Введение к работе
Актуальность исследования. Почвенный покров юга России характеризуется уникальным разнообразием черноземов. Здесь расположены черноземы обыкновенные и южные восточно-европейской фации Ростовской и Волгоградской областей, черноземы южные, обыкновенные, типичные, выщелоченные и оподзоленные Предкавказья, слитые черноземы предгорий Кавказа, каштановые черноземы Тамани, солонцеватые черноземы Центрального Предкавказья, предгорные черноземы Ставропольской возвышенности, горные черноземы Кавказа и др. (Черноземы СССР (Предкавказье и Кавказ), 1985; Вальков и др., 2008). Такое разнообразие связано со спецификой местного климата, обусловленной теневым эффектом Кавказских гор и близостью Азовского, Черного и Каспийского морей, и особенностями рельефа.
Вышеупомянутые черноземы юга России значительно различаются между собой по генетическим свойствам, а соответственно и по устойчивости к антропогенным воздействиям, в том числе к загрязнению тяжелыми металлами. Однако эти различия ранее изучены не были. В то же время знание этих особенностей очень важно, поскольку значительные территории, занимаемые на юге России черноземами, могут существенно различаться по устойчивости к загрязнению тяжелыми металлами, нефтью и нефтепродуктами, пестицидами и т.д. Это необходимо учитывать в сельскохозяйственной и природоохранной деятельности.
Главное внимание в исследовании уделено биологическим свойствам почв, поскольку они первыми реагируют на загрязнение и наиболее информативны при оценке устойчивости почв к антропогенным воздействиям.
Цель и задачи исследования. Цель работы — дать сравнительную оценку устойчивости биологических свойств разных типов и подтипов черноземов юга России к загрязнению Cr, Cu, Ni, Pb (в модельном эксперименте).
Задачи исследования:
1.Установить закономерности воздействия загрязнения тяжелыми металлами (ТМ) на биологические свойства черноземов юга России, такие как ферментативная активность, обилие бактерий рода Azotobacter, фитотоксичность почв.
2.Провести сравнительную оценку устойчивости к загрязнению ТМ биологических свойств основных черноземов юга России: обыкновенных и южных восточно-европейской фации, обыкновенных, южных, типичных, выщелоченных слитых, предгорных и горных южно-европейкой фации.
3.Определить возможность и целесообразность использования различных биологических показателей в целях мониторинга и диагностики загрязнения ТМ черноземов юга России.
Основные положения, выносимые на защиту.
1.Загрязнение черноземов юга России Cr, Cu, Ni, Pb, как правило, ведет к ухудшению их биологических свойств: снижается активность каталазы и дегидрогеназы, целлюлозолитическая способность, обилие бактерий рода Azotobacter, ухудшаются показатели прорастания и начального роста растений. Степень ухудшения биологических свойств зависит природы элемента, содержания его в почве и генетических свойств чернозема, определяющих его устойчивость к загрязнению. По степени негативного воздействия на биологические свойства черноземов оксиды ТМ образуют следующий ряд: CrO3 > CuO > PbO >= NiO. Как правило, наблюдается прямая зависимость между содержанием ТМ и степенью ухудшения исследуемых свойств почвы.
2.По степени ухудшения биологических свойств при загрязнении ТМ черноземы юга России образуют следующую последовательность: Чо, Чо(с), Чо(п) > Чт(г) >= Чт(п/г) > Чт(п), Чю, Чю(к) > Чв(сл). Наибольшую устойчивость к загрязнению ТМ имеют черноземы обыкновенные, меньшую — типичные, еще меньшую — южные, наименьшую — выщелоченные слитые. Такая последовательность определяется генетическими свойствами черноземов — реакцией среды, содержанием органического вещества и др. Высокое содержание гумуса в большей степени определяет буферность почвы к загрязнению хромом, а высокие значения рН больше обеспечивают устойчивость к меди, никелю и свинцу.
3.Использованные биологические показатели — активность каталазы и дегидрогеназы, целлюлозолитическая способность, обилие бактерий рода Azotobacter, длина корней редиса — подтвердили свою пригодность для мониторинга, диагностики и нормирования химического загрязнения почв.
Научная новизна работы. Впервые для огромного разнообразия черноземов юга России установлены закономерности изменения основных биологических свойств, таких как активность ферментов, обилие бактерий рода Azotobacter, фитотоксичность под влиянием загрязнения ТМ, приоритетных поллютантов в регионе. Дана сравнительная оценка устойчивости к загрязнению ТМ широкого спектра черноземов юга России: обыкновенных и южных восточно-европейской фации, обыкновенных, южных, типичных, выщелоченных слитых, предгорных и горных южно-европейкой фации. Установлена возможность и целесообразность применения различных биологических показателей в целях мониторинга и диагностики загрязнения ТМ черноземов и наземных экосистем в целом юга России.
Практическая значимость. Результаты исследования могут быть использованы: 1) в учебном процессе при преподавании дисциплин в области экологии, почвоведения, природопользования, охраны природы и т.д.; 2) в научных целях при биомониторинге и биодиагностике состояния почв и экосистем, загрязненных ТМ; при создании экологических карт устойчивости почв и экосистем юга России к загрязнению ТМ; 3) в природоохранных мероприятиях при оценке воздействия на окружающую среду; разработке региональных ПДК ТМ в почве; определении предельно допустимой антропогенной нагрузки на территорию; экологическом прогнозировании последствий деятельности человека на данной территории; определении степени ответственности предприятий при нерациональном природопользовании; оценке риска катастроф; проведении экологической экспертизы, сертификации, паспортизации территории или хозяйственного объекта и т.д.
Личный вклад автора. Тема, цель, задачи, объекты, методы и план исследования определены автором совместно с научным руководителем. Полевые исследования и отбор почв для модельных экспериментов осуществлены в ходе проведения комплексных экспедиций. Лабораторные модельные опыты и анализы проведены лично автором или под его руководством. Анализ и обобщение полученных результатов, формулировка выводов и основных защищаемых положений сделаны лично автором при направляющем и корректирующем участии научного руководителя. По результатам исследований автором или научным коллективом с участием автора опубликован ряд научных работ объемом 5,4 п.л. и долей участия автора – 75 %.
Апробация работы. Результаты исследования были представлены на II Международной научной конференции «Актуальные проблемы биологии, нанотехнологий и медицины» (Ростов-на-Дону, 2008); III Международной конференции «Проблемы природопользования и экологическая ситуация в Европейской России и сопредельных странах» (Белгород, 2008); Научной конференции аспирантов и молодых ученых РГУ (Ростов-на-Дону, 2008, 2009, 2010); III Всероссийской научно-практическая конференция «Экологические проблемы природных и урбанизированных территорий» (Астрахань, 2009); III Международной конференции «Горные экосистемы и их компоненты» (Нальчик. 2009); Международной научно-практической конференции «Геоэкология и рациональное природопользование: от науки к практике» (Белгород, 2009); II Всероссийской конференции «Биогеография почв» (Москва, 2009); Международной конференции «Экокультура и фитобиотехнологии улучшения качества жизни на Каспии» (Астрахань, 2010); Научной конференции «Актуальные проблемы экологии и биологии почв» (Ростов-на-Дону, 2010); Научной конференции «Актуальные проблемы экологии и природопользования» (Ростов-на-Дону, 2011); Всероссийской научной конференции «Модернизация науки и образования». Секция 1: «Биологические науки». (Махачкала, 2011).
Результаты исследования внедрены в Южном федеральном университете в научную деятельность (использованы в научных отчетах по грантам и госконтрактам) и в учебный процесс (при преподавании дисциплин «Экология», «Экологический мониторинг», «Экология почв»).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 15 научных работ, объемом 5,4 п.л., из них 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК. Доля участия автора в публикациях — 75 %.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 139 страницах. Состоит из введения, 6 глав, выводов, списка литературы. Содержит 30 таблиц и 65 рисунков. Список литературы включает 194 источник, из них 28 на иностранных языках.
Конкурсная поддержка исследования. Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ (гранты 07-04-00690-а, 07-04-10132-к, 08-04-10080-к), ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы (государственные контракты П169, П1298, П322), Президента РФ (гранты МД-3155.2007.4, НШ-5316.2010.4).
Благодарности. Автор глубоко признателен за помощь в работе своему научному руководителю — заведующему кафедрой экологии и природопользования ЮФУ, д.с.-х.н., профессору С.И. Колесникову и всем сотрудникам кафедры.
Похожие диссертации на Оценка устойчивости биологических свойств разных подтипов черноземов юга России к загрязнению Cr, Cu, Ni, Pb
