Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Экологические последствия загрязнения почв тяжелыми металлами и нефтью 9
1.1. Экологические последствия загрязнения почв тяжелыми металлами 9
1.1.1. Общая характеристика тяжелых металлов 9
1.1.2. Тяжелые металлы в почве 11
1.1.3. Влияние загрязнения тяжелыми металлами на свойства почвы и живые организмы 16
1.1.4. Нормирование загрязнения почв тяжелыми металлами 28
1.1.5. Рекультивация почв, загрязненных тяжелыми металлами 31
2.1. Экологические последствия загрязнения почв нефтью 34
1.2.1. Общая характеристика нефти 34
1.2.2. Нефть в почве 38
1.2.3. Влияние загрязнения нефтью на свойства почвы иживые организмы. 43
1.2.4. Нормирование загрязнения почв нефтью 55
1.2.5. Рекультивация нефтезагрязненныхпочв 56
Глава 2. Объект исследования — черноземы обыкновенные 58
2.1. Условия почвообразования, география и классификация 58
2.2. Генезис и свойства черноземов обыкновенных 63
2.3. Биологическая характеристика черноземов обыкновенных 68
2.4. Содержание в черноземах обыкновенных тяжелых металлов 71
Глава 3. Методика и методы исследований 72
3.1. Методика лабораторных модельных исследований 72
3.2. Методика полевых модельных исследований is
3.3. Методы определения состояния 75
Почвы и растений 75
3.4. Статистическая обработка результатов 80
Глава 4. Лабораторные модельные исследования ....81
4.1. Влияние загрязнения на эколого-биологические свойства чернозема обыкновенного опх донгау 81
4.1.1. Влияние загрязнения хромом. 81
4.1.2. Влияние загрязнения медью 91
4.1.3. Влияние загрязнения никелем 101
4.1.4. Влияние загрязнения свинцом. По
4.1.5. Влияние загрязнения нефтью 120
4.2. Влияние загрязнения на эколого-биологические свойства чернозема обыкновенного ботсада юфу 129
4.2.1. Влияние загрязнения свинцом. 129
4.2.2. Влияние загрязнения нефтью 139
4.3. Сравнение устойчивости к загрязнению чернозема обыкновенного опх донгау и ботсада юфу 148
4.4. Оценка чувствительности и информативности биологических показателей состояния почв 150
4.4.1. Определение информативности показателей 150
4.4.2. Определение чувствительности показа телей 153
Глава 5. Полевые модельные исследования 156
5.1. Влияние загрязнения на эколого-биологические свойства Чернозема обыкновенного в динамике 156
5.2. Влияние загрязнения на эколого-биологические свойства чернозема обыкновенного по генетическому профилю 176
5.3. Влияние загрязнения чернозема обыкновенного на численность микроартропод 179
5.4. Влияние загрязнения чернозема обыкновенного на рост и развитие озимой пшеницы 186
Глава 6. Сопоставление результатов лабораторныхи полевых исследований 190
Выводы 199
Литература 202
- Экологические последствия загрязнения почв тяжелыми металлами
- Условия почвообразования, география и классификация
- Методика лабораторных модельных исследований
- Влияние загрязнения на эколого-биологические свойства чернозема обыкновенного ботсада юфу
Введение к работе
Актуальность исследования. В настоящее время одним из актуальных вопросов экологии и охраны природы стало исследование последствий загрязнения объектов окружающей среды, в том числе почв, различными химическими веществами. Экологические и экономические ущербы от химического загрязнения почв и сельскохозяйственной продукции огромны.
Проблеме загрязнения почв посвящено много научных работ. Однако и сейчас экологические последствия химического загрязнения почв изучены недостаточно. Первыми на загрязнение реагируют живые организмы и биологические свойства почвы. Знание особенностей воздействия химических веществ на биологические процессы в почве и механизмов устойчивости почв и растений к загрязнению должно стать основой для разработки методов предотвращения негативных последствий загрязнения.
Большинство исследований влияния химического загрязнения на свойства почв проводились либо на территориях техногенного загрязнения, либо в условиях лабораторного моделирования. Исследования влияния загрязнения на биологические свойства чернозема обыкновенного в полевых модельных условиях проведены впервые.
Цель и задачи исследования. Цель работы — оценка экотоксичности тяжелых металлов (Сг, Си, Ni, Pb) и нефти по биологическим показателям состояния чернозема в полевых и лабораторных условиях.
В соответствии с целью были поставлены следующие задачи:
1.Установить закономерности влияния загрязнения тяжелыми металлами (ТМ) (Сг, Си, Ni, Pb) и нефтью на эколого-биологические свойства чернозема обыкновенного. Оценить степень изменения свойств чернозема в зависимости от параметров загрязнения, таких как природа загрязняющего вещества, его количество в почве, продолжительность загрязнения.
2.Сопоставить между собой результаты лабораторных и полевых модельных исследований химического загрязнения почв. Оценить корректность переноса результатов лабораторного моделирования в полевые условия.
3.Исследовать изменение свойств чернозема при загрязнении по генетическому профилю.
4.Установить количественные ориентиры для разработки региональных нормативов содержания ТМ и нефти в черноземе обыкновенном.
Основные положения, выносимые на защиту.
1 .Загрязнение оксидами Cr, Си, Ni, Pb и нефтью оказывает негативное воздействие на эколого-биологические свойства чернозема обыкновенного.
2.Практически не выявлено статистически достоверных различий между степенью снижения эколого-биологических показателей в лабораторных условиях и в поле. Это свидетельствует о корректности переноса результатов лабораторных модельных исследований в полевые условия.
3. Загрязнение пахотного горизонта чернозема обыкновенного нефтью приводит к ухудшению биологических свойств не только в этом, но и в нижележащих слоях, в то время как загрязнение свинцом существенно сказывается на биологических свойствах только верхнего горизонта почвы.
4.Превышение содержания свинца в черноземе обыкновенном в количестве 25 мг/кг, а содержание нефти 0,25% от массы почвы, нельзя считать экологически безопасными (допустимыми), так как они, во-первых, вызывают снижение большинства основных биологических показателей экологического состояния почвы, во-вторых, приводят к значительному нарушению роста и развития растений; а свинец, кроме того, в больших количествах поступает в зерно и солому.
Научная новизна работы. Впервые проведено подробное полевое и лабораторное моделирование загрязнения чернозема обыкновенного ТМ и
нефтью с широким набором доз загрязняющих веществ и сроков от момента загрязнения. В результате установлены новые закономерности изменения эколого-биологических свойств чернозема, таких как численность микроорганизмов, ферментативная активность, фитотоксичность, содержание гумуса, фитотоксичность почв, численность разных групп микроартропод, рост и развитие растений. Проведено сопоставление между собой результатов лабораторных и полевых модельных исследований химического загрязнения почв и доказана корректность переноса результатов лабораторного моделирования в полевые условия. Исследовано изменение свойств чернозема в различных генетических горизонтах. Дана оценка чувствительности и информативности различных биологических показателей с целью использования в мониторинге состояния почв, загрязненных ТМ и нефтью. Дана оценка экологически безопасного содержания ТМ и нефти в черноземе обыкновенном.
Практическая значимость. Результаты исследования могут быть использованы при мониторинге и диагностике состояния загрязненных почв, при оценке воздействия на окружающую среду, оценке риска природных и антропогенных катастроф, разработке региональных нормативов содержания ТМ и нефти в почвах, а также в других природоохранных и производственных мероприятиях.
Результаты исследования используются в учебном процессе при преподавании экологии, почвоведения, природопользования и охраны окружающей среды, экологической экспертизы, мониторинга и биоиндикации в Южном федеральном университете и могут быть использованы в учебном процессе в других вузах.
Апробация работы. Материалы диссертации были представлены на Международных научных конференциях «Экология и биология почв» (Ростов-на-Дону, 2007, 2008); Научно-практической конференции «Актуальные проблемы экологии в сельскохозяйственном производстве» (Персиановский, 2006, 2007); Международной научно-практической конференции «Экологические проблемы. Взгляд в будущее» (Ростов-на-Дону—Абрау-Дюрсо, 2007,
2008); Международной научно-практической конференции «Экология биосистем: проблемы изучения, индикации и прогнозирования» (Астрахань, 2007); III Международной научно-практической конференции «Эволюция и деградация почвенного покрова» (Ставрополь, 2007); Всероссийской научной конференции «Фундаментальные достижения в почвоведении, экологии, сельском хозяйстве на пути к инновациям» (Москва, 2008); X международной научной конференции «Эколого-биологические проблемы бассейна Каспийского моря и водоёмов внутреннего стока Евразии» (Астрахань, 2008); V Всероссийском съезде Общества почвоведов им. В.В. Докучаева (Ростов-на-Дону, 2008); The Eurosoil Symposium (Vienna, Austria, 2008).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 20 научных работ, объемом 10,54 п.л., из них 1 статья в издании, рекомендованном ВАК, 1 монография (в соавторстве). Доля участия автора в публикациях составляет 34,2% (3,6 п.л.).
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 242 страницах печатного текста. Состоит из введения, шести глав, выводов, списка литературы. Содержит 40 таблиц и 106 рисунков. Список литературы включает 415 источников, из них 68 на иностранных языках.
Исследования поддержаны Российским фондом фундаментальных исследований (гранты № 07-04-00690-а и № 07-04-10132-к) и Федеральным агентством по науке и инновациям (гранты № МД-3944.2005.4 и № МД-3155.2007.4).
Автор выражает глубокую признательность за неоценимую помощь в работе своему научному руководителю - заведующему кафедрой экологии и природопользования ЮФУ, д.с.-х.н., профессору СИ. Колесникову; за научные консультации - д.б.н., профессору В.Ф. Валькову; за ценные рекомендации на всех этапах работы — д.г.н., профессору К.Ш. Казееву; за постоянную помощь и поддержку - к.б.н., преподавателям кафедры экологии и природопользования Т.В.Денисовой и Е.В. Даденко; за помощь в проведении полевых экспериментов - к.б.н., доценту кафедры почвоведения и агрохимии Р.В.Кузнецову, а также всем соавторам публикаций и сотрудникам кафедры экологии и природопользования ЮФУ.
Экологические последствия загрязнения почв тяжелыми металлами
Одна из примечательных черт нашего времени — постоянное увеличение числа химических веществ во всех сферах жизни. По расчетам специалистов, в настоящее время в природной среде содержится от 7 до 8,6 млн. химических веществ, при этом их арсенал ежегодно пополняется еще на 250 тысяч новых соединений (Шеуджен, 2003).
Исторически на Земле сложилось два круговорота веществ — геологический, движущей силой которого являются экзогенные и эндогенные геологические процессы, и биологический, движущей силой которого является деятельность живых организмов. С появлением человека возник новый круговорот веществ — антропогенный, или техногенный, движущей силой которого является производственно-хозяйственной деятельностью человека.
В отличие от естественных круговоротов антропогенный включает в себя компоненты, ранее в природе не существовавшие. Кроме того, техногенный круговорот в большинстве случаев является незамкнутым. Поэтому часто говорят не о техногенном круговороте, а о техногенном обмене веществ. Именно незамкнутость техногенного круговорота, приводит к загрязнению природной среды. Важная составляющая в этом загрязнении принадлежит избыточному поступлению в биосферу так называемых «тяжелых металлов».
В работах, посвященных проблемам загрязнения окружающей природной среды и экологического мониторинга, на сегодняшний день к тяжелым металлам (ТМ) относят более 40 металлов периодической системы Д.И. Менделеева с атомной массой свыше 50 атомных единиц: V, Cr, Mn, Fe, Со, Ni, Си, Zn, Mo, Cd, Sn, Hg, Pb, Bi и др. (Ильин, 1991; Орлов и др., 1991). При этом немаловажную роль в категорировании тяжелых металлов играют следующие условия: их высокая токсичность для живых организмов в относительно низких концентрациях, а также способность к биоаккумуляции и биомагнификации. Практически все металлы, попадающие под это определение (за исключением свинца, ртути, кадмия и висмута, биологическая роль, которых на настоящий момент не ясна), активно участвуют в биологических процессах, входят в состав многих ферментов (Остроумов, 1986; Островская, 1987). По классификации Н.Реймерса, тяжелыми следует считать металлы с плотностью более 8 г/см3. Это РЬ, Си, Zn, Ni, Cd, Со, Sb, Sn, Bi,
Hg Формально определению ТМ соответствует большое количество элементов. Однако, по мнению исследователей, занятых практической деятельностью, связанной с организацией наблюдений за состоянием и загрязнением окружающей среды, соединения этих элементов далеко не равнозначны как загрязняющие вещества. Поэтому во многих работах происходит сужение рамок группы тяжелых металлов, в соответствии с критериями приоритетности, обусловленными направлением и спецификой работ. Так, в ставших уже классическими работах Ю.А. Израэля в перечне химических веществ, подлежащих определению в природных средах на фоновых станциях в биосферных заповедниках, в разделе тяжелые металлы поименованы РЬ, Hg, Cd, As. С другой стороны, согласно решению Целевой группы по выбросам тяжелых металлов, работающей под эгидой Европейской Экономической Комиссии ООН и занимающейся сбором и анализом информации о выбросах загрязняющих веществ в европейских странах, только Zn, As, Se и Sb были отнесены к тяжелым металлам. По определению Н.Ф. Реймерса (1990) отдельно от тяжелых металлов стоят благородные и редкие металлы, соответственно, остаются только Pb, Си, Zn, Ni, Cd, Со, Sb, Sn, Bi, Hg. В прикладных работах к числу тяжелых металлов чаще всего добавляют Pt, Ag, W, Fe, Au, Mn.
Среди TM многие являются микроэлементами, биологически важными для живых организмов. Они являются необходимыми и незаменимыми компонентами биокатализаторов и биорегуляторов важнейших физиологических процессов. Однако избыточное содержание ТМ в различных объектах биосферы оказывает угнетающее и даже токсическое действие на живые организмы.
В настоящей работе основное внимание уделено Cr, Си, Ni, Pb, так как именно они являются приоритетными загрязняющими веществами естественных экосистем на Юге России (Дьяченко, 2004).
В таблице 1 представлены кларк, норма содержания и ПДК в почве исследованных в настоящей работе элементов.
Одна из важнейших особенностей техногенеза металлов заключается в переводе их в неустойчивые геохимические формы, такие как свободные металлы. Они подвергаются окислению, их растворимость резко возрастает. Растворимые соединения вовлекаются в биологическую миграцию. В биологической миграции ТМ не включаются в процесс самоочищения. Их концентрации могут лишь разбавляться в ходе миграции. Они подвергаются всем типам миграции и биологическим круговоротам, загрязняя жизнеобеспечивающие среды: воду, воздух, пищу (Торшин и др., 1990; Соколов, Черников, 1999; Перязева, 2001).
Источники поступления ТМ в почву делятся на природные и техногенные (табл. 2). Природными источниками является выветривание горных пород и минералов, эрозионные процессы, вулканическая деятельность. К техногенным источникам относятся добыча и переработка полезных ископаемых, сжигание топлива, влияние автотранспорта, сельского хозяйства и др. (Бондарев, 1976; Алексеев, 1987; Ильин, 1991; Орлов и др., 1991; Бирагова, 2003). Сельскохозяйственные земли, помимо загрязнения через атмосферу, загрязняются ТМ еще и специфически, при применении пестицидов, минеральных и органических удобрений, известковании, использовании сточных вод (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989; Торшин и др., 1990).
В последнее время, особое внимание ученые уделяют городским почвам. Последние, безусловно, испытывают значительный техногенный пресс, составной частью которого является загрязнение ТМ (Приваленко, 1993; Ларина и др., 1996; Ладонина и др., 1999; Ильин и др., 2000 и др.; Кадацкий и др., 2001; Ильин, 2002; Хамитова, Степанова, 2004).
На поверхность почвы ТМ поступают в различных формах. Это оксиды и различные соли металлов, как растворимые, так и практически нерастворимые в воде (сульфиды, сульфаты, арсениты и др.). В составе выбросов предприятий по переработке руды и предприятий цветной металлургии — основного источника загрязнения окружающей среды ТМ — основная масса металлов (70-90 %) находится в форме оксидов (табл. 3) (Горбатов, 1983; Цаплина, 1994).
Условия почвообразования, география и классификация
Рельеф. Согласно геоморфологическому районированию исследуемая территория характеризуется: страна Русская равнина; провинция Предкавказских равнин; область Приазовская эрозионно-аккумулятивная наклонная равнина (восточная часть).
Равнины и плато Нижнего Дона и Предкавказья представляют собой молодую эпигерценскую Скифскую платформу.
Приазовская эрозионно-аккумулятивная наклонная равнина расположена к югу от Донецкого кряжа, имеет наклон с севера на юг и представляет собой восточную оконечность Приазовской низменности. Ее высоты уменьшаются от 160 м на севере до 105 м на юге. Поверхность Приазовской наклонной равнины расчленена долинами рек меридионального направления. Особенно сильно расчленена ее западная часть (Сафронов, 1986; Смагина, Кутилин, 1994).
Почвообразующие породы исследуемого района представлены преимущественно карбонатными лёссовидными глинами и суглинками мощностью от 6 до 50 м флювиогляциального, аллювиального и аллювиально-делювиального происхождения. Содержание СаСОз колеблется в широких пределах (4-16%).
Гранулометрический состав этих отложений в основном тяжелосуглинистый и легкоглинистый. Преобладают фракции крупной пыли (30-54%) и ила (35-41%), содержание песка незначительно. Все механические элементы скоагулированы в микроагрегаты размером 0,01-1 мм, общее содержание которых составляет 65-68%, что в значительной степени определяет высокую порозность (42-52 %), хорошие влагоемкость и водопроницаемость этих пород.
В валовом составе лёссовидных глин и суглинков при относительно высоком содержании кремнезема (56-68 %) присутствуют значительное количество алюминия (13-16 %), железа (4,4-6,7 %) и магния (1,6-2,7 %). Эти породы богаты калием (1,6-2,0 %) и фосфором (0,10-0,16 %) (Блажний и др., 1985).
Климат в значительной степени определяется географическим положением региона: близостью Азовского и Черного морей на западе, высокими хребтами Кавказа на юге, открытостью севера и северо-востока территории для холодных потоков воздуха с Восточно-Европейской равнины. Сложные физико-географические условия, близость незамерзающих морей и системы высоких хребтов Кавказа вносят изменения в движение воздушных масс и обуславливают своеобразие климата территории. Наиболее характерные черты климата Северного Приазовья: умеренная континентальность; мягкая, малоснежная, с частыми оттепелями зима, умеренно жаркое лето и значительная продолжительность безморозного и вегетационного периодов, высокая сумма положительных температур (Ливе-ровский, 1974; Батова, 1986).
В пределах исследуемого района климат неодинаков. Северная часть территории отличается несколько большей континентальностью — более холодной зимой, меньшей продолжительностью вегетационного периода и меньшей суммой активных температур (Батова, 1986).
В основе генетического почвоведения лежит методологический принцип В.В. Докучаева — понимание почвы как компонента целостного природного комплекса. Представители генетического (экологического) почвоведения, основанного на докучаевском учении об условиях и факторах почвообразования, рассматривают почву с учетом целостности географической оболочки, во взаимозависимости между различными объектами и явлениями природной среды.
Значение климата в почвообразовательных процессах исключительно велико. Взаимодействие почвы и метеорологических элементов, определяющих среднюю погоду, происходит как непосредственно, так и опосредованно, через другие факторы образования, главным образом, через биомы. Непосредственно атмосферный климат создает температурный и водный режимы почвы, преломляясь через свойства почвенного тела и его поверхность. Так формируется особый почвенный климат. Опосредованное или косвенное влияние климата осуществляется через весь объем живого вещества, продукты его метаболизма и отмирания. Именно климатические условия определяют зональные типы ландшафтных биоценозов, взаимодействие которых с почвами представляет главнейшую черту всей географической оболочки Земли. Непосредственное и косвенное влияние климата на почвообразование неразрывны, взаимно переплетены и взаимообусловлены. Жизнедеятельность растительности, почвенной зоомассы предопределены условиями увлажнения и тепловым режимом. В то же время влажность почвы и ее температура зависят и от особенностей жизнедеятельности всех организмов. Непосредственное влияние климатических факторов на почву оказывается преломленным через биологическую среду, преобразованным в разной степени живыми организмами. Почвенные и климатические характеристики находятся в корреляционной связи.
Таким образом, зональные типы почв характеризуются вполне определенными генетическими характеристиками, и наоборот, по свойствам почвы можно определить основные особенности климата.
Отмеченные особенности климата Северного Приазовья обуславливают значительную интенсивность биологического круговорота и почти круглогодичное протекание микробиологических и биохимических процессов, что проявляется в специфике накопления гумуса и миграционных явлениях. Особенности накопления гумуса выражаются в формировании мощного или сверхмощного, слабогумусированного или малогумусного профиля. Миграция карбонатов по профилю приводит к образованию карбонатного иллювиального горизонта.
Растительность. В недавнем прошлом почти вся территория Северного Приазовья была занята природной степной растительностью. По Гросс-гейму (1948), эта растительность относится к Западно-предкавказскому округу понтической флористической провинции, входящей в область разно-травно-типчаково-ковыльных степей. Северное Приазовье и Западное Предкавказье были заняты бобовниково-разнотравно-злаковой степью с высоким густым травостоем. В составе растительности подзоны среди злаков доминирующую роль играли ковыли, типчаки, келерия. Разнотравье было представлено различными видами клеверов, эспарцетов, вики и др. (Блажний и др., 1985; Пашков, Зозулин, 1986).
Естественный растительный покров исследуемой территории несет на себе отпечаток глубокой антропогенной трансформации. В настоящее время естественная степная растительность практически полностью уничтожена. Она сохранилась лишь фрагментарно среди культурных ландшафтов.
Благоприятные природные условия и высокое плодородие местных почв определили высокую степень сельскохозяйственного использования этой территории. Это наиболее земледельчески освоенная часть страны. В пределах Азово-Кубанской равнины степень распаханности территории достигает 90 % (Кутилин, Смагина, 1996). Сельское хозяйство специализируется на производстве зерновых культур, сахарной свеклы и подсолнечника.
Методика лабораторных модельных исследований
Для решения поставленных задач был заложен ряд лабораторных и полевых модельных опытов.
Лабораторные модельные эксперименты были проведены с черноземом обыкновенным, отобранным в двух точках: ОПХ ДонГАУ (Октябрьский район Ростовской области) и Ботанический сад ЮФУ (г. Ростов-на-Дону). Почва для модельных экспериментов была отобрана из пахотного горизонта.
В качестве загрязняющих веществ использовали нефть, Cr, Си, Ni, Pb. Именно ЭТИМИ ТМ в наибольшей степени загрязнены почвы на Юге России (Шеуджен, 2003; Дьяченко, 2004). Кроме того, выбранные ТМ интересны для сравнения, поскольку имеют схожую степень токсичности. ПДК Сг, Си, Ni, Pb, разработанные в Германии, равны и составляют 100 мг/кг почвы (Касьяненко, 1992).
Исследовали широкий набор доз ТМ 25, 50, 100, 250, 500 и 1000 мг/кг почвы (что составляет 0,25; 0,5; 1; 2,5; 5 и 10 «немецких» ПДК соответственно) (табл. 10). Тяжелые металлы вносили в почву в форме оксидов, поскольку 70-90% загрязнения почв происходит именно этой формой ТМ (Горбатов, 1988).
Для выражения концентрации нефти в почве использовали ее процентное содержание. ПДК в почве нефти не разработана. Дозы нефти — 0,25; 0,5; 1,0; 2,5; 5,0; 10,0 % от массы почвы (табл. 11). Характеристика нефти представлена в таблице 12.
Для равномерного загрязнения всего объема почвы в вегетационном сосуде оксиды металлов сначала растирали с небольшим объемом почвы, а затем смешивали с остальной почвой, после чего почву увлажняли водой. Нефть вносили во влажную почву, после чего почву в сосуде перемешивали.
Почву инкубировали в вегетационных сосудах при комнатной температуре (20-22С) и оптимальном увлажнении (60% от полевой влагоемкости) в трехкратной повторности. Биологические параметры состояния почв определяли через 30 суток после загрязнения. При оценке химического воздействия на почву этот срок является наиболее информативным (Колесников и др., 2000).
Через указанный срок всю массу почвы извлекали из вегетационного сосуда и перемешивали, тем самым получали «средний образец», из которого отбирали пробы на определение исследуемых показателей.
Характеристики используемой в исследованиях нефти (Chemical Laboratory of "Sheskharis" Oil Base, Химическая лаборатория неф тебазы «Шесхарис», Новороссийск, 2000)
Полевые модельные эксперименты были проведены с черноземом обыкновенным в Ботаническом саду ЮФУ (г. Ростов-на-Дону).
Опытные делянки закладывали согласно общепринятой методике проведения полевого опыта (Доспехов, 1979).
Использовали делянки площадью 1 м с промежутками между делянками 0,5 м. Повторность трехкратная. Загрязняющие вещества нефть и оксид свинца (II). Делянки, загрязненные оксидом свинца, располагались на расстоянии 5 м от делянок, загрязненных нефтью. Дозы, формы и способы внесения в почву свинца и нефти такие же, как в лабораторных экспериментах.
Для изучения динамики происходящих в почве биологических процессов образцы почвы отбирали через 10, 30, 90, 180, 240 и 330 суток после загрязнения. Начало эксперимента 20 августа 2007 года.
После закладки опытных делянок через 1 месяц их засеяли озимой пшеницей (сорт Дончанка) согласно общепринятой технологии из расчета 200 зерен на делянку. Показатели состояния озимой пшеницы определяли в июле 2008 года. Лабораторно-аналитические исследования образцов почвы лабораторных и полевых модельных экспериментов выполнены с использованием общепринятых в экологии, биологии и почвоведении методов (Практикум по агрохимии, 1989; Методы почвенной микробиологии и биохимии, 1991 и др.; Казеев и др., 2003). Определяли общую численность бактерий, обилие бактерий рода Azotobacter, активность каталазы, дегидрогеназы, целлюлозо-литическую активность, фитотоксические свойства почв, численность и состав микроартропод, содержание гумуса, показатели роста и развития растений, содержание в почве и растениях исследованных ТМ и другие показатели.
Численность бактерий в почве учитывали методом прямого люминесцентного микроскопирования по Звягинцеву и Кожевину (1978). Микроско-пирование велось на микроскопе МИКМЕД-6. Повторность б-кратная (3 навески почвы на 3 квадрата).
Бактерии рода Azotobacter учитывали методом комочков обрастания на среде Эшби. Повторность 9-кратная (3 навески почвы на 3 чашки Петри).
Целлюлозолитическую способность определяли по степени разложения хлопчатобумажного полотна, экспонированного в почве в течение 30 дней. Повторность 6-9-кратная.
Влияние загрязнения на эколого-биологические свойства чернозема обыкновенного ботсада юфу
В результате исследования установлено следующее.
Выявлено негативное воздействие свинца на общую численность бактерий в почве, определяемую люминесцентным микрокопированием (рис. 51). Однако на численность бактерий рода Azotobacter концентрация загрязняющего вещества 25 мг/кг вызвала снижение численности до 92% от контроля, а 1000 мг/кг - до 94% (рис. 52). Можно говорить о том, что с увеличением концентрации свинца сильнее проявляется его токсический эффект.
При внесении в почву 25 мг/кг свинца активность каталазы снижалась до 99%, дегидрогеназы — до 90% от контроля (рис. 53-54). При внесении дозы 1000 мг/кг активность каталазы упала до 17%, дегидрогеназы - до 70%. Снижение активности каталазы и дегидрогеназы объясняется способностью свинца оказывать на них ингибирующее воздействие.
Загрязнение чернозема свинцом привело к значительному снижению целлюлозолитической активности почвы (рис. 55).Клетчаткоразрушающая способность почвы снизилась до 71% от контроля при внесении 1000 мг/кг свинца.
Для всесторонней оценки степени токсичности почвы определяли показатели прорастания и показатели начального роста семян (редиса сорт Ко рувд).
Всхожесть (рис. 56) - показатель прорастания, снизилась до 27% от контроля при внесении 1000 мг/кг свинца. Показатели интенсивности начального роста - длина корней (рис. 57) и длина побегов (рис. 58) — снизились при внесении 1000 мг/кг свинца соответственно до 58% и 87% от контроля.
Снижение гумуса при внесении в почву 25 мг/кг свинца до 99% от контроля является незначительным (рис. 59).
На рис. 60 представлены значения ИПБС, рассчитанного по следующим показателям: общая численность бактерий, обилие бактерий рода Azotobacter, активность каталазы, активность дегидрогеназы, целлюлозоли-тическая активность. Значение ИПБС снизилось до 60% от контроля при внесении в почву 1000 мг/кг свинца.
Таким образом, полученные данные свидетельствуют о негативном воздействии свинца на эколого-биологические свойства чернозема обыкновенного. При внесении в почву 25 мг/кг свинца наблюдается снижение всех основных биологических показателей экологического состояния почвы.
Результаты исследования влияния загрязнения нефтью (модельный эксперимент) на эколого-биологические свойства чернозема обыкновенного (Ботанический сад ЮФУ) представлены в таблицах 25, 26 и на рисунках 61-70.
Данные исследования выявили негативное воздействие нефти на численность бактерий. Общее количество бактерий снизилось до 58% при внесении 10% нефти от массы почвы. Численность бактерий рода Azotobactor уменьшилась до 90% от контроля при таком же загрязнении почвы, т.е. бактерий рода Azotobactor не чувствительны к нефтяному загрязнению почвы (рис. 61-62).
Наблюдалось значительное уменьшение целлюлозолитической активности почвы: от 100% на контроле до 13% при внесении 10% нефти (рис.65).
В результате загрязнения чернозема нефтью наблюдалось значительное снижение активности каталазы - до 43% от контроля при внесении 10% нефти и активности дегидрогеназы - до 39% от контроля при таким же загрязнении (рис. 63-64).
Наибольшее влияние загрязнение нефтью оказало на показатели всхожести редиса (рис.66). При внесении 10% нефти этот показатель снизился до 29% от контроля.
Значение интегрального показателя биологического состояния почвы снизилось до 52% от контроля при внесении 10% нефти (рис.70).
Полученные данные свидетельствуют о негативном воздействии нефти на эколого-биологические свойства чернозема обыкновенного.
Было проведено сравнение устойчивости к химическому загрязнению почв, относящихся к одному подтипу — чернозем обыкновенный, но различающихся местом расположения. Одна почва отобрана для модельных опытов на территории ОПХ ДонГАУ (Октябрьский район Ростовской области), другая в Ботаническом саду ЮФУ (г. Ростов-на-Дону). Модельные эксперименты проведены по единой методике.
