Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Физико-географические условия таежно-лесной зоны средней тайги. 7
1.1. Особенности климата, рельефа, растительного покрова обследованных территорий. 7
1.1.1. Климат. 7
1.1.2. Рельеф 10
1.1 .3. Растительность 16
1.2. Почвообразующие породы и почвенный покров района исследований 18
1.2.1. Почвообразующие породы 18
1.2.2. Почвенный покров 22
1.2.2.1. Почвенный покров Нефтеюганского района 27
1.2.2.2. Почвенный покров Нижневартовского района 35
Глава 2. Объекты и методы исследований 44
2.1. Объекты изучения 44
2.2. Методы исследования 55
Глава 3. Антропогенная трансформация свойств почв 60
3.1. Влияние факельной установки на свойства почв 60
3.2. Влияние нефтезагрязнений на свойства почв 65
3.2.1. Влияние нефтезагрязнений на свойства исследованных почв. Изменение рНс и содержания гумуса в нефтезагрязненных почвах 70
3.2.2. Установление продолжительности негативного воздействия изучаемого фактора 74
3.3. Лесные пожары и их влияние на свойства почв 75
3.3.1. Влияние лесных пожаров на содержание гумуса в почве 85
3.3.2. Влияние лесных пожаров на реакцию среды 86
Глава 4 Антропогенная трансформация биологической активности почв 89
4.1. Влияние факела на трансформацию биологической активности почв 89
4.1.1. Влияние факела на фитотоксичность почв 89
4.1.2. Влияние факела на активность катал азы 94
4.1.3. Влияние факела на численность почвенной микрофлоры 100
4.2. Влияние нефтезагрязиений на трансформацию биологической активности почв 103
4.2.1. Влияние нефтезагрязиений на фитотоксичность почв 103
4.2.2. Влияние нефтезагрязнения на активность каталазы 107
4.2.3. Влияние нефти на почвенные микроорганизмы 110
4.3. Влияние лесных пожаров на трансформацию каталазной активности, численности и группового состава микроорганизмов 116
4.3.1. Влияние лесных пожаров на трансформацию каталазной активности подзолистой иллювиально-железистой почвы 116
4.3.2. Влияние лесных пожаров на численность почвенной микрофлоры подзолистой иллювиально-железистой почвы 117
Выводы 119
Библиографический список 122
- Почвообразующие породы и почвенный покров района исследований
- Влияние нефтезагрязнений на свойства исследованных почв. Изменение рНс и содержания гумуса в нефтезагрязненных почвах
- Влияние лесных пожаров на содержание гумуса в почве
- Влияние нефтезагрязиений на трансформацию биологической активности почв
Введение к работе
В связи с возросшим воздействием человека на окружающую природную среду возникла необходимость в детальной информации о фактическом состоянии природных экосистем, оценке и прогнозе их изменений под влиянием антропогенного фактора. В качестве критериев состояния экосистем используются геохимические и в меньшей мере биологические показатели.
Микробиота - существенный компонент экосистем, выполняющий функции их стабилизации. Продуктивность природных ландшафтов во многом определяется биологическим состоянием почвы, зависит от состава и численности микробных ассоциаций отдельных почв и направленности и интенсивности микробных процессов (Клевенская, Наплекова, Гантимурова, 1970; Клевенская, Гантимурова, 1979).
Деятельность микробного компонента экосистем, тесно связана с сохранением естественной способности природной среды к самоочищению. Основу естественного самоочищения во многих случаях составляют трофические связи и способность живого вещества экосистем трансформировать органические соединения. Значительная роль в этих процессах принадлежит микроорганизмам. Способность микроорганизмов быстро адаптироваться к новым условиям существования позволяет им использовать самые разнообразные вещества в качестве источников углерода, азота, фосфора, вплоть до «неприродных» соединений (Рубан, 1973).
Важность данной проблемы предопределила цель настоящей работы.
Цель исследований. Выявить изменения свойств почв, и их биологической активности под влиянием различных антропогенных воздействий в таежно-лесной зоне Западно-Сибирской низменности.
Задачи исследований: 1. Выявить особенности антропогенного воздействия на обследованной территории.
Установить изменения основных свойств почв под влиянием: а) факельной установки; б) нефтезагрязнений; в) лесных пожаров.
Определить воздействие факельной установки на фитотоксичность почв, их биологическую активность, численность и групповой состав почвенной микрофлоры.
Оценить воздействие нефтезагрязнения на фитотоксичность почв, их биологическую активность, численность и групповой состав микрофлоры.
5. Определить влияние лесных пожаров на фитотоксичность, биологическую активность почв, численность и групповой состав микрофлоры.
Научная новизна. Впервые для почв таежно-лесной зоны дана комплексная оценка изменения свойств почв, фитотоксичности, биологической активности, численности и группового состава почвенной микрофлоры под влиянием деятельности факельной установки, нефтезагрязнения и лесных пожаров. С помощью информационно-логического анализа установлены связи между изменениями свойств почв и проявлением их биохимической и микробиологической активности. Для разных почв установлено время восстановления техногенно-нарушенного состояния биохимической активности почв.
В диссертационной работе выдвигаются следующие защищаемые положения:
1. Загрязнение почв нефтью сопровождается структурной перестройкой группового состава микробного сообщества.
2. Удаленность от факельной установки по разным странам света оказывает различное влияние на свойства почв, биологическую активность, численность и групповой состав микрофлоры.
Практическая значимость работы. В работе показано, что загрязнение почв нефтепродуктами изменяет биологическую активность почв, численность и групповой состав почвенных микроорганизмов, а также фитотоксичность. По мере удаленности от факельной установки изменяются свойства почвы, биологическая активность, фитотоксичность, численность и групповой состав почвенной микрофлоры. Это приводит к снижению способности растений к проростанню и в целом к снижению плодородия почв. Негативные воздействия изученных загрязняющих веществ могут быть долговременны. Это необходимо учитывать при разработке почвоохранных мероприятий. Использованные в работе методы достаточно чувствительны и могут быть применены для оценки степени загрязнения почв. Результаты исследований используются при чтении курсов «Почвоведения» и «Агрохимии», могут быть использованы в курсах «Микробиология почв», и «Экология почв».
Автор благодарен научным сотрудникам и аспирантам кафедры почвоведения и агрохимии к.с.-х.н., доценту СИ. Завалишину, к.с.-х.н., Ж.Г. Хлуденцову, А.И. Шевердину, СИ. Гаськову за помощь в проведении совместных экспериментов.
Особую признательность автор выражает научному руководителю -заведующей кафедрой почвоведения и агрохимии, заслуженному деятелю науки РФ, доктору сельскохозяйственных наук, академику, профессору Лидии Макаровне Бурлаковой за внимание, консультации и поддержку на протяжении всей работы над диссертацией.
Почвообразующие породы и почвенный покров района исследований
Почвообразующие породы ХМ АО представлены главным образом рыхлыми отложениями четвертичного возраста. Для четвертичных пород округа характерно наличие большого количества генетических типов отложений, значительная пестрота фаций. В соответствии с историей развития Западно-Сибирской равнины на её территории наблюдается закономерная смена генетических типов отложений. На севере области распространены морские и ледниково-морские осадки, в средней части — континентальные ледниковые и вод но-ледниковые отложения, а на юге — континентальные озерно-аллювиальные. На равнинах лесной зоны широко распространены также субаэральные покровные лессовидные суглинки.
Четвертичные отложения представлены преимущественно песками, супесями и суглинками. Глинистые породы среди поверхностных отложений развиты меньше и в качестве почвообразующих пород играют сравнительно небольшую роль. Различие генезиса пород и характера питающих петрографических провинций, а также наложение сингенетических и диагенетических процессов определили разнообразие минералогического, химического и механического состава пород округа.
Для пород центральных районов равнины породообразующим является преимущественно комплекс устойчивых минералов (кварц, циркон, эпидот), что обуславливает бедность этих пород элементами питания. В лесной зоне в составе тонкодисперсной части осадков преобладают гидрослюды и каолинит, которые на юге округа — в лесостепи уступают свое место монтмориллониту. Наибольшее значение на территории округа в качестве почвообразующих пород имеют пески разного генезиса и суглинки покровного типа. Покровные суглинки представлены главным образом легкими и средними разновидностями (Ливеровскии, Гаврилова и др. 1971).
Суглинистые породы в условиях сильного промерзания приобретают специфическую криогенную икряную структуру, связанную, по-видимому, с особенностями коагуляции коллоидов в условиях низких температур и повышенной влажности. Для суглинистых пород лесной зоны характерна своеобразная острореберная плитчато-ореховатая структура. В пределах внеледниковой зоны суглинки приобретают четкие черты лессовидных пород - высокую пористость, трещиноватость, способность образовывать вертикальные стенки.
Песчаные породы отличаются от суглинистых и глинистых наиболее высокой фильтрационной способностью, в силу чего условия почвообразования на них существенно отличаются от тех, которые наблюдаются на породах тяжелого механического состава. Однако широкое развитие в пределах области слоистых песков, частое чередование пачек разного механического состава приводит к затруднению дренажа этих пород. Слоистость и двучленность пород также создают условия для формирования устойчивых верховодок, способствуют глееобразованию и заболачиванию.
Аллювиальные отложения пойм чрезвычайно пестры по литологическому составу и фациально изменчивы. Они подразделяются по характеру пойменной фации (поскольку именно эта фация слагает большую часть поверхности пойм) на два основных типа: супесчано-песчаных и преимущественно суглинистых.
Обширные пространства округа в пределах южной тундры, лесотундры и всех подзон тайги занимают торфяные залежи, служащие здесь органогенной почвообразующей породой (Ливеровский, Гаврилова и др. 1971).
В районе наших исследований почвообразующие породы Салымского болотно-лесного ландшафтно-экологического района представлены песчано-су глинистыми озерными и озерно-аллювиальными отложениями. Механический состав почвообразующих пород разнообразен. Во фракционном составе почвообразующих пород суглинистого механического состава преобладает фракция крупной пыли (0,05-0,01мм), а у супесчаных и песчаных разновидностей - мелкого песка (0,25-0,05 мм). Реакция почвообразующих пород варьирует от сильнокислой до близкой к нейтральной.
Почвообразующие породы пойменного лесо-кустарниково-лугового среднего течения Оби, сложены современными аллювиальными отложениями, в основном двучленными.
Территория, занимаемая Сургутским лесо-болотным ландшафтно-экологическим районом, сложена мощной толщей озерно-аллювиальных песчаников, перекрытых четвертичными озерно-болотными отложениями. Механический состав почвообразующих пород песчаный и супесчаный.
Почвообразующие породы Аганского лесного ландшафтно-экологического района, представлены четвертичными покровными отложениями водно-ледникового происхождения, преимущественно средне и тяжелосуглинистого механического состава, встречаются и глинистые отложения. Почвообразующие породы кислые, рНс не превышает 3,35.
Почвообразовательными породами Верхнесабунского лесного ландшафтно-экологического района, являются флювиогляциальные пески, перекрытые бескарбонатными суглинками и супесями комплекса ледниковых осадков. Почвообразующими породами Вахского лесо-болотного ландшафтно-экологического района, служат аллювиальные отложения. Для В ах — Тымского лесного ландшафтного района характерны породы суглинистого механического состава. Среди них преобладают средне и тяжелосуглинистые разновидности. Во фракционном составе пород преобладают крупнопылеватая и илистая фракции. Пойменный луговой ландшафтно-экологический район реки Обь, сложен современными аллювиальными отложениями, имеющими разнообразный механический состав, от супесей до тяжелых суглинков. Для аллювиальных почвообразующих пород характерны слоистость и двучленность (суглинистый поверхностный аллювий подстилается на разной глубине песками и песчано-суглинистыми отложениями).
Влияние нефтезагрязнений на свойства исследованных почв. Изменение рНс и содержания гумуса в нефтезагрязненных почвах
Влияние нефтезагрязнений было изучено на изменение обменной кислотности почв (рНс) и содержания гумуса. Для исследования были взяты верхние горизонты следующих почв: дерново-глеевой оподзо ленной (Мамонтовекое месторождение), аллювиально-дерновой (Усть-Балыкское месторождение), и болотно-верховой торфяно-глеевой (Хохрякове кое месторождение) загрязненных и незагрязненных нефтью. Данные по направленности изменений рНс приведены в таблице 8. На всех почвах под влиянием разлива нефти с началом наблюдений (с 1997г) величина рН солевой вытяжки была выше, чем в последующие годы наблюдений. Наиболее высокая рНс отмечена на аллювиально-луговой почве с выжженной нефтью. Очевидно, что загрязнение нефтью подщелачивает почву. В последующие годы наблюдений рНс уменьшается, но на разных почвах по-разному, что по видимому связано с самой почвой, с ее возможностью перераспределять нефть по профилю почвы. К 2002 году реакция среды практически приближается к ее исходному значению на всех исследованных почвах (рис. 6), но еще остается повышенной в аллювиально-дерновой почве с выжженной нефтью и в болотно-верховой торфяно-глеевой почвах. Выравнивание рНс в этих почвах с исходной реакцией среды должно произойти в 2003 году. Изменения содержания гумуса в загрязненных нефтью почвах во времени показано в таблице 9. Загрязнение почвы нефтью увеличило содержание в почве гумуса за счет углеродных соединений нефти, которое определяется методом Тюрина. Затем во-времени происходит уменьшение содержания гумуса в почве, связанное с деструкцией нефти. К 2002 году содержание гумуса в аллювиально-дерновых почвах стало близким к его содержанию для незагрязненных почв, в дерново-глеевой оподзоленной почве его содержание в 2002 году было немного выше его исходного содержания в нефтезагрязненной почве. Таким образом, по полученным результатам в почвах, загрязненных нефтью рЦ; увеличивается на 1 - 1,5 единицы. По мере деструкции нефти рНс в почве восстанавливается до величин, присущих данной почве.
Под влиянием загрязнения почвы нефтью увеличивается содержание углерода в почве, за счет чего содержание гумуса возрастает до 8 - 10,8 %. В процессе деструкции нефти содержание гумуса падает (от 0,3 до 0,4%) до его стационарного значения в аллювиально-дерновой почве легкого гранулометрического состава, для болотно-верховых торфяно-глеевых почв к 2002 году потеря при прокаливании соответствует исходной почве, В разных почвах динамика рНс и гумуса под влиянием загрязнения нефтью происходит по-разному. Наиболее интенсивно они протекают в аллювиально-дерновой почве, ежегодно обновляющейся под влиянием паводкового режима и протекающих с разной степенью интенсивности аллювиальных процессов. Этапы естественной деградации нефти в почве изучали Гузев B.C., Левин С.В (1989). Они выделяют три основных этапа естественной деградации нефти в почве. На первом этапе в результате процессов физико-химического выветривания происходит удаление из почвы наиболее низкомолекулярных составляющих нефти - газообразных и легколетучих соединений. Именно с этими фракциями нефти в большой степени связаны остротоксические свойства нефти по отношению к почвенной биоте. В дальнейшем деградация нефти в почве связывается с деятельностью микроорганизмов. Второй этап естественной микробиологической деградации нефти занимает достаточно длительный промежуток времени и сопровождается постепенным снижением количества остаточной нефти в почве. Имеются сведения, что на данном этапе процессы биодеградации нефти идут в двух противоположных направлениях. С одной стороны, окисление нефти приводит к упрощению ее структуры, что связано с деятельностью углеводородоокисляющих микроорганизмов. Благодаря их активности происходит микробное разложение главным образом нормальных алканов и простых ароматических углеводородов. С другой стороны, в этот период в почве обнаружены различные промежуточные продукты - ароматические и алифатические эфиры, кетоны, альдегиды, которые конденсируются в почве. На втором этапе естественной деградации ксенобиотика в почве исчезают низкомолекулярные составляющие нефти и почва обогащается полициклическими ароматическими углеводородами, смолами и асфальтенами.
Влияние лесных пожаров на содержание гумуса в почве
Пожары также влияют на реакцию среды. Обычно в первые годы после пожара в пирогенных горизонтах, иногда и в смежных с ними, повышаются значения рН, что связано с озолением подстилки и специфическим влиянием пирогенного горизонта. Подщелачивание наблюдается в верхних слоях (Сапожников, Карпачевский, Ильина, 2001). Изменение кислотности почвенного раствора поверхностных горизонтов более заметно в год пожара или на следующий. В ниже лежащих горизонтах сдвиг реакции часто происходит с некоторым запаздыванием во времени. Влага снеговых и дождевых осадков вместе с растворенными в ней щелочноземельными элементами по мере проникновения в почвенную толщу приносит новые порции водорастворимых соединений, которые нейтрализуют горизонт за горизонтом. Такое постепенное воздействие нейтральных и щелочных растворов на почвенный профиль установлено как при слабой, так и при сильной интенсивности пожара. Продолжительность периода, в течение которого прослеживается изменения кислотности среды, определяется не только запасами золы на поверхности, но и количеством атмосферных осадков (Горбачев, Дмитриенко, Попова и др., 1982). Как показывают проведенные исследования, пожары влияют не только на жидкую (изменение реакции почвенного раствора), но и на твердую фазу почв (изменение потенциальной и актуальной кислотности).
Это видно из таблиц 11,12. Анализ показал, что на участке гари после пожара произошло подщелачивание почвенного раствора (Pietikainen, Fritze, 1995). Это связано с озолением подстилки, а также из-за действия активированного угля, который образуется под воздействием паров воды и окисляющих газов (СОг), а также высоких температур, которые выделяются в момент пожара из почвы. С течением времени на участке гари будет происходить постепенное восстановление кислотности, изменение ее в кислую сторону. До полного восстановления должно пройти несколько лет. Таким образом, пожары оказали существенное влияние на содержание гумуса в почве, уменьшая его до горизонта В включительно. Пожары способствуют увеличению рНс, что обусловлено сгоранием органических веществ и повышением зольности в верхних горизонтах почв. Аналогичные изменения гумуса и рНе под воздействием пожара отмечает И. Т. Трофимов для лесных почв Алтайского края (2003). Под фитотоксичностью почв принято понимать способность почв подавлять рост и развитие растений. Токсичность почв может возникать под действием антропогенных факторов за счет двух процессов - аккумуляции в почве загрязнителей и накопления токсинов, образованных представителями микробиоты загрязненных почв. К сожалению, они не учитывают немаловажный антропогенный фактор, как снижение плодородия почвы. Микроорганизмы с фитотоксическими свойствами встречаются в различных почвах (Геллер, Калмыкова, 1978; Берестецкий,1978; Мирчинк, 1957; Красильников, 1958). Фитотоксичные почвенные микроорганизмы представлены различными систематическими группами. Для установления значения токсинообразующих организмов в почве важна количественная оценка их содержания (Берестецкий, 1972, Красильников и др., 1955, Мирчинк, 1963, Чумаевская, Хмель, 1987). Среди причин задержки роста растений под влиянием фитотоксических веществ могут быть подавление клеточного деления, хромосомные абберации, замедленный рост клеток в зоне деления (Берестецкий, Граб и др., 1978, Берестецкий, 1978, Харченко, 1978). В середине лета плесневые грибы встречаются частично в состоянии стерильного мицелия, но главным образом, в виде мицелия со спороношениями. Наиболее распространены представители рода Mukor (Романова, 1954).
Влияние нефтезагрязиений на трансформацию биологической активности почв
Известно, что микроорганизмы чутко реагируют на изменения почвенных условий или на присутствие в ней загрязняющих веществ. В настоящее время исходя из положения об иерархическом строении биологических систем, предлагаются новые подходы к биотестированию почвы, при котором биоиндикационньге показатели отражают влияние загрязнителей на различных уровнях: доклеточном, клеточном, популяционном и ценотическом (Андрекж, Путинская..., 1997, Клевенская, Наплекова, Гантимурова, 1970).
Особый интерес представляет биологическая оценка степени повреждения природных экосистем при нефтяном загрязнении почвы. Конечным результатом нефтяного загрязнения является формирование почвенных ареалов с необычными для зональных условий чертами. Зональные типы сменяются техногенными модификациями, снижается продуктивность почв. Общая особенность всех нефтезагрязненных почв — изменение численности и ограничение видового разнообразия микрофлоры (Солнцева и др., 1985).
Несмотря на опасные последствия от загрязнений нефтью и нефтепродуктами, при низких концентрациях нефть и некоторые ее компоненты оказывают стимулирующее действие на почвенную биоту, она энергетическим является субстратом для микроорганизмов, стимулирует рост некоторых почвенных грибов - Fuzarium (Звягинцев и др., 1989, Никулин 2000, Розанова, Кузнецов, 1974, Никитина и др., 1980).
Токсичность нефти объясняется присутствием летучих ароматических углеводородов (толуол, ксилол, бензол). Эти соединения легко разрушаются и удаляются из почвы. Отмечено, что период острого токсического действия нефти сравнительно короток (Киреева, Гализмянова, 1995). Следует учитывать, что токсичность почвы может быть связана с фитотоксической активностью почвенной микробиоты, которая может усиливаться при антропогенном загрязнении. Поглощенные почвой соединения менее доступны для микроорганизмов (Кононова, 1963). О. А. Берестецкий (1978), проанализировав видовой состав фитотоксичных микромицетов, определил, что наибольший состав токсинообразующих грибов был обнаружен среди рода Aspergillus, Penicillum, Rhizopus. По видовому разнообразию фитотоксичных форм грибов ведущее место занимает род Penicillum. Значительно меньшим числом фитотоксичных видов представлены роды Fuzarium и Aspergillus. Все остальные систематические группы грибов представлены одним - двумя видами. Как известно (Марфенина, 1978), развитие фитотоксических форм грибов может усилить отрицательное антропогенное воздействие на почву для растений. В наблюдениях Киреевой Н.А. (2001), высокие дозы нефти уменьшали всхожесть семян, угнетали рост корней и проростков растений. Нами была определена фитотоксичность в разных почвах в 2002 и 2003 гг. на загрязненных нефтью в сравнении с незагрязненными. Данные приведены в табл. 17, 18, 19,20 и 21.
