья характеризуются значительной вариабельностью содержания валовых и подвижных форм ТМ. Выбросы в атмосферу как от автомобильного и железнодорожного транспорта, так и от объектов теплоэнергетики и промышленности, отрицательно влияют на рост и развитие растений, в результате чего  продолжительность их жизни намного короче, чем произрастающих вне города. Это еще раз подтверждает, что зеленые насаждения в городах являются барьером, сохраняющим ландшафты, и особенно почву от загрязнения. Увеличение площади зеленых насаждений в городах будет создавать условия безопасного проживания на загрязненных территориях.

Повышение концентрации химических элементов в зоне влияния источников загрязнения указывает на целесообразность разработки приемов и способов, позволяющих снизить количество их в почвах для получения экологически чистой продукции.

Глава 3 Влияние техногенеза на свойства почвы

Уже более ста лет назад основатель научного почвоведения В. В. Докучаев обратил внимание на необходимость исследований почв Санкт-Петербурга и других городов России. В 1890 г. он выступил за «Детальное естественно-исто­рическое, физико-географическое и сельскохозяйствен­ное исследование С.-Петербурга и его окрестностей», разработал комплексную, экологически всестороннюю программу исследований и привлек для ее исполнения самых выдающихся ученых. Так, в России было положено начало изучению городских экосистем и городских почв, в частности.

Таблица 9

Агрохимическая характеристика светло-серой лесной супесчаной почвы, в зоне промышленного влияния

Расстояние, м

Гори-зонт

Глубина, см

Гумус, %

Са

Mg

S

Hg,

V, %

pHкCl

pHH2O

мг-экв/100г почвы

мг/кг

А0

0-2

А1

3-10

2,31

7,2

1,6

8,8

3,3

72,7

4,9

5,6

А1А2

11-18

1,95

4,8

1,3

6,1

2,5

70,9

4,6

5,9

ВА2

25-35

0,42

4,7

1,8

6,5

1,8

78,3

4,5

5,9

100

В1

45-60

0,31

6,6

3,2

9,8

1,6

86,0

4,2

5,6

В2

70-80

6,5

3,5

10,0

2,2

82,0

4,0

5,5

ВС

80-90

7,0

3,2

10,2

1,5

87,2

5,7

6,6

С

150-160

6,0

А0

0-2

2,35

7,5

1,8

А1

3-10

1,99

4,9

1,4

9,3

3,1

75,0

5,1

5,8

А1А2

11-18

0,40

4,9

2,0

6,3

2,2

74,1

4,8

6,1

500

ВА2

25-35

0,30

6,4

2,3

6,9

1,9

78,4

4,6

6,1

В1

45-60

6,3

3,4

9,3

1,7

84,5

4,4

5,8

В2

70-80

7,0

3,2

9,7

2,1

82,2

4,0

5,5

ВС

80-90

10,2

1,5

87,2

5,7

6,6

С

150-160

6,0

А0

0-2

А1

3-10

2,37

7,6

1,9

9,5

3,0

76,0

5,1

5,8

А1А2

11-18

2,02

5,0

1,4

6,4

2,2

74,4

4,8

6,1

2000

ВА2

25-35

0,43

4,8

2,0

6,8

1,9

78,2

4,6

6,1

В1

45-60

0,28

6,5

3,0

9,5

1,7

84,8

4,4

5,8

В2

70-80

6,5

3,4

9,9

2,1

82,5

4,0

5,5

ВС

80-90

7,0

3,2

10,2

1,5

87,2

5,7

6,6

С

150-160

6,0

За последние сто лет анализ экологического состояния почв выявил резко выраженный деградационный тренд их антропогенной ди­намики (Козловский, 1987; 2003; Добровольский и др., 1996; Щеглов, 1999; Зайдельман, 1998, Карманов, Булгаков, 1998; Хитров, 1998; Щербаков и др., 1999; 2000; 2001; Надежкин, 1999; Герасимова и др., 2000; Васенёв, 2002). Деградация почв носит глобальный характер, являясь одной из главных причин экологического кризиса (Добровольский, 1997, 2003; Ни­китин,1999).

Большинство выбросов, в том числе и токсичных, сосредотачивается на поверхности почвы, где происходит их постепенное накопление. Это приводит к изменению её физико-химических свойств. Первый барьер, который встречают на своем пути факторы деградации почв - это гумусовые горизонты почв (Федорщак, 1978; Глазовская, 1981; Вайчис, Онюнас, Славенене, 1988; Богатырев, 1989,1994; Гузев, Левин, 1991; Куликов, 1995; Лысиков, 1996).

Изучение физико-химических свойств светло-серых супесчаных почв в зоне промышленного влияния показало, что содержание гумуса в горизонте А1 составляет 2,31% - 2,37%, вниз по профилю оно резко снижается и уже в горизонте ВА2 составляет 0,40% - 0,43% (табл. 9). 

Существенных различий по содержанию гумуса в зависимости от антропогенного воздействия не обнаружено. Содержание обменно-поглощенного Са в горизонте А1 составляет 7,2-7,6 мг-экв/100 г почвы. Сумма поглощенных оснований 8,8-9,5 мг-экв. В составе суммы поглощенных оснований доля Са составляет 82-80%. Нижняя часть гумусового горизонта элювиирована от Са и Мg, а в горизонте В1 и В2 отмечается их накопление. Гидролитическая кислотность составляет 3,0-3,3 мг-экв/100г. почвы. Профильное распределение характеризуется минимальным значением в горизонте В1 и некоторым увеличением в нижележащем горизонте В2. Значение рНkcl в горизонте А1 4,9-5,1 ед. Минимальное значение ее характерны для горизонта В2.

Анализ изменений агрохимических свойств в зависимости от удаленности от объекта выбросов показал, что наиболее значимые изменения в кислотно-основных свойствах в горизонтах А1 светло-серой почвы прослеживаются на расстоянии 100-200м (таб. 10). Различия рНсол. и рНвод на расстоянии 50 м составляет 0,38-0,51 ед. по сравнению с 2000 м от объекта (при НСР05 0,23 и 0,27 ед). В виде тенденции различия сохраняются до расстояния 500-1000 м от объектов выбросов.

Таблица 10

Изменение физико-химические свойства светло-серой лесной почвы в зависимости от расстояния до источника загрязнения (слой А1)

Рассто-яние, м

Глуби-на, см

рНКСl

pHвод

Ca,

мг-

экв/100г почвы

Mg,

мг-экв/100г почвы

S, мг/кг

Hg,

мг/кг

V,%

Гумус

50

3-13

4,75

5,32

7,13

1,58

8,71

3,44

71,7

2,33

100

3-12

4,89

5,59

7,22

1,63

8,85

3,32

72,7

2,31

200

3-13

4,94

5,72

7,35

1,71

9,06

3,26

73,5

2,37

500

3-14

5,08

5,77

7,48

1,84

9,32

3,07

75,2

2,35

1000

3-13

5,11

5,85

7,58

1,89

9,47

3,02

75,8

2,40

2000

3-12

5,13

5,83

7,63

1,94

9,57

2,98

76,2

2,37

НСР05

0,23

0,27

0,29

0,13

0,34

0,31

Fa< F05

Содержание обменно-поглощенного Са по сравнению с почвой не испытывающей кислотного воздействия снизилось на 0,5мг-экв 100 г. почвы, Мg на 0,36 мг-экв/100 г почвы.

Анализ данных по типичным разрезам, и изучение свойств почвы горизонта А1 в зависимости от удаления от объектов выбросов показывает, что обменно-поглощенный магний теряется интенсивнее, его потери на расстоянии 50 м. от выброса составили 18,56%, а Са 6,55% т. е. в 2,8 раза выше. Гидролитическая кислотность возросла на 0,34-0,46 мг-экв/100 г почвы. Указанные изменения вызвали снижение степени насыщенности основаниями на 3,5-4,5%.

Таким образом, почва территории прилегающей к промышленной зоне, по гранулометрическому составу характеризуется как супесчаная почва с четко выраженной элювиально-иллювиальной дифференциацией физического песка и глины. Антропогенное воздействие от котельной вызывает снижение сумм поглощенных оснований и роста кислотности в горизонте А1 и А2. Это проявляется на расстоянии до 2000м от источника выброса.

Исследованиями установлено, что антропогенное подкисление вызывает существенное изменение буферных свойств. Под действием аэротехногенного загрязнения снижается естественная и приведенная буферная способность в кислотном интервале и возрастает в щелочном (таб.11).

Таблица 11

Оценка кислотно-основной буферности почв в зависимости от расстояния до источника загрязнения  (группа/оценка показателя)

Расстояние

Естественная буферность

Приведенная буферность

от объекта, м

1

2

1

2

50

II / низкая

III / средняя

II / очень низкая

V / высокая

100

II / низкая

III / средняя

II / очень низкая

V / высокая

200

II / низкая

III / средняя

II / очень низкая

V / высокая

500

II / низкая

III / средняя

III / низкая

IV / средняя

1000

II / низкая

III / средняя

III / низкая

IV / средняя

2000

II / низкая

III / средняя

III / низкая

IV / средняя

Примечание: 1 - кислотный интервал; 2 - щелочной интервал

Изучение физико-химических свойств, светло-серой супесчаной почвы в зоне влияния автомагистрали показало, что они определяются уровнем воздействия техногенного загрязнения, которое зависит от расстояния до источника загрязнения. Так, по мере приближения к дороге возрастает как актуальная, так и обменная кислотность (таб.12).

Таблица 12

Изменение физико-химических показателей в зависимости от удаления автомагистрали

Расстояние от объекта, м

рННС1

рНН2О

S

Нг

V

%

Гумус

%

мг-экв/100г

5

4,58

5,32

12,4

3,67

70,2

-

50

4,89

5,89

12,9

3,44

78,9

2,33

100

4,96

5,72

13,1

3,32

79,8

2,31

500

5,08

5,77

13,8

3,07

81,8

2,35

1000

5,11

5,85

14,2

3,02

82,9

2,40

На расстоянии 5м от объекта рН KCI составляло 4,58 ед., при 50м – на 0,17 ед. рН KCI выше, на контроле (расстояние 1000м) – 5,11 ед. рН KCI . Аналогично изменялись актуальная и гидролитическая кислотность. Так, рН Н2О увеличивалась при расстоянии от дороги 5м на 0,75ед., при 50м на 0,5 ед. рН. Гидролитическая кислотность изменялась с 3,02 мг-экв. на контроле до 3,44 на расстоянии 50м и до 3,67 мг-экв/100г почвы при 5м от дороги.

Таким образом, чем ближе к полотну автомагистрали действие загрязняющих веществ усиливается, что сказывается на кислотных свойствах почвы.

Сумма поглощенных оснований изменялась от 14,20 мг-экв. на контроле до 12,54 мг-экв./100г почвы на расстоянии от полотна дороги. Существенно снижалась степень насыщенности почв основаниями с 82,9 до 70,2% соответственно. Содержание гумуса в почве по мере удаления от дороги на 1000м увеличилась на 0,07% по сравнению с количеством его в образце, взятом в 5 м от объекта.

Изучение влияния нефтезагрязнения на агрохимические свойства светло-серой лесной почвы показало, что нефть существенно влияет на реакцию почвенной среды (табл.13).

С увеличением уровня загрязнения происходило снижение кислотности. Показатель рНkcl повышался с 4,9 в незагрязненной почве до 6,8 при уровне нефти 10 л на 1 м2 . С повышением загрязнения до 20 л на 1 м2  происходило подщелачивание почвы, резко снижалась гидролитическая кислотность и возрастала сумма поглощенных оснований. Аналогичные изменения кислотных свойств почв отмечали и другие исследователи. Ф.Х. Хазиев. связывает уменьшение кислотности и появление щелочности с заменой ионов водорода в почвенном поглощающем комплексе на ионы натрия. Доля его в ППК на загрязненных нефтью почвах резко возрастает.

Таблица 13

Изменение агрохимических показателей светло-серой лесной почвы при нефтезагрязнении, слой – 0-15 см (после уборки клевера)

Вариант

рНkcl

Hr

S

содержание

С, %

N-NH4+

N-NO3-

P2O5

K2O

мг-экв.100г  почвы

Мг/кг почвы

Без загрязнения контроль

Нефть:

  5 л/м2

10 л/м2

20 л/м2

4,9

5,8

6,8

7,2

3,62

3,05

2,94

1,07

17,1

17,9

18,7

20,3

2,09

3,05

3,48

3,72

2,7

1,7

1,5

1,2

1,2

1,6

Следы

нет

55

57

55

59

68

70

65

68

Изучение содержания минеральных форм азота показало, что под действием нефти количество обменно-поглощенного аммония снижалось более, чем в два раза (с 2,7 мг/кг почвы контроля до 1,2 мг/кг при уровне загрязнения 20 л/м2). Содержание нитратной формы азота менялось иначе. При уровне загрязнения 5 л/м2  количество N-NO3-  возрастало на 37,5 % по отношению к незагрязненной почве. При уровне 10 л/м2 отмечались лишь «следы», а при 20 л/м2  нитратная форма вообще не обнаруживалась.

Под действием нефти происходят существенные изменения в содержании углерода в почве. Если в отсутствии загрязнения общий углерод составлял 2,09%, то с повышением уровня загрязнения он увеличивался и достигал максимума 3,72% при 20 л нефти на 1м2 . Можно предположить, что загрязнение вызвало изменение во фракционно-групповом составе гумуса. Как указывает Е.А. Бочарникова, в составе гумуса загрязненных почв увеличивается доля гумина, и снижаются процессы минерализации органического вещества, что сказывается на азотном режиме почв и в конечном итоге на урожайности сельскохозяйственных культур. Ухудшение азотного питания растений может быть обусловлено изменениями в микробном ценозе почвы. Поступление углеводородов вызывает кардинальную перестройку состава микробного сообщества, стимулируя развитие популяций, перерабатывающих этот субстрат и потребляющих значительное количество азота.

Глава 4 Биологические свойства почв под влиянием различных антропогенных источников

Общие закономерности изменений биологических свойств почвы по ме­ре возрастания в ней содержания загрязняющих веществ, сформулированы на основе экспериментальных материалов (Гузев, Левин, 1982, 1991; Гузев, Левин, Бабьева, 1986; Гузев, 1988).

Почвенная микрофлора – основной агент, осуществляющий круговорот биогенных элементов в почве, поэтому изменение численности и соотношения, основных эколого-трофических групп почвенных микроорганизмов приводит к смене направленности биогеохимических процессов в почве, может вызвать разрушение органического вещества (Мишустин; 1956; Карягина, 1983).

Под влиянием веществ антропогенного загрязнения может происходить изменение структуры и активности микрофлоры. Обладая значительной буферностью почва, до определенного предела загрязнения, сохраняет свои биохимические свойства (зона гомеостаза), хотя изменения в структуре комплекса почвенных микроорганизмов уже можно обнаружить (зона стресса). При значительном уровне загрязнения (зона ингибирования) необратимо меняется комплекс почвенных микроорганизмов (Кураков, Умаров, 1983). Изменение структурной организации комплекса почвенных микроорганизмов вызывает нарушение их функционирования (Наплекова, 1978; Гузева и др., 1985; Наплекова, Булавко, 1988).

За последние три десятилетия убедительно показано снижение численности колониеобразующих единиц (КОЕ) микроорганизмов, биомассы, разнообразия микроорганиз­мов, подавляется ин­тенсивность разрушения растительных остатков и трансформации азота (азотфиксации, денитрификации, нитрификации, аммонификации), актив­ность почвенных ферментов (каталазы, дегидрогеназы, уреазы, инвертазы, фосфатазы и др.) (Левин и др., 1989; Громов, Павленко, 1989; Ев­докимова, 2004).

Для микроскопических грибов и целлюлозоразрушающих микроорганизмов выявлено снижение разнообразия видов при накоплении в почве ТМ и других антропогенных воздействиях (выбросы промышленных предприятий, внесение больших доз минеральных удобрений и др.). Минеев В.Г. (1991) утверждает, что на черноземах и дерново-подзолистых почвах загрязнение  Cu ,Cr, Zn, Ni, Pb  на уровне одного - двух кларков сопровождалось уменьшением в почвах общего количества бактерий, их спорообразованием, резким сокращением числа актиномицетов и увеличением количества грибов снижением численности дождевых червей и насекомых.

Результаты наших исследований по изучению влияния загрязнения на эколого-трофические группы микроорганизмов почвы показали, что численность амонификаторов в почвах промышленных районов города была в 2-3 раза ниже, чем на контроле (рис. 3). Численность иммобилизаторов азота на порядок ниже, чем на контроле. Такие же соотношения наблюдали и для групп олигонитрофилов. Целлюлозоразрушающих микроорганизмов было меньше, чем на контроле. Численность актиномицетов снижалась на контроле. Численность грибов значительно варьировала на контроле и в опытных образцах с объекта, но тенденции к ее снижению также просматривались.

1–Промзона Пензмаш»

0-10 см

- 10-20 см

2 – Промзона ТЭЦ-1

-  0-10 см

-  10-20 см

3 – Контроль.-Ахунский лес

0-10 см

10-20 см

  Рисунок. 4  Численность экологотрофических групп микроорганизмов в почвах

Таким образом, развитие всех эколого-трофических групп почвенных микроорганизмов было угнетено. Наиболее чувствительна бактериальная микрофлора степень ингибирования наибольшая особенно для группы олиготрофов.

Мицелиальные формы почвенных микроорганизмов (грибы, актиномицеты) оказались более устойчивыми к воздействию вредных ингредиентов на почву, ингибирование их развитие наблюдали на территории примыкающей к промышленным объектам, где бактериальные формы снижали свою численность уже на порядок.

Системы нефтепродуктообеспечения (нефтетрубопроводы и сеть автозаправочных станций) являются дополнительными источниками загрязнения почв. С увеличением количества автомобильного транспорта возрастает число АЗС, увеличивается тем самым и негативное воздействие.

Загрязнение нефтепродуктами оказало влияние на энзиматическую (ферментативную) активность почв территории прилегающих к АЗС в наших исследованиях (табл. 14).

Под действием загрязнения как в серой лесной почве, так и в черноземе наиболее сильно изменялась активность каталазы, характеризующей интенсивность окислительно-восстановительных процессов. Интенсивность биохимических процессов  в определенной степени зависит от степени загрязнения почв (Колесников, и др.,2000; Казеев,2004).

Таблица 14

Энзиматическая  активность почв территорий прилегающих к АЗС  (среднее за 3 года).

Почва

Ферменты

Каталаза, мл 0,1н КМпО4

Уреаза, мг NH4 на

  100г почвы

Инвертаза, мг глюкозы на 100 г почвы

Расстояние, м

10

50

100

10

50

100

10

50

100

Серая лесная среднесуглинистая

2,80

2,98

3,07

11,8

16,2

17,7

26,6

30,8

33,6

Чернозем оподзоленный

Среднесуглинистый

2,63

3,16

3,16

26,0

29,9

31,7

34,2

39,5

40,9

Чернозем выщелоченный  легкосуглинистый

2,80

3,10

3,14

25,9

26,4

29,7

32,3

36,8

40,4

Чернозем выщелоченный  тяжелосуглинистый

2,94

3,15

3,09

21,9

23,8

29,2

40,4

43,5

50,7

Серая лесная легкосуглинистая

2,4

3,17

3,28

10,0

14,1

16,0

20,1

26,6

29,7

С повышением содержания нефтепродуктов в почве активность этого фермента значительно снижалась. Так при увеличении количества нефтепродуктов в серой лесной легкосуглинистой почве до 3002 мг/кг почвы каталаза составила всего лишь 3,17. В остальных почвах наименьшая активность её была на расстоянии 10м от мест забора нефтепродуктов. То же самое отмечается относительно устойчивости уреазы. Выявить каких-либо закономерностей относительно влияния загрязнения на активность и инвертазы не удалось.

Результаты исследований влияния нефтезагрязнения на микрофлору показали, что загрязнение нефтью вызвало в черноземе выщелоченном формирование микробных комплексов, влияющих на разные биохимические процессы в почве и в первую очередь, на трансформацию и использование  разных форм азота (таб.15).

При попадании нефти в почву микрофлора испытывает стресс, который вызывается высокой концентрацией углеводородов. Резко почти в 3 раза снижается количество микроорганизмов, усваивающих азот из органических азотсодержащих соединений. Вместе с этим появляются микроорганизмы, потребляющие минеральные формы азота, а это значит, что идет сильная иммобилизация (закрепление в микробной клетке) этих соединений. В этом случае микроорганизмы выступают как конкуренты культурных растений в потреблении азотной пищи.

Таблица15

Влияние нефти на численность микроорганизмов основных эколого-трофических групп (среднее за 3 года).

Вариант опыта

Бактерии, усваивающие

азот, млн/г

Микроорганизмы

млн/г 

Показатель минерализации-иммоби-лизации

Показатель олиготроф-

ности, %

органи-ческий

минераль-

ный

эвтроф-ные

олиготр-офные

Контроль

10,7

32,9

51,9

59,3

3,85

114

Нефть: 5 л/м2

5,2

35,7

56,2

78,1

3,75

139

10 л/м2

7,1

39,0

33,7

68,2

9,81

162

  20 л/м2

3,5

47,4

43,1

70,2

11,3

202

Зона устойчивости бактерий, утилизирующих минеральный азот, гораздо шире. О наличии их в составе популяций, устойчивых к более сильному загрязнению, свидетельствует увеличение их численности при уровнях нефти 20 литров на квадратный метр. Высокий процент олиготрофов в микробном комплексе (их на 37% больше, чем эвтрофных микроорганизмов) и достаточно высокие в абсолютном выражении показатели  при уровнях загрязнения от 5 до 20 литров на квадратный метр, позволяют отнести их к наиболее устойчивой части микробного ценоза чернозема выщелоченного. Преобладание олиготрофов в почве указывает на неблагоприятный  трофический режим.

Изучение нитрификационной способности чернозема при разном уровне загрязнения нефтью дает основание выявить потенциальные возможности почв к образованию одной из главных форм минерального азота – нитратной в обеспечении растений азотным питанием. Загрязнение нефтью вызывает ухудшение азотного режима, что обусловлено перестройкой в микробном ценозе почвы.

Поступление углеводородов вызывает кардинальную перестройку состава микробного сообщества, стимулируя развитие популяций, перерабатывающих этот субстрат и потребляющих значительное количество азота. По мнению Д.Г. Звягинцева и В.С.Гузева, депрессия нитрификационного процесса является своеобразным механизмом ауторегуляции биохимических процессов в условиях значительного расширения соотношения С:N, который заключается в направлении круговорота азота по более короткозамкнутому циклу.

Исследования показали, что при компостировании почвы при температуре 25оС и 60% капиллярной влагоемкости и полном доступе воздуха, нитрификационная способность не только не увеличивалась, но даже снижалась с увеличением количества сырой нефти (табл. 16). 

С увеличением количества нефти, попавшей в почву, содержание нитратного азота снижалось как до компостирования, так и после него. По сравнению с незагрязненной почвой нитрификационная способность снижалась на 26-130 %.

Период наибольшего дефицита минерального азота частично совпадает с периодом максимального развития углеводородоокисляющих микроорганизмов. Возможно, что снижение нитрификации было вызвано не столько прямым токсическим действием углеводородов, сколько перестройкой трофических цепей, вследствие чего нитратный азот сразу же «перехватывается» микроорганизмами. Об этом свидетельствует количество их потребляющих минеральных форм азота.

Таблица  16

Содержание нитратного азота в зависимости от доз нефти (среднее за 3 года).

п/п

Варианты опыта

Количество нитратного азота, мг/кг воздушно-сухой почвы

До  компостиро-вания

После компости-рования

Нитрификационная способность

1

Контроль-

5,8

29,5

23,7

2

нефть 5 л/м2

3,4

20,4

17,0

3

10 л/м2

3,0

10,1

7,1

4

20 л/м2

2,4

2,7

0,3

НСР05 : частных различий – 1,38

       вариантов – 0,79

       срока определения – 0,69т

Важным показателем интенсивности трансформации углеродсодержащих соединений в почве является уровень выделения углекислого газа или «дыхание почвы».

Определение СО2 проводили один раз за вегетацию зерновых культур, в период их выхода в трубку – начало колошения. Исследования показали, что при внесении нефти в почву разложение органических веществ несколько снижалось. Вместе с тем выявить влияние повышенных доз поллютанта на этот процесс не удалось. Если на контроле выделялось за трехчасовую экспозицию 585 мл/час СО2 , то при внесении нефти 5,10,20 л/м2  соответственно 400, 430-450 мл /час СО2 .

Глава  5  Оценка применимости различных показателей биологического состояния в диагностике загрязнения объектов исследования

В настоящее время по многочисленному мнению как российских, так и зарубежных ученых можно говорить о появлении нового экологического фактора - загрязненного атмосферного воздуха, оказывающего значительное влияние на биосферу и на растения в частности (Rice, 1970; Помазкина и др.,1999;  Протасов,2001; Юфит,2002; Добровольский,2003, Николайченко,2007). Под воздействием атмосферных загрязнений на листьях растений появляются различные повреждения, ухудшается рот растений (особенно древесных), снижается продуктивность сельскохозяйственных культур, в некоторых случаях происходит гибель естественных фитоценозов (Илькун,1970; Эверт,1970; Николаевский,1979; Глазачев,1980; Стрельцов А.Б., 1999; Черненькова Т.В., 2002; Банникова, Мамошина,2005).

Наиболее распространенный метод биоиндикации – анализ видимых повреждений (Меннинг У.Дж.,1985). Видимые микроскопические изменения листьев наиболее чувствительных древесных растений можно использовать для первоначальной оценки аэротехногенного загрязнения городов (Федорова, Никольская, 1997). Повреждаемость деревьев и кус­тарников может быть ответной реакцией на токсичность среды обита­ния.

Обследования состояния посадок древесных растений в промышленных районах г. Пензы и в рекреационной зоне (п. Ахуны) проводили с июня по сентябрь. Изучалось состояние древесных и кустарниковых пород: каштана конского (Aesuelus hippocastanum), березы повислой (Betula pendula), клена остролистного (Acer platanoides), липы мелколистной (Tilia cordata mill), тополя черного  (Populus  nigro),  ели  колючей  (Picea pungens),  рябины обыкновенной  (Sorbus aucuparia L.), акации белой (Robinia preudacacia).  Были исследованы морфолого-физиологические показатели: такие как  поражение листьев; площадь поверхности листьев; показатели водного режима.

Наблюдения проведенные нами 2000-2006г.г. показали, что аэротехногенное загрязнение проявлялось в поражении листовых пластинок уже в начальный период вегетации растений (первая декада июня). Они выражались в появлении «медной росы» (у липы и клена), потере тургора, возникновении хлорозов, изменении окраски (пожелтение, побурение, побронзовение), появлении некрозов, искривления листовой пластинки и возникновении уродливых форм листьев (у каштана и рябины). Негативные изменения особенно отмечались в условиях сухого лета и привели к тому, что у некоторых пород деревьев (каштан конский, липа мелколистная, клен остролистный) уже в конце  июля - начале августа листья имеют 50-60% хлоротично-некротической поверхности. Наиболее сильно хлорозы и некротические повреждения выражены у чувствительных пород - каштана конского и липы мелколистной, тогда как у тополя черного поражение листьев не превышало 10%, причем нижние ветви, обращенные к дороге, повреждаются сильнее верхних. Видимые повреждения обычно неспецифичны и могут указывать на различные факторы, которым подвергаются высшие растения.

Таким образом, видимые макроскопические изменения листьев наиболее чувствительных древесных растений можно использовать для первоначальной оценки загрязнения.

Сведения относительно использования содержания хлорофилла (и других пигментов) как биоиндикационных признаков в литературе противоречивы. Ряд ученых считает этот признак недостаточно информативным и специфическим, хотя первой стадией видимых хлорозов листьев как раз и является разрушение хлорофилла под влиянием неблагоприятных факторов (Miller, Parmeter, 1969; Halbwachs, 1970, 1971, Попова, 2007). В то же время другие исследования показали, что у чувствительных к загрязнению видов наблюдается до появления видимых изменений снижение содержания хлорофилла и это может служить достаточно надежным неспецифическим биоиндикационным признаком (Гремта, 1970; Илькун, 1970; Майдебура, 2006).

В связи с этим в качестве фитоиндикаторов, нами были использованы газочувствительные виды древесных растений - клен остролистный и ель обыкновенная.

Результаты исследования показали, что уровень содержания хлорофилла у древесных пород колебался в значительных пределах. Несмотря на то, что общая тенденция изменения содержания хлорофиллов под влиянием загрязнения атмосферы была схожа у исследуемых видов, отмечено,  что содержание хлорофилла лиственных пород (клен остролистный) было несколько выше, чем у хвойных пород. Однако известно, что недостаток азота, железа и других элементов также быстро сказывается на окраске листьев и разрушении хлорофилла в них и очень часто используется для оценки низкого плодородия почв (Гремта, 1970; Илькун, 1970). Поэтому определение хлорофилла не может быть биоиндикационным признаком и этот показатель следует учитывать и использовать в сочетании с другими признаками.

Водный режим растений – один из информативных специфических показателей воздушной и почвенной среды. Нами был определен водный дефицит, относительный тургор, водоудерживающая способность и др. показатели водного режима. Результаты исследования показали, что в засушливый период, даже на контрольном участке (п. Ахуны) все показатели водного режима характеризовались значительной вариабельностью.

Считается,  что одним из индикаторных показателей является площадь листьев и асимметрия листа. Исследовались образцы  из зон с различной степенью загрязнения. Результаты морфометрических измерений показали среднее (каштан конский и береза) и сильное (липа и тополь черный) варьирование признака.  Характерное некоторое увеличение средней площади листьев в промышленной зоне и ТЭЦ, по сравнению с контролем, возможно обусловлено действием невысоких концентраций загрязняющих веществ (окислов азота, серы и т.д.), а уменьшение, с увеличением транспортной нагрузки, что подтверждается корреляционным анализом. Следовательно, площадь листа не является достаточно информативным биоиндикационным признаком в связи с ее сильной изменчивостью.

Наиболее доступная и широко применяемая морфогенетическая мера нарушения стабильности развития - флуктуирующая асимметрия (ФА) как результат неспособности организма развиваться по точно определенным путям. Под флуктуирующей асимметрией понимают мелкие ненаправленные отклонения от симметричного состояния (Захаров, 1987; Егорова,2006). Для оценки неблагополучия городской среды можно использовать флуктуирующую асимметрию тополя черного (Populus nigra) и березы повислой (Betula pendula).

Таблица 17

Флуктуирующая асимметрия листьев древесных растений в точках исследования

Место отбора

Липа

Тополь

Каштан

Береза

проб

мелколистная

черный

конский

повислая

Лес - контроль

0,019

0,014

0,022

0,008

ТЭЦ

0,024

0,025

0,034

0,018

ОАО «Пензмаш»

0,020

0,022

0,020

0,020

Автомагистраль

0,041

0,027

0,039

0,024

Пределы варьирования

0,014-0,056

0,011-0,034

0,010-0,040

0,006 - 0,029

Результаты исследований ФА показали (табл.17), достоверное превышение различия, между левой и правой сторонами листа, на объектах теплоэнергетики и автомагистрали, по сравнению с контролем и отмечалась у тополя, березы (в половине всех случаев). Поэтому именно эти древесные породы можно использовать с большей вероятностью для оценки неблагополучия городской среды, что согласуется с данными Никольской, Федоровой, Поршневой, 1987; Шунелько, 2000; Солдатовой,2006.

Совместное действие нескольких загрязнителей воздуха (автотранспорт, промышленные предприятия) оказывает усиливающее негативное действие на растительность, в результате чего происходит снижение относительного жизненного состояния древостоя за счет увеличения пораженности листа и кроны, снижения облиственности кроны всех исследованных растений, что не может не сказаться на общей продуктивности растений.  На основании полученных нами данных, уровень устойчивости исследованных видов древесных пород к загрязнению воздушной среды снижался в ряду: ель колючая – клен остролистный – липа мелколистная -  рябина обыкновенная.

Диагностика повреждений (густоты кроны, наличие на стволе мертвых сучьев, степень повреждения листьев) и оценка их относительного состояния показали, что негативное влияние загрязнения на изучаемые виды увеличивалось в следующем ряду: лес – ТЭЦ – промышленный комплекс – автомагистраль. Уровень устойчивости, исследуемых видов пород к загрязнению, снижался в ряду: ель – клен – тополь – береза –акация – каштан – липа – рябина (рис.5).

Рисунок 5  Диагностические признаки древостоя

  В качестве растений биоиндикаторов могут быть рекомендованы -  липа мелколистная и рябина обыкновенная (Шаркова,Надежкина, 2007).

Результаты оценки, применимости различных показателей биоиндикации, в диагностике загрязнения окружающей среды показали, что такие показатели,  как: площадь листа (в связи с сильной ее изменчивостью), показатели водного режима (в связи со значительной вариабельнностью), содержание хлорофилла (т.к. недостаток N, Fe и др. элементов также сказывается на окраске листьев и содержании хлорофилла) - являются недостаточно информативными.

Анализ анатомо-морфологического состояния древесных пород, произрастающих в условиях различного загрязнения воздушного бассейна в черте города, дал возможность установить растения - биоиндикаторы (липа мелколистная, каштан конский, рябина обыкновенная) и для определения пригодности местообитания произрастающих  пород деревьев. При оценке влияния загрязнения воздушного бассейна города, в качестве основного способа для фитомониторинга можно использовать тестовый показатель флуктуирующую асимметрию листовых пластинок.

Показателями биологической активности, применямыми в биоиндикации почв, могут  служить количество микроорганизмов, активность ферментов азотного обмена и катализирующих окислительные процессы (оксидоредуктаз); выделение углекислоты, то есть “дыхание” почвы; скорость разложения клетчатки; способность почвы к аммонификации и накоплению нитратов.

Для биоиндикации антропогенного влияния вредных выбросов на почву были использованы микробиологические методы исследования. Известно, что комплекс почвенных микроорганизмов является наиболее мобильным показателем, чутко отражающим изменение окружающих условий, попадание в почву вредных ингредиентов.

Результаты исследований по изучению влияния загрязнения на эколого-трофические группы микроорганизмов почвы показали, что численность основных их групп: аммонификаторов, иммобилизаторов азота, олигонитрофилов, целлюлозоразрушающих, актиномицетов,  была меньше, чем на контроле.  Численность грибов значительно варьировала на контроле и в опытных образцах с объекта, но тенденции к ее снижению также просматривались (табл.18).

Таблица 18

Численность основных эколого-трофических групп микроорганизмов,

тысяч  на 1 г абсолютно сухой почвы.

Место сбора образца

Глубина

Аммонификаторы

Иммобилизаторы азота

Олиготрофы

Грибы

Актиномицеты

Целлюлозоразрушающие аэробы

Контроль,

Ахунский лес

0-10

7524

9698

13873

34,9

517

105,4

10-20

6753

10247

14929

25,9

511

95,9

ТЭЦ

0-10

4531

5742

7021

12,49

889

68,7

10-20

3826

6297

6753

16,0

748

59,7

Промышленная  зона

0-10

2153

1600

1900

23,9

125

26,6

10-20

2097

2153

2025

15,0

121

34,1

Автомобильная магистраль

0-10

2268

4551

3529

14,8

765

49,0

10-20

2522

-

3148

21,9

649

-

АЗС

0-10

2712

3176

3287

12,3

760

45,9

10-20

2650

4794

4804

18,9

620

52,0

Таким образом, развитие всех эколого-трофических групп почвенных микроорганизмов было угнетено. Наиболее чувствительна бактериальная микрофлора, степень ингибирования наибольшая особенно для группы олиготрофов. Мицелиальные формы почвенных микроорганизмов (грибы, актиномицеты) оказались более устойчивыми к воздействию вредных ингредиентов на почву, ингибирование их развитие наблюдали на прилегающей территории завода, котельной, автомобильной магистрали, где бактериальные формы снижали свою численность уже на порядок. Среди целлюлозоразрушающих микроорганизмов 90-95% составляли актиномицеты, но чувствительность этой группы  была значительно выше, чем всего пула актиномицетов в почвы. Установлен новый факт достоверности снижения численности и биомассы микроорганизмов по мере возрастания степени загрязнения почвы выбросами.

Снижение абсолютной численности и изменение соотношения эколого-трофических групп почвенных микроорганизмов (бактериальных и мецелиальных форм)  может быть эффективным индикатором техногенной нагрузки на почву

Для оценки антропогенного влияния на почву токсических веществ, оперативным и прогрессивным являются биохимические показатели, дающие сведения о динамике важнейших ферментативных процессов в почвах (Казеев, 2001; Колесников, 2004).

Некоторые показатели биологической активности при возникновении в почве стрессовой ситуации изменяются раньше, чем другие почвенные характеристики, например, агрохимические (Звягинцев, 1989, Лебедева, 1984). Ферментативная активность почвы является одним из таких показателей.

В рамках исследования проводилось изучение влияния мышьяка на инвертазную, уреазную, каталазную и протеазную активности серой лесной легкосуглинистой почвы. Выбор именно этого химического элемента для изучения обусловлен следующими соображениями: токсичность мышьяка хорошо известна. В организм человека он поступает с воздухом, водой и пищей. Его повышенное содержание может привести к таким заболеваниям как нарушение функций желудка, рак легких и кожи, невритам.

В результате проведенных исследований влияния прежнего уничтожения химического оружия (УХО) в пригородной зоне установлено, что техногенное загрязнение мышьяком подавляет ферментативную активность почвы. С увеличением степени загрязнения ее мышьяком резко снижается активность ферментов: уреазы, каталазы, инвертазы и протеазы (табл. 19).

Таблица 19

Ферментативная активность серой лесной легкосуглинистой почвы при загрязнении мышьяком (среднее за 4 года)

Расстояние от мест УХО, м

As, мг/кг

Уреаза

Каталаза

Инвертаза

Протеаза

50

87,20

0,5

не обнаружено

1,7

не обнаружено

100

65,10

1,7

не обнаружено

2,9

0,3

200

13,20

1,9

0,4

4,8

0,9

500

3,47

2,4

0,4

6,7

2,5

1000

2,83

8,7

1,1

13,0

5,0

2000

2,12

13,0

2,9

26,8

7,3

Фон

0,18

17,4

4,0

42,0

19,5

Примечание: Инвертаза – мг глюкозы на 100 г почвы;  каталаза – в мл 0,1 Н КMnO4; протеаза – в мк моль лейцина на 1 г почвы;  уреаза - мг NH4 на 100 г почвы за 20 ч.

По степени устойчивости к загрязнению мышьяком почвенные ферменты располагаются следующим образом: уреаза > инвертаза > протеаза > каталаза.

Результаты наших исследований показали, что связь активности ферментов с количеством мышьяка в почве выражается следующими уравнениями регрессии:

Уреазная активность = 8,20 – 0,29As + 0,002 As0,5 r2 = 0,618

Инвертазная активность = 29,88 + 0,732 As – 9,63 As2 r2 = 0,623

Протеазная активность = 9,56 + 0,238 As – 3,165 As2  r2 = 0,770

Каталазная активность = 3,08 + 0,081 As – 1,069 As0,5 r2 = 0,561

Установленные связи позволяют использовать показатели ферментативной активности почв в качестве индикаторов загрязнения почв мышьяком.

Глава 6  Оценка приемов реабилитации техногенно-загрязненных почв

При техногенном воздействии, как было показано выше, наблюдается устойчивая тенденция к накоплению ТМ и мышьяка в серой лесной почве, поэтому одной из задач наших исследований был поиск приемов снижения подвижности их и поступления в растения, выращенные на почвах, испытывающих значительное загрязнение.

Поступая в почву в больших количествах ТМ, в первую очередь влияют на биологические свойства почвы, кроме того, способны изменять и более консервативные её признаки, такие как гумусное состояние, структуру, кислотность и др. В итоге всё это ведет к частичной, а в некоторых случаях и к полной утрате плодородных свойств почвы (Эрих, 1981; Смит, 1985; Марфенина, 1991; Орлов и др., 1991; Ильин, 1995; Колесников, Казеев, Вальков, 2000; Lester, 1985; Гармаш, Графская, 2002).

Большинство ТМ наиболее подвижны в кислой среде (рН < 5). Почвы лесостепи Приволжской возвышенности даже под целинной травянистой растительностью характеризуются значительной гидролитической кислотностью, достигающей 3-6 мг-экв/100 г почвы (Кузнецов и др., 1966; Лебедева, Семина, 1974; Лобов и др., 1984; Надежкин, 1999).

Для реабилитации химически загрязнённых почв необходим комплекс мероприятий, включающий химическое связывание токсических веществ в недоступные для растений соединения, биогенное обогащение, агротехнические, мелиоративные и другие приёмы (Минеев, 1990; Фатеев, Самохвалов, Мирошниченко, 2000).

Значение известкования как способа мелиорации почв общеизвестно и хорошо изучено для дерново-подзолистых почв (Алямовский, 1941; Корнилов, 1955; Кедров-Зихман, Ярусов, 1955; Авдонин, 1969; Небольсин, 1983; Шильников, Лебедева, 1987; Аканова, 2003 и др.).  Внесение минеральных и органических удобрений также ведут к ограничению подвижности загрязняющих веществ и следовательно к снижению токсичного действия их на растения (Ильин, Степанова, 1982; Зырин, 1985; Колесников, Казеев, Вальков 2000; Помазкина, Котова, Лубнина, Зорина, Лаврентьева, 2004).

6.1  Влияние приемов реабилитации на содержание поллютантов в серой лесной почве

Нами было изучено в качестве приема снижающего техногенное воздействие,- известкование, внесение вермикомпоста и минеральных удобрений.

Влияние изучаемых приемов на содержание тяжелых металлов характеризовалось тем, что под влиянием известкования доломитовой мукой по полной гидролитической кислотности существенно снизилось количество подвижных форм всех металлов и увеличилось мышьяка (таб.20).

Так после уборки яровой  пшеницы содержание Pb было на 21-29%, Cd на 22-36, Zn - на 26-34, Сu - на 41-50, Ni - на 31-34, Mn  - на 24-25% ниже чем на контроле.

В последующем эта тенденция сохранялась и после уборки четвертой культуры севооборота (озимой ржи). Количество подвижных форм тяжелых металлов было даже ниже, чем после яровой пшеницы. Это обстоятельство свидетельствует о продолжительном мелиорирующем действии известкования на содержание тяжелых металлов в серой лесной почве.

Таблица 20

Содержание подвижных форм ТМ под влиянием доломитовой муки и минеральных удобрений в серой лесной почве, мг/кг  почвы, слой 0 - 15 см

Варианты

опыта

Pb

Cd

Zn

Cu

Ni

Mn

As

1 поле, 1996 г, перед внесением удобрений

Без удобрения

2,4

0,11

3,9

0,41

1,40

47,3

0,42

1997 г., после уборки яровой пшеницы, сорт Л-503

P30K30

2,4

0,11

3,8

0,40

1,41

47,3

0,42

N30P40K40

2,4

0,12

3,9

0,39

1,39

47,5

0,39

Ca1.0

1,7

0,07

2,5

0,26

0,97

36,1

0,53

Ca1.0+ N30P40K40

1,9

0,09

3,7

0,30

1,12

41,3

0,49

2000 г. после уборки озимой ржи

P30K30

2,4

0,12

3,8

0,42

1,42

47,1

0,44

N30P40K40

2,4

0,11

3,7

0,44

1,45

47,0

0,38

Ca1.0

1,5

0,06

2,1

0,19

0,85

28,3

0,57

Ca1.0+ N30P40K40

1,8

0,09

3,1

0,25

1,04

35,9

0,48

2 поле, 1997 г, перед внесением удобрений

7,2

0,09

4,2

0,33

0,97

41,3

0,21

1998 г., после уборки яровой пшеницы, сорт Л-503

P30K30

7,3

0,09

4,2

0,34

1,02

41,0

0,21

N30P40K40

7,3

0,10

4,2

0,35

1,00

41,8

0,19

Ca1.0

5,8

0,07

3,1

0,20

0,68

30,4

0,27

Ca1.0+ N30P40K40

6,4

0,08

3,5

0,24

0,82

35,2

0,22

2001 г. после уборки озимой ржи

P30K30

7,2

0,10

4,1

0,33

0,99

40,9

0,20

N30P40K40

7,3

0,10

4,3

0,35

1,02

41,4

0,17

Ca1.0

4,3

0,06

2,4

0,18

0,52

24,1

0,33

Ca1.0+ N30P40K40

5,1

0,07

3,1

0,29

0,73

25,9

0,24

ПДК

6,0

1,0

23

3,0

4,0

500

Действие доломитовой муки на подвижность мышьяка существенно отличалась. Так, после уборки яровой пшеницы количество подвижных форм As возрастало на 26-29 %, после 4-ой культуры - на 30-65 % по сравнению с контролем. То есть, нейтрализация кислотности вызывает увеличение подвижности данного элемента.

Минеральные удобрения в дозах N30P40K40 не оказывали существенного влияния на количество Pb, Cd, Zn, Cu, Ni и Mn (табл. 21). Что касается мышьяка, то после уборки яровой пшеницы подвижность его по сравнению с неудобренным вариантом снижалась на 5-9 %. Ежегодное в течение 4-х лет применение минеральных удобрений (N150,  P180  K200) в сумме за 4 года вызвало снижение содержания подвижного As на 8-21% к неудобренному фону.

Использование биогумуса в дозе 6 т/га под яровую пшеницу способствовало частичному закреплению тяжелых металлов в почве и переводу определенного их количества в труднодоступные формы. Так после уборки яровой пшеницы содержание Pb снижалось на 21%, Сd - 33, Zn - 24, Cu - 38-46%, Ni - 28-34 и Mn на 17-22 % по сравнению с неудобренным вариантом. В последующем (через 3 года) положительное действие биогумуса на подвижность тяжелых металлов несколько снижалось.

Использование N30  на фоне P40K40  не оказывало существенного влияния на содержание подвижных форм тяжелых металлов, но наметилась тенденция снижения подвижности мышьяка  (табл. 19).

Таблица 21

Содержание подвижных форм ТМ под влиянием биогумуса и минеральных удобрений в серой лесной почве, мг/кг  почвы, слой 0 - 15 см

Варианты опыта

Pb

Cd

Zn

Cu

Ni

Mn

As

1 поле, 1996 г, перед внесением удобрений

Без удобрения

2,3

0,11

3,8

0,38

1,42

47,2

0,38

1997 г., после уборки яровой пшеницы, сорт Л-503

Без удобрения

2,3

0,12

3,7

0,39

1,44

46,8

0,39

Биогумус 6 т/га

1,8

0,08

2,8

0,21

1,03

38,7

0,27

N30P40K40

2,4

0,11

3,7

0,40

1,41

45,9

0,37

2000 г. после уборки озимой ржи

Без удобрения

2,3

0,13

3,6

0,40

1,43

46,5

0,38

Биогумус 6 т/га

1,9

0,11

3,2

0,28

1,13

40,8

0,26

N30P40K40

2,4

0,12

3,5

0,40

1,42

46,7

0,35

2 поле, 1997 г, перед внесением удобрений

7,2

0,09

4,2

0,33

0,97

41,3

0,22

1998 г., после уборки яровой пшеницы, сорт Л-503

Без удобрения

7,3

0,09

4,1

0,32

0,98

41,5

0,22

Биогумус 6 т/га

5,8

0,06

3,1

0,20

0,65

32,4

0,16

N30P40K40

7,4

0,10

4,2

0,30

0,98

40,8

0,20

2001 г. после уборки озимой ржи

Без удобрения

7,4

0,10

4,1

0,31

0,96

41,0

0,23

Биогумус 6 т/га

6,2

0,08

3,5

0,26

0,78

35,9

0,15

N30P40K40

7,5

0,11

4,1

0,30

0,97

41,2

0,18

ПДК

6,0

1,0

23

3,0

4,0

500

Таким образом, используя  данные приемы, можно регулировать подвижность тяжелых металлов. Применение биогумуса и доломитовой муки снижает содержание подвижных форм всех изученных тяжелых металлов, кроме мышьяка, количество, которого при известковании возрастает. Выявленный характер изменений следует учитывать при разработке мероприятий по уменьшению их токсичности на загрязненных почвах.

6.2  Влияние приемов реабилитации на свойства почвы

В  работах многих исследователей показано - реакция почвенной среды  важнейший фактор, определяющий токсичность тяжелых металлов и их вероятное накопление в растениеводческой продукции (Алексеев,1987; Касатиков и др.,1995; Казеев,2004; и др.)

Наши исследования, показали, что при известковании серой лесной почвы по 1,0 Нг величина рНсол. уже на следующий год после внесения мелиоранта уменьшалась на 0,59-0,66 ед. (рис. 6).

Рисунок. 6  Изменение кислотных свойств серой лесной почвы при известковании

Применение доломитовой муки привело к значительному снижению гидролитической кислотности. К периоду уборки яровой пшеницы она сни­зилась на 0,83-1,33 мг-экв/100 г почвы. Количество обменно-поглощенных оснований возросло на 1,1-1,3 мг-экв/100 г почвы, степень насыщенности ППК возросла с 81,1 до 87,1-89,5%.

Рисунок 7 Влияние удобрений на микробиологическую активность почвы (в среднем за 4 года)

Применение невысоких доз минеральных удобрений не вызывало депрессию почвенной микрофлоры, а известкование способствовало росту биогенности серой лесной почвы. Под действием вермикомпоста возрастала общая численность бактерий, принимающих участие в минерализации органи­ческих веществ. Наибольшее количество гетеротрофных бактерий, преимуще­ственно использующих органический азот (учет на МПА) было на вариантах с внесением биогумуса в дозах 3 и 6 т/га (рис. 7).

Таблица 22

Влияние известкования на ферментативную активность почвы

Год

Известкование

Удобрения

Протеаза мкмоль лейцина на 1 г почвы

Уреаза мг. NH4 на 100 г. почвы

Инвертаза мг. глюкозы на 100 г. почвы

Каталаза мл. 0,1 н КMnО4

1997

Са0

РК

NPK

14,7

17,2

15,6

12,9

25,1

23,8

2,01

2,48

Са1,0

РК

NPK

21,2

25,3

18,5

16,4

28,1

27,2

2,17

2,94

1998

Са0

РК

NPK

10,5

14,2

13,1

11,6

28,2

25,9

2,26

2,97

Са1,0

РК

NPK

13,4

18,3

18,3

16,2

32,2

30,6

2,31

2,44

1999

Са0

РК

NPK

11,3

14,2

12,9

10,7

18,5

14,2

1,85

1,65

Са1,0

РК

NPK

16,1

20,8

15,8

14,2

20,4

19,3

2,04

1,98

2000

Са0

РК

NPK

12,4

15,7

14,0

11,5

20,4

22,6

2,34

2,55

Са1,0

РК

NPK

19,5

24,2

21,2

17,6

23,5

24,1

2,45

2,33

Применение полного минерального удобрения вызывало тенденцию роста данного вида кислотности по сравне­нию с неудобренным фоном. Исследования показали, что на всех вариантах при использовании доломитовой муки происходило увеличение численности микроорганизмов, принимающих участие в трансформации азота.

Использование доломитовой муки, способствовало активизации ферментов -  протеазы и уреазы ( таб.22).

Уреазная активность в большей мере определялась складывающимися погодными условиями по сравнению с известкованием и минеральными удобрениями. В сухие годы она снижалась в 1,2-1,3 раза по сравнению с более обеспеченными влагой. Активность каталазы мало зависела от погодных условий, наибольшее её содержание отмечалось во время кущения пшеницы, далее – снижалась. Действие удобрений на каталазную активность различно, полное минеральное удобрение увеличивало ее в большей мере по сравнению с известкованием.

Установлено, что использование доломитовой муки, как на естественном фоне, так и при разных приемах рекультивации способствовало активизации ферментов (протеазы и уреазы), участвующих на разных этапах минерализации азота.

Удобрения повышали энзиматическую активность почвы, наибольшее дей­ствие оказывал биогумус (таб. 23), являющийся источником микроорганизмов и ферментов, а также питательным веществом для почвенной биоты. Кроме того, он активно связывает тяжелые металлы.

Таким образом, изменяя факторы среды можно воздействовать на экзиматическую активность серой лесной почвы. Под действием биогумуса увеличивалась активность гидролитических и окислительно-восстановительных ферментов, минеральные удобрения - усиливали активность пероксидазы и каталазы.

Таблица 23

Ферментативная активность почвы в среднем за 4 года

Варианты

ПФО

ПО

Инвертаза

Протеаза

Уреаза

Каталаза

ПФО/ПО

Без удобрения

12,83

13,71

23,22

13,43

13,18

1,96

1,66

Биогумус

3 т/га

24,8

22,8

26,7

16,9

16,3

3,17

Биогумус

6 т/га

22,81

20,3

28,77

18,23

18,12

3,03

1,12

N30P40K40

13,98

15,85

22,51

13,82

14,12

2,12

0,87

Примечание: ПФО и ПО – в мг пурпургаллина на 100 г почвы за 30 мин; инвертаза – мг глюкозы на 100 г почвы; каталаза – в мл 0,1 Н КMnO4; протеаза – в мк моль лейцина на 1 г почвы; уреаза - мг NH4 на 100 г почвы за 20 ч.

Подтверждение этого нашло отражение в работах как отечественных, так и зарубежных исследователей (Галстян, Абрамян, 1982; Хазиев, 1982; Хабиров, 1993; Drobnick, Seifert, 1955; Durand, 1965).

6.3 Влияние приемов реабилитации на урожайность яровой пшеницы

Экологическая оценка значимости любого агротехнического приема слагается из нескольких показателей, важнейшим из которых является продуктивность возделываемой культуры.

Отзывчивость различных сортов на изучаемые в опыте приемы была неодинаковой, что обусловлено генотипическими их особенностями. В среднем по всем сортам известкование серой лесной почвы доломитовой мукой по полной гидролитической кислотности обеспечило рост урожайности на 13,5% (таб.24).  По сортам прибавка урожайности значительно колебалась: наименьшая прибавка 9,2-12,0% получена при возделывании сортов соответственно Ишеевская и Прохоровка, наибольшая – 16,9-17,1 – у сортов Л-503 и Пирамида.

Эффективность доломитовой муки в значительной мере определялась применяемыми минеральными удобрениями.

Таблица 24

Урожайность зерна яровой пшеницы в зависимости от известкования

Известкование

Фон

Л-503

Прохоровка

Ишеевская

Пирамида

Харьковская–10

Са0

Без удобрения

1,15

1,08

1,21

1,24

1,34

РК

1,25

1,20

1,34

1,38

1,41

N РК

1,49

1,39

1,57

1,74

1,62

Са 1,0

Без удобрения

1,22

1,21

1,33

1,35

1,41

РК

1,38

1,27

1,42

1,51

1,40

N РК

1,79

1,58

1,78

2,08

1,71

При внесении биогумуса в дозе 3-6 т/га под основную обработку почвы наблюдалось увеличение урожайности яровой пшеницы даже в неблагоприятные для роста и развития яровой пшеницы годы. При повышении дозы биогумуса до 6 т/га урожайность во все годы исследования была выше (таб.25).

Таблица 25

Влияние биогумуса на урожайность сортов яровой пшеницы

Вариант

Л-503

Прохоровка

Ишеевская

Пирамида

Харьковская–10

Без удобрения

1,15

1,08

1,21

1,24

1,34

Биогумус 3т/га

1,48

1,38

1,55

1,74

1,62

Биогумус 6т/га

1,60

1,44

1,66

1,85

1,72

N РК

1,49

1,39

1,57

1,74

1,62

Применение минеральных удобрений в дозе N30P40K40 во все годы исследований оказывало положительное влияние на урожайность зерна изучаемых сортов. По абсолютному действию на величину урожая их действие было одинаковым с применением 3 т/га биогумуса и на 5,9-6,2% ниже по сравнению с дозой 6 т/га биогумуса.

В многочисленных исследованиях установлено, что увеличение кислотности почв приводит к снижению урожайности культур из-за ослабления поступления в растение катионов кальция, магния и калия вследствие антагонизма их с ионами водорода (Шильников, Богомазов, Ивойлов, 1998).

Наши исследования показали, что урожайность яровой пшеницы определялось сортовыми особенностями, уровнем реакции почвы и различиями в гидротермических условиях периода вегетации, обеспеченностью растений элементами минерального питания.

6.3 Влияние приемов реабилитации на содержание ТМ в зерне яровой пшеницы

Опасными являются высокие концентрации ТМ в почве и их избыточное поступление в организм человека и животных, откуда эти металлы выводятся очень медленно, накапливаясь, главным образом, в почках и печени. Кроме того, постоянное потребление растительной продукции даже со слабо загрязнённых почв может приводить к кумулятивному эффекту, то есть к постепенному увеличению содержания ТМ в живом организме (Добровольский, Гришина, 1985; Овчаренко, 1997).

Качество сельскохозяйственной продукции, в условиях техногенного загрязнения, следует оценивать не только по общепринятым показателям (содержанию белков, углеводов, жиров), но и по содержанию различных ингредиентов, зачастую токсичных для человека и животных. В этом отношении проблема загрязнения растений ТМ обостряется еще больше, так как эти токсиканты могут поступать в продукцию не только из почвы, но и из атмосферы (Соколов, Черников, 1999).

В связи с этим нами изучено накопление ТМ и мышьяка в зерне яровой пшеницы сорта Л-503. На почве, загрязненной мышьяком, содержание его в зерне оказалось выше уровня ПДК на 17%, т.е. 0,117 мг/кг (табл. 26), на всех вариантах. Остальные ТМ накапливались в концентрации значительно ниже допустимого уровня.

В среднем за 3 года исследований использование азотных удобрений на фоне РК вызывало тенденцию снижения в зерне мышьяка (на 60%) и роста тяжелых металлов.

Наиболее сильное влияние на содержание изученных элементов оказало известкование за счет изменения их подвижности. При этом концентрация As возрастала на 54% к фосфорно-калийному фону, ТМ снижалась: Pb – на 57%, Cd – на 60%, Zn – на 42%, Cu – на 46%, Hg – на 30% и Ni – 36%.

Таблица 26

Влияние приемов рекультивации на содержание ТМ в зерне пшеницы, среднее за 4года

Вариант

As

Pb

Cd

Zn

Cu

Hg*

Ni

Без удобрений

0,052

0,196

0,0280

21,1

5,00

0,172

0,121

РК

0,050

0,205

0,0293

21,4

5,16

0,174

0,121

NPK

0,047

0,231

0,0344

24,4

5,76

0,189

0,136

Ca1,0

0,077

0,089

0,0116

12,4

2,80

0,121

0,077

NPK+ Ca1,0

0,059

0,141

0,0180

16,9

4,20

0,143

0,092

Биогумус 3 т/га

0,047

0,184

0,0260

19,6

4,50

0,157

0,110

Биогумус 6 т/га

0,041

0,153

0,0190

17,8

4,40

0,142

0,096

ПДК

0,1

0,5

0,5

50

10

5

0,3

*Примечание: мкг/г сухого вещества

Использование доломитовой муки на фоне полного минерального удобрения нивелировало отрицательное действие их на поступление в растения ТМ.

Применением биогумуса в дозе 3т/га оно снизилось до 0,103 мг, а использование 6 т/га биогумуса обеспечило получение продукции, безопасной по содержанию мышьяка. Минеральные удобрения также способствовали некоторому снижению этого элемента в зерне.

Что касается изученных ТМ, то их концентрация в зерне пшеницы на всех вариантах была существенно ниже, чем ПДК. Наибольшее содержание свинца в продукции выявлено в 1998 г (содержание в почве его составляло 85% от ПДК). При этом на неудобренном варианте концентрация Pb достигала 81% от уровня ПДК. В 1999г содержание всех изученных токсикантов в зерне было значительно ниже допустимого уровня.

В среднем за годы исследования превышения ПДК ни по одному из изученных элементов не выявлено. При этом использование биогумуса в дозах 3 и 6 т/га способствовало снижению подвижности тяжелых металлов и уменьшало концентрацию в зерне: As – на 10-21%, Pb – на 6-22%, Cd – 7-32%, Zn – 7-16%, Cu – 9-12%, Hg – 9-17% и Ni – 9-21%.

Одной из характеристик, отражающих уровень потребления ТМ культурами, является коэффициент биологического поглощения (КПБ) - отношение концентрации элемента в продукции к концентрации в почве. Установлено, что в среднем величина КПБ возрастала в следующей последовательности Ni<Pb<As<Cd<Hg<Cu<Zn (табл. 27).

КБП мышьяка и ТМ под действием изучаемых приемов изменялся по-разному. Минеральный азот на фоне РК способствовал росту КБП тяжелых металлов и снижению – мышьяка. Доломитовая мука действовала противоположно – снижала КБП тяжелых металлов и повышала – мышьяка.

Под влиянием биогумуса в дозах 3 и 6 т/га КБП снижался на 5-20% по сравнению с неудобренным вариантом, что обусловлено снижением подвижности тяжелых металлов. Минеральные удобрения не оказывали существенного влияния на данный показатель.

Таблица 27

Коэффициент биологического поглощения ТМ при реабилитации, среднее за 4года

Вариант

As

Pb

Cd

Cu

Zn

Hg*

Ni

Без удобрений

0,037

0,015

0,050

0,505

0,582

0,053

0,007

РК

0,036

0,016

0,049

0,511

0,587

0,057

0,077

NPK

0,042

0,018

0,057

0,578

0,646

0,059

0,008

Ca1,0

0,036

0,007

0,018

0,273

0,330

0,036

0,003

NPK+ Ca1,0

0,029

0,010

0,033

0,424

0,447

0,044

0,006

Биогумус 3 т/га

0,033

0,014

0,045

0,467

0,540

0,048

0,007

Биогумус 6 т/га

0,028

0,12

0,33

0,381

0,478

0,043

0,006

Таким образом, применением различных приемов реабилитации можно направленно регулировать химический состав зерна пшеницы, выращенной на техногенно загрязненной почве. Внесение в почву биогумуса в дозах 3-6 т/га способствует существенному снижению содержания ТМ и мышьяка, известкование уменьшает концентрацию ТМ, но увеличивает – мышьяка, минеральные удобрения не оказывают существенного влияния на содержание изученных ТМ и мышьяка в зерне яровой пшеницы.

    1. Приемы реабилитации почв загрязненных нефтью

               Для устра­нения негативного действия нефти на почвенный покров, используют различные биологические методы, позволяющие быстрее восстано­вить функции почв (Lee Е., Suindoll М. 1993; Стом, и др. 2003).

       Интенсивность разложения нефти и нефтепродуктов напрямую зависит  от обеспеченности почвы биогенными элементами, легкоусвояемыми биологически активными веществами и наличием микроорганизмов-нефтедеструкторов (Андерсон, и др., 1997).

       Разложение нефти в почве в естественных условиях - процесс биогеохимический, в котором главное и решающее значение имеет функциональная активность комплекса почвенных микроорганизмов, обеспечивающих полную минерализацию нефти и нефтепродуктов до углекислого газа и воды (Глазовская, Пиковский, 1985). Ускорить очистку почв с помощью микроорганизмов можно в основном двумя способами: активизацией метаболической активности микрофлоры почв путем изменения физико-химических условий среды (агротехнические приемы) или внесением специально подобранных активных нефтеокисляющих микроорганизмов в загрязненную почву (Киреева, 2001).

       С целью изучения приемов снижающих негативное действие нефтезагрязнения использовали минеральное удобрение (нитрофоска), органическое в виде активного ила (АИ) и промышленный биопрепарат «Бациспецин» (Б), в различных сочетаниях.

В результате наших исследований ферментативной активности установлено, что она зависит от вида фермента и находится в прямой зависимости от степени загрязнения почвы, это видно на примере инвертазы.

Исследования, показали низкую эффективность внесения полного минерального удобрения в повышении окислительно-восстановительных процессов (табл. 28). Наилучшие условия созда­вались при компостировании почвы с органо-минеральным комплексом и биопрепаратом.

Таблица 28

Влияние приемов на ферментативную активность нефтезагрязненной светло-серой лесной  почвы

Вариант

Уреаза,

мгNН3/10г

Инвертаза,

мг глюкозы/г

Аспарагеназа,

мгNН4/100г

Воздушно-сухой почвы за 24 ч

Почва (контроль)

0,89

13,15

0,26

Почва + нефть (фон)

1,20

10,20

0,68

Фон + АИ + NPK

1,06

11,12

1,24

Фон + Б + NPK

1,08

10,15

1,27

Фон + Б + АИ + NPK

1,12

12,89

2,22

НСР0,5

0,053

0,272

0,139

Микроорганизмы своей жизнедеятельностью в значительной мере влияют на почвообразовательные процессы, создавая условия для развития тех или иных биоценозов. Результаты наших исследований показали, что в динамике численности бактерий на МПА по всем вариантам опыта проявляется общая закономерность, выраженная в увеличении их количества к середине срока инкубации и снижении к концу (таб.29). Численность бактерий на фоне активного ила и биопрепарата была выше на протяжении всего периода инкубации.

Таблица 29

Влияние различных приемов на численность бактерий и степень разложения нефтепродуктов

Варианты

Бактерий МПА тыс. КОЕ/1г. субстрата

% разложения НП

сутки

20

50

110

Почва (контроль)

1243

21000

1420

42

Почва + нефть (фон)

147

27670

2165

23

Фон +NPK

3593

256000

904000

43

Фон+AИ+NPK

6727

100800

1450

76

Фон+Б+NPK

9365

78950

2796

81

Фон+AИ+Б+NPK

12240

36730

4440

85

Загрязнение почвы нефтью негативно отразилось на урожайности зерновых культур (табл.30). Наиболее токсичное действие нефти наблюдали в первый год проведения эксперимента. Урожайность овса снизилась в 3,2 раза, а на второй год у культуры ячменя она снизилась меньше между вариантами и контролем. Урожайность пшеницы существенно уступала контролю.

  Таблица 30

Влияние приемов на урожайность зерновых культур на почве, загрязненной нефтью, г/сосуд

вариант

Овес

(2004)

Ячмень

(2005)

Пшеница яровая

(2006)

Почва (контроль)

22,6

21,4

16,1

Почва + нефть (фон)

7,2

19,4

8,1

Фон + NPK

11,8

29,9

11,0

Фон + AИ + NPK

18,3

35,0

18,1

Фон + АИ + Б + NPK

22,0

41,8

21,7

Внесение минеральных удобрений, в нашем опыте на фоне загрязнения почвы нефтью повысило урожайность зерновых культур. В первый год про­дуктивность овса возросла в 1,7 раза, во второй - ячменя - в 2,1 раза и в третий - пшеницы - в 1,6 раза. Внесение органоминеральных удобрений приводило к повышению урожайности всех культур независимо от почвы. Внесение биопрепарата на фоне удобрений прак­тически не отразилось на продуктивности, но урожайность значительно повысилась по сравнению с загрязненным вариантом.

Загрязнение серой лесной почвы нефтью приводило к снижению продуктивности растений в вегетационном опыте, особенно в первый год исследований в дальнейшем ее токсическое действие постепенно снижалось. Внесение удобрений на загрязненной нефтью почве позволило существенно повысить урожайность зерновых культур, особенно в сочетании с Бациспецином. Однако полной компенсации токсического действия нефти на продукционный процесс расте­ний в первый год не произошло и только на следующий год применение мелиорантов позволило значительно повысить уро­жайность культуры.

ВЫВОДЫ

1. Серые лесные почвы лесостепи Среднего Поволжья расположенные вблизи источников загрязнения, способны накапливать ТМ в количествах, близких к ПДК, и даже превосходить их, характеризуются значительной вариабельностью. Отмечается увеличение концентрации ТМ в пахотном слое почв, которое возрастает в ряду Hg < Cd < Pb < Cu < Ni < Zn < Mn.

В отдельных случаях имеет место 70-98-кратное превышение ПДК мышьяк содержащих соединений (по валовому количеству элемента), вблизи мест прежнего уничтожения химического. По мере удаления от источника загрязнения мышьяком концентрация его уменьшается, но до двух километров наблюдается превышение его содержания по сравнению с ПДК. Количественная оценка загрязнения почв ТМ и мышьяком возможна при сопоставлении региональных фоновых значений их содержания в незагрязненной почве с показателями почв, подверженных техногенному воздействию.

Транспортные магистрали оказывают негативное влияние на состояние окружающей среды. Расстояние от источника загрязнения (Автомагистраль Москва- Челябинск) влияет на содержание всех тяжелых металлов в почве и продукции: на расстоянии 5 - 50м содержание ТМ было выше, чем на расстоянии 500 - 1000м. По свинцу и кадмию наблюдалось превышение ПДК в овощах, по другим тяжелым металлам количество было ниже предельно допустимых концентраций. Около полотна железной дороги, на расстоянии 5–20 (10) м в слое почвы 0–10 см  превышение ПДК достигало по содержанию свинца в 1,3-3,0 раза, никеля –1,7-1,8, кадмия – 1,9-2,7, марганца – 1,1-1,2 раза. Вблизи автомагистрали и железной дороги на расстоянии 50 м от полотна количество свинца кобальта кадмия превышают ПДК в 1,6-2,0 раза. У овощей, выращенных на почве, по мере приближения к автомобильной дороге, урожайность и качество снижается.

Почвы, достигшие ПДК по валовому содержанию ТМ  несо­мненно, являются токсичными. Это позволяет предположить их миграцию по пищевым це­пям, что представляет реальную опасность здоровью населения.

Выбросы в атмосферу как от автомобильного и железнодорожного транспорта, так и от объектов теплоэнергетики и промышленности, отрицательно влияют на рост и развитие растений, в результате чего  продолжительность их жизни намного короче, чем произрастающих вне города. Это еще раз подтверждает, что зеленые насаждения в городах являются барьером, сохраняющим ландшафты, и особенно почву от загрязнения. Увеличение площади зеленых насаждений в городах будет создавать условия безопасного проживания на загрязненных территориях.

2. Важнейшие интегральные физико-химические характеристики почвы городских и пригородных биоценозов зависят от антропогенного воздействия.  В зависимости от удаления они достоверно изменяются. Наиболее значимые изменения прослеживаются в горизонте А1 на расстоянии 100 м. от объектов загрязнения. Увеличивается кислотность почвенного раствора, снижается содержание обменного кальция, сумма поглощенных оснований и увеличивается гидролитическая кислотность. Антропогенное подкисление вызывает достоверное изменение буферных свойств почвы. По мере удаления от источника загрязнения в горизонте А0и А1 площадь буферности в кислотном интервале снижается в щелочном возрастает.

Физико-химические свойства почвы, подвергшейся воздействию техногенного загрязнения от объектов УХО, незначительно отклонялись от нормы, что позволяет судить о высокой способности серых лесных почв лесостепного Поволжья к самовосстановлению и сопротивлению внешним негативным воздействиям.

Загрязнение нефтью приводит к снижению почвенной кислотности, увеличению суммы поглощенных оснований и содержания общего углерода в почве, но ухудшается азотный режим почвы, ослабляется процесс нитрификации и снабжение растений азотным питанием.

3.Аэротехногенные выбросы изменяют численность основных эколого-трофических групп микроорганизмов. Снижается количество целлюлозоразрушающих бактерий и бактерий, трансформирующих азотсодержащие соединения. Мицелиальные формы (грибы и актиномицеты) существенно не изменяются. Их ингибирование отмечается только в почве, непосредственно примыкающей к объекту загрязнения.

4.Биоиндикационные  показатели, такие как: площадь листа (в связи с сильной ее изменчивостью), показатели водного режима (в связи со значительной вариабельнностью), содержание хлорофилла (т.к. недостаток N, Fe и др. элементов также сказывается на окраске листьев и содержании хлорофилла) являются недостаточно информативными. Установлены растения - биоиндикаторы (липа мелколистная, каштан конский, рябина обыкновенная) и тестовые показатели (площадь листьев, объем клеток их мезофилла и асимметрии листовых пластинок), которые можно использовать в качестве основного способа для фитомониторинга при оценке влияния загрязнения воздушного бассейна города и для пригодности местообитания произрастающих  пород деревьев.

Определение общей численности почвенных микроорганизмов, изменение соотношения эколого-трофических групп и данные ферментативной активности почв в условиях загрязнения мышьяком можно использовать в качестве показателей диагностики экологического состояния. Установлен новый факт достоверности снижения численности и биомассы микроорганизмов по мере возрастания степени загрязнения почвы выбросами.

Микробиологическая и энзиматическая активность серой лесной почвы вблизи источника загрязнения почти полностью подавлена и даже на расстоянии 2000 м от последнего она не восстанавливается до уровня активности в незагрязненной почве.

5.Применение доломитовой муки, вермикомпоста, минеральных удобрений для реабилитации техногенного загрязнения является экологически целесообразным и эффективным приемом. Использование мелиорантов и удобрений повышали микробиологическую и энзиматическую способность почвы, усиливали процессы трансформации органических азотсодержащих соединений, повышали обеспеченность растений питательными элементами, в первую очередь, азотом.

Эффективность химических и биологических средств на урожай и качество продукции была различной. Наибольшие прибавки зерна были получены при использовании биогумуса в дозе 6 т/га, действие доломитовой муки было менее выражено. Существенные прибавки урожая получены от минеральных удобрений на известкованном фоне.

Накопление мышьяка зерном пшеницы, выращенной на загрязненной почве, превышало ПДК на 17%. Использование биогумуса в дозах 3 и 6 т/га способствовало уменьшению подвижности химических элементов и снижению их концентрации в зерне: мышьяка на 10–21%, свинца – 6–22, кадмия – 7–32, цинка – 7–16%.  Известкование почвы резко снижало концентрацию тяжелых металлов в зерне пшеницы, но повышало содержание мышьяка. Наиболее адаптированным к загрязнению почвы тяжелыми металлами и мышьяком оказался сорт Харьковская –10, далее в убывающем порядке шли сорта: Пирамида – Л-503.

Сельскохозяйственные культуры по-разному реагировали на  загрязнение нефтью. Урожайность с повышением доз полютанта (с 5 до 20 л/кв.м.) снижалась в 4 раза у зерновых (пшеницы, ячменя, овес). Наиболее опасным является высокие дозы, до 20 л/м2 .

Список работ, опубликованных по теме диссертации

Монография

  1. Шаркова С.Ю. Экологические аспекты известкования и применения удобрений на серых лесных почвах правобережной лесостепи Среднего Поволжья// М.: Агроконсалт, 2007. – 174 с.

       

Список  в рецензируемых научных журналах РФ, рекомендованных ВАК

  1.   Надежкин С.М., Шаркова С.Ю. Биологическая фиксация азота при использовании ризоагрина на яровой пшенице//Вестник Саратовского государственного агроуниверситета им. Н.И. Вавилова: Научный журнал. - 2005. - № 5.- Саратов. СГАУ, 2005. - С.20 – 21.
  2. Шаркова С.Ю., Надежкина Е.В.  Содержание макроэлементов в зерне яровой пшеницы в зависимости от  различных систем удобрения// Зерновое хозяйство: Научно-практический журнал. - 2006. - № 8.- Москва. МЦНТИ, 2006. - С. 24 – 25.
  3.   Шаркова С.Ю., Надежкина Е.В.  Экология и жизнь растений // Зерновое хозяйство: Научно-практический журнал. - 2006. - № 8.- Москва. МЦНТИ, 2006. - С. 30.
  4. Шаркова С.Ю., Надежкина Е.В. Воздействие ТМ на почвенную  микрофлору// «Плодородие»: научно-практический журнал. - 2007. - № 4. - Москва. МЦНТИ – С. 40. 
  5. Шаркова С.Ю., Надежкина Е.В. Биоиндикация городской среды по морфологическим признакам древесных растений// «Экология и промышленность России» Научно-технический журнал. - 2007. - № 9.- Москва. ЗАО «Калвис».- С. 48 – 49.
  6. Надежкин С.М. Надежкина Е.В., Шаркова С.Ю. Содержание тяжелых металлов в зерне яровой пшеницы// Вестник Саратовского госагроуниверситета им. Н.И. Вавилова: Научный журнал. - 2006. - № 4.- Саратов. СГАУ, 2006. - С. 16 – 18.
  7. Шаркова С.Ю., Надежкина Е.В. Энзиматическая активность почвы под влиянием минеральных удобрений  и доломитовой муки//«Плодородие»: научно-практический журнал. - 2008. - № 4. - Москва. МЦНТИ – С. 19.
  8. Шаркова С.Ю., Надежкина Е.В. Агрохимические свойства серых лесных почв под влиянием  загрязнения нефтью//«Плодородие»: научно-практический журнал. - 2008. - № 4. - Москва. МЦНТИ – С. 45.
  9. Шаркова С.Ю., Надежкина Е.В. Способы повышения качества зерна в условиях антропогенного загрязнения //«Вестник Российской академии сельскохозяйственных наук»: научно-теоретический журнал. - 2008. - № 4. - Москва. – С. 82-84.
  10. Надежкина Е.В., Лебедева Т.Б, Шаркова С.Ю. Известкование черноземов лесостепи  Среднего Поволжья//«Доклады РАСХН»: научно-теоретический журнал. - 2008. - № 6. - Москва. – С. 31-34.
  11. Шаркова С.Ю. Качество томатов и белокочанной капусты выращенной в условиях различной техногенной нагрузки//«Картофель и овощи»: научно-производственный журнал. – 2008. -№8. Москва. – с.15.
  12. Шаркова С.Ю., Надежкина Е.В. Оценка накопления тяжелых металлов в зерне яровой пшеницы// Агро-ХХ1 век: научно- практический журнал.  № 10-12, 2009.

Статьи в других изданиях

  1. Надежкина Е.В., Шаркова С.Ю. Качество зерна яровой мягкой пшеницы в условиях техногенного загрязнения//Материалы международной научно-практической конференции «Экологические аспекты интенсификации сельскохозяйственного производства» Пенза, 2002.- С. 128-131
  2. Шаркова С.Ю. Экологическая роль вермикультуры //Материалы всероссийской научно-практической конференции, посвященной 50-летию кафедры почвоведения и агрохимии Пензенской ГСХА «Проблемы плодородия почв на современном этапе». Пенза, 2002.- С. 62-64.
  3. Надежкина Е.В., Надежкин С.М., Шаркова С.Ю., Глазкова Н.Е. Влияние удобрений на азотный режим серой лесной почвы // Материалы 41-ой научной конференции молодых ученых, аспирантов и студентов агрономического факультета Пензенской ГСХА «Проблемы повышения эффективности сельскохозяйственного производства в 21 веке». Пенза, 2002.- С. 106-109.
  4. Надежкина Е.В., Шаркова С.Ю., Щанкина М.В.  Качественный состав азотного фонда и его изменение под действием удобрений // Материалы 41-ой научной конференции молодых ученых, аспирантов и студентов агрономического факультета Пензенской ГСХА «Проблемы повышения эффективности сельскохозяйственного производства в 21 веке». Пенза, 2002.- С. 52-54.
  5. Надежкина Е.В., Шаркова С.Ю. Приемы снижения тяжелых металлов в системе почва-растение // Материалы международной научно-практической конференции «Проблемы аграрной отрасли в начале 21 века». Пенза, 2002.- С. 72-75.
  6. Надежкина Е.В., Шаркова С.Ю.Агроэкологические аспекты изменения содержания тяжелых металлов в почвах лесостепи Поволжья // Материалы международной научно-практической конференции: Проблемы агропромышленной отрасли в начале 21 века. Смоленск, 2002, ч. 3, С. 143-146
  7. Шаркова С.Ю., Корягин Ю.В. Влияние удобрений и известкования на пищевой режим серой лесной почвы и качество зерна яровой пшеницы // Материалы научно-практической конференции «Проблемы АПК и пути их решения». Пенза, 2003.- С. 58-61
  8. Шаркова С.Ю. Урожайность зерна пшеницы при инокуляции ризоагрином// Материалы научно-практической конференции к 75летию со дня рождения профессора Г.Б. Гальдина, Пенза, 2003.- С. 176-178
  9. Надежкин С.М., Шаркова С.Ю. Экологические аспекты влияния известкования на азотный режим серых лесных почв // Материалы международной конференции, посвященной 50-летию кафедры общего земледелия Пензенской ГСХА. Пенза, 2004.- С. 112-114.
  10. Шаркова С.Ю. Экологические аспекты влияния известкования и инокуляции яровой пшеницы ризоагрином на серой лесной почве лесостепи Среднего Поволжья: Автореф. дис. … канд. биол. наук. Казань: КГУ, 2004. – 19 с.
  11. Надежкина Е.В., Лебедева Т.Б, Шаркова С.Ю. Влияние известкования на подвижность тяжелых металлов, урожайность и качество зерна яровой пшеницы// Агрохимические аспекты повышения продуктивности сельскохозяйственных культур: Бюллетень ВИУА № 116.- Москва:  ВИУА, 2003. - С. 39 – 42
  12. Шаркова С.Ю., Надежкина Е.В Действие техногенного загрязнения и приемов его снижения на агроценоз яровой пшеницы// Материалы международной научной конференции: Проблемы производства продукции растениеводства на мелиорированных землях: Сборник научных трудов. -  Ставрополь: «Агрус», 2005. - С. 27 – 31
  13. Шаркова С.Ю. Экологические аспекты регулирования фотосинтетической деятельности яровой пшеницы//Материалы международной научной конференции: Проблемы производства продукции растениеводства на мелиорированных землях -  Ставрополь: «Агрус», 2005. с.54-58
  14. Шаркова С.Ю. Экологические приемы регулирования несимбиотической азотфиксации яровой пшеницы//Материалы международной научно-практической конференции: Роль почв в сохранении устойчивости ландшафтов и ресурсосберегающее земледелие -  Пенза: ПГСХА, 2005. - С. 346 – 347
  15. Шаркова С.Ю., Куликова Е.Г., Надежкина Е.В.Отзывчивость микрофлоры на антропогенное воздействие//Материалы научно-практической конференции, посвященной памяти профессора А.Ф. Блинохватова. - Пенза: ПГСХА, 2005. - С.54 – 58
  16. Шаркова С.Ю., Кузнецова Н.В. Информационные технологии в системе дополнительного экологического образования – как решение экологических проблем// Материалы международной конференции: Современные информационные технологии.- Пенза:  ПГТА, 2005. - С. 180 – 181 
  17. Шаркова С.Ю., Надежкин С.М. Экологические аспекты влияния известкования на формирование агроценоза яровой пшеницы// Материалы всероссийской конференции  СО РАН: Природная и антропогенная динамика наземных экосистем - Иркутск: ИГТУ, 2005. - С. 294 – 297
  18. Шаркова С.Ю., Надежкина Е.В., Климанов В.В. Влияние загрязнения нефтью на фитотоксичность//Материалов международной научно-практической конференции: Экологические проблемы отраслей народного хозяйства - Пенза: ПГТА, 2006. - С. 28 – 30
  19. Шаркова С.Ю. Действие доломитовой муки на физико-химические свойства серой лесной почвы//Материалы международной научной конференции: Агрохимические приемы рационального применения средств химизации как основа повышения плодородия почв и продуктивности с/х культур. Москва: ВНИИА, 2007.- С. 62 - 64
  20. Шаркова С.Ю. Снижение подвижности ТМ в серых лесных почвах и их поступления в растения яровой пшеницы// Материалы международной научной конференции:Агрохимические приемы рационального применения средств химизации как основа повышения плодородия почв и продуктивности с/х культур. Москва: ВНИИА, 2007.- С. 236 – 238
  21. Надежкина Е.В., Шаркова С.Ю., Климанов В.В. Влияние токсичности нефтезагрязнения на изменение с/х растениями продукционного процесса// Материалы 46-й  международной научно-практической конференции студентов агрономического ф-та. Студенческая наука – аграрному производству  - Пенза: ПГСХА, 2007. - С. 91 – 93
  22. Шаркова С.Ю. Влияние вермикомпоста на содержание поллютантов в серой лесной почве// Ресурсосберегающие технологии для земледелия и животноводства Владимирского Ополья: Сборник статей. – Владимир: Изд-во ГНУ Владимирский НИИСХ Россельхозакадемии, 2008 . – С. 268 – 277.
  23. Сергеев А.С., Кривошеин Р.И., Шаркова С.Ю., Надежкина Е.В. Влияние антропогенного загрязнения на урожай и качество овощных культур// Научный потенциал студенчества – агропромышленному комплексу России: Сборник материалов научной конференции. – Пенза: ПГСХА, 2008. – С 60 – 61.
  24. Кривошеин Р.И., Сергеев А.С.,  Шаркова С.Ю., Надежкина Е.В. Действие нефтезагрязненных почв на урожай и качество овощных культур// Научный потенциал студенчества – агропромышленному комплексу России: Сборник материалов научной конференции. – Пенза: ПГСХА, 2008. – С. 62 – 63.
  25. Шаркова С.Ю. Влияние приемов рекультивации на содержание ТМ в серой лесной почве// Вопросы повышения урожайности сельскохозяйственных культур: Сборник статей. – Иваново: Изд-во ФГОУ ВПО «Ивановская ГСХА им. академика Д.К. Беляева», 2009. – С. 80 – 85.
  26. Шаркова С.Ю. Реабилитация серых лесных почв в условиях  техногенеза// Актуальные проблемы аграрной науки и практики: Сборник научных трудов. – Тверь: ТГСХА, 2009. – С. 397 – 400. 
  27. Шаркова С.Ю. Экологически безопасные препараты для формирования урожая клубней картофеля// Современные проблемы овощеводства и картофелеводства: Сборник материалов 1 международной научно-практической конференции. – М.: РГЗУ, 2009. – С. 98 – 100.
  28. Шаркова С.Ю. Применение мелиоративных приемов при техногенном загрязнении почв// Материалы Международной научно-практической конференции. РАСХН Сиб.отд-ние: Проблемы рационального использования  малоплодородных земель: Сиб. НИИСХ - Омск, 2009.- с.89-92
  29. Шаркова С.Ю. Агроценоз яровой пшеницы под влиянием различных экологических факторов//Материалы международной научной конференции: Инновации сегодня: образование, наука, производство – Ульяновск: УГСХА, 2009.- с.191-193
  30. Шаркова С.Ю. Повышение показателей качества  зерна в условиях техногенеза// Материалы международной научной конференции: Инновации сегодня: образование, наука, производство – Ульяновск: УГСХА, 2009.- с.194-197 
  31. Шаркова С.Ю. Оценка изменения агрохимических свойств серых лесных почв под влиянием различных уровней загрязнения нефтью//Материалы VI международной научной конференции: Агроэкологические аспекты устойчивого развития АПК – Брянск: Изд-во БГСХА,2009.- с.67-69
  32. Шаркова С.Ю. Влияние известкования и удобрений на ферментативную активность техногенно-загрязненной почвы// Материалы VI международной научной конференции: Агроэкологические аспекты устойчивого развития АПК – Брянск: Изд-во БГСХА,2009.- с.64-67
  33. Коростелёва А.В, Шаркова С.Ю. Механизмы экономической ответственности при управлении экологической безопасностью//Материалы 111 Всероссийской научно-практической конференции: Специалисты АПК нового поколения – Саратов: ИЦ «Наука», 2009. с.75-77
  34. Шаркова С.Ю., Ларина О.О. Влияние федеральной автомагистрали «Москва-Челябинск» на качество овощной продукции// Материалы 11 международной научно- практической конференции. – Москва: РГЗУ, 2009. с.92-95
  35. Шаркова С.Ю. Роль зеленых насаждений в оздоровлении воздушного бассейна города//Материалы 11 международной научно- практической конференции. – Москва: РГЗУ, 2009. с.95-97.





© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.