Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Экологические последствия загрязнения почв мазутом 9
1.1. Технология получения мазута 9
1.2. Классификация и свойства мазута 10
1.3. Источники попадания мазута в окружающую среду 14
1.4. Трансформация мазута в почве 17
1.5. Влияние мазутного загрязнения на экологическое состояние и функции почвы 20
1.6. Охрана почв от мазутного загрязнения 24
Глава 2. Экологические функции почвенного покрова и их нарушение при загрязнении мазутом 30
2.1. Биогеоценотические (экосистемные) функции почвы 30
2.2. Глобальные (биосферные) экологические функции почвенного покрова 33
2.3. Сельскохозяйственные функции почвенного покрова 40
2.4. Значимость рационального использования почв с учетом экологических функций 41
Глава 3. Объекты исследований 44
3.1. Черноземы обыкновенные 45
3.2. Черноземы слитые 50
3.3. Бурые лесные почвы 54
3.4. Серопески 59
Глава 4. Методология, методика и методы исследований 62
4.1. Методология иследования экологических и биологических свойств почв 62
4.2. Методика моделирования мазутного загрязнения почв 73
4.3. Методы исследования эколого-биологического состояния почв 75
4.4. Статистическая обработка результатов 79
Глава 5. Изменение эколого-биологических свойств почв при загрязнении мазутом 81
5.1. Влияние загрязнения мазутом на эко лого-биологические свойства чернозема обыкновенного 81
5.2. Влияние загрязнения мазутом на эколого-биологические свойства чернозема выщелоченного слитого 89
5.3. Влияние загрязнения мазутом на эколого-биологические свойства бурой лесной почвы 96
5.4. Влияние загрязнения мазутом на эколого-биологические свойства серопесков 103
Глава 6. Сравнительная оценка устойчивости разных почв к загрязнению мазутом 110
Глава 7. Возможности применения биологических показателей при биомониторинге и Биодиагностике загрязнения почв мазутом 114
Глава 8. Предложения по нормированию химического загрязнения почв мазутом 119
Выводы 121
Литература 123
- Источники попадания мазута в окружающую среду
- Глобальные (биосферные) экологические функции почвенного покрова
- Черноземы обыкновенные
- Методы исследования эколого-биологического состояния почв
Введение к работе
Актуальность исследования. Одним из распространенных веществ, загрязняющих окружающую природную среду, в том числе почву, является мазут. Источниками загрязнения мазутом являются места его хранения, транспортировки и использования, в частности, широко распространенные котельные, работающие на мазутном топливе.
Изучением экологических последствий загрязнение почвы нефтью занимались многие исследователи (Исмаилов, 1988; Хазиев и др., 1988; Звягинцев и др., 1987; Киреева и др., 1998; Трофимов и др., 2000; Пиковский и др., 2003; и др.). В литературе имеются сведения о влиянии на свойства почв бензина, дизельного топлива, керосина (Frankenberger et al., 1982, Татосян, Колесников, 2003), полициклических ароматических углеводородов (ПАУ), флуорана и бенз(а)пирена, полихлорированных бифенилов (Исмаилов, 1988; Геннадиев и др., 1990; Wilke, 1997; Wilke, Koch, 1998), топливного масла (Рора, 1999, 2000), продуктов окисления нефти (Киреева и др., 1998). Однако работ, посвященных именно мазутному загрязнению почв, практически нет. Более того, нами не было найдено информации, что когда-либо проводились исследования влияния загрязнения мазутом на свойства почв Юга России, хотя очаги мазутного загрязнения в нашем регионе довольно распространенное явление.
Цель и задачи исследования. Цель работы — оценка устойчивости почв Юга России к загрязнению мазутом по биологическим показателям (в условиях модельного эксперимента).
В соответствии с целью были поставлены следующие задачи:
1.Выявить закономерности влияния загрязнения мазутом на биологические свойства почв: численность и активность микроорганизмов, активность ферментов, фитотоксичность почв.
2.Оценить степень устойчивости к мазутному загрязнению некоторых почв Юга России (черноземов обыкновенных, черноземов выщелоченных слитых, бурых горно-лесных почв и серопесков), существенно отличающихся по физическим, химическим и биологическим свойствам, определяющим устойчивость к загрязнению (оструктуренность, окислительно-восстановительные условия, биологическая активность и др.).
3.Определить возможность и целесообразность использования различных биологических показателей в целях мониторинга загрязнения мазутом почв и экосистем в целом.
4.Установить количественные ориентиры для разработки региональных нормативов содержания мазута в исследованных почвах.
Основные положения, выносимые на защиту,
Загрязнение почв мазутом вызывает ухудшение эколого-биологических свойств почв. Снижаются активность каталазы и дегидрогеназы, целлюлозолитическая способность, обилие бактерий рода Azotobacter, показатели прорастания и начального роста растений. Как правило, степень ухудшения свойств находится в прямой зависимости от количества мазута в почве.
Устойчивость почвы к загрязнению мазутом зависит от ее эколого-генетических свойств, прежде всего, таких как оструктуренность, окислительно-восстановительные условия, биологическая активность и др. Более устойчивыми являются черноземы обыкновенные и слитые, а серопески и бурые лесные почвы — более чувствительными.
Траектории изменения биологических свойств почвы в зависимости от содержания в ней мазута существенно различаются для почв с разнящимися свойствами (черноземы, бурая лесная почва, серопески) и схожи для близких почв (черноземы обыкновенные и черноземы слитые).
Одна и та же почва (бурая лесная почва) может быть более устойчива к загрязнению мазутом, чем другая почва (серопески), при одних
концентрациях мазута (до 2,5%) и менее устойчива при других (свыше 2,5%). Соответственно проводя сравнительную оценку разных почв между собой по их устойчивости к загрязнению, следует привязываться к конкретным количествам загрязняющего вещества или делать значительные обобщения. 5. Экологически безопасной концентрацией мазута для черноземов обыкновенных является 0,7 %, для черноземов слитых — 0,3 %, для бурых лесных почв — 0,1 %, для серопесков — 0,06 %.
Научная новизна работы. Впервые установлены закономерности влияния мазутного загрязнения на эколого-биологические свойства почв, такие как численность микроорганизмов, ферментативная активность, фитотоксичность. Дана оценка степени устойчивости ряда почв Юга России, существенно различающихся по физическим, химическим и биологическим свойствам: черноземов обыкновенных, черноземов выщелоченных слитых, бурых горно-лесных почв и серопесков. На основе определения информативности и чувствительности показана возможность и целесообразность использования различных биологических показателей в мониторинге и диагностике загрязнения почв и экосистем мазутом. Установлены количественные ориентиры, которые можно использовать для разработки региональных нормативов содержания мазута в почвах региона.
Практическая значимость. Результаты исследования могут быть использованы при мониторинге и диагностике состояния почв и экосистем, загрязненных мазутом, при проведении экологической экспертизы и оценке воздействия на окружающую среду, при оценке риска природных и антропогенных катастроф, при разработке региональных нормативов содержания нефти в почвах и в других природоохранных и производственных мероприятиях.
Материалы исследования используются в учебном процессе в Южном федеральном университете при преподавании следующих дисциплин:
«Экология», «Почвоведение», «Рациональное природопользование и охрана природы», «Мониторинг и биоиндикация», «Экологическая экспертиза».
Апробация работы. Материалы диссертации были представлены на Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых по фундаментальным наукам «Ломоносов» (Москва, 2005, 2006, 2007, 2008); Международной научной конференции «Экология и биология почв» (Ростов-на-Дону, 2007); Международной научно-практической конференции «Экологические проблемы. Взгляд в будущее» (Ростов-на-Дону—Абрау-Дюрсо, 2005, 2008); Международной научной конференции «Наука и образование» (Белово, 2008); Всероссийской научной конференции «Фундаментальные достижения в почвоведении, экологии, сельском хозяйстве на пути к инновациям» (Москва, 2008); Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь XXI века - будущее Российской науки» (Ростов-на-Дону, 2008); Международной научной конференции «Актуальные проблемы биологии, нанотехнологий и медицины» (Ростов-на-Дону, 2008), The Eurosoil Symposium (Vienna, Austria, 2008); V съезде Всероссийского общества почвоведов им. В.В. Докучаева (Ростов-на-Дону. 2008).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 научных работ, объемом 1,2 п.л., из них 1 статья в изданиях, рекомендованных ВАК. Доля участия автора в публикациях составляет 85% (1 п.л.).
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 138 страницах печатного текста. Состоит из введения, восьми глав, выводов, списка литературы. Содержит 17 таблиц и 35 рисунков. Список литературы включает 167 источников, из них 16 на иностранных языках.
Исследование выполнено при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (гранты № 07-04-00690-а и № 07-04-10132-к) и Федерального агентства по науке и инновациям (гранты № МД-3944.2005.4 и № МД-3155.2007.4).
Автор глубоко признателен за помощь в работе своему научному руководителю — заведующему кафедрой экологии и природопользования ЮФУ, д.с.-х.н., профессору СИ. Колесникову и всем сотрудникам кафедры.
Источники попадания мазута в окружающую среду
По уровню отрицательного воздействия на окружающую природную среду нефтегазовый комплекс занимает одно из первых мест среди прочих отраслей, загрязняя практически все компоненты окружающей природной среды: атмосферу, поверхностные и подземные воды, земли, почвы, флору и фауну. Поэтому нефтегазовый комплекс относится к числу производств, для которых природоохранная деятельность становится одним из основных производственных компонентов. Помимо нефти и продуктов ее переработки, в состав загрязнителей компонентов окружающей природной среды входят многочисленные реагенты, катализаторы, СПАВ, ингибиторы, щелочи, кислоты, вещества, образующиеся при горении, химическом превращении и т.д. (Рубанова, Цхадая, 2000).
Перечень загрязняющих почву веществ и их характеристики представлены в табл. 4. По нефтепродуктам в настоящее время отсутствует единая классификация степени загрязнения почв. По мнению большинства специалистов единых норм (ЦЦК) для районов с разными биоклиматическими условиями не существует, поскольку разные экосистемы обладают разным потенциалом самоочищения (Трофимов и др., 2000; Рубанова, Цхадая, 2000 и др.).
ПДК и фоновые концентрации содержания в почве нефти и нефтепродуктов не разработаны.
Основной источник мазутного загрязнения - это человеческая деятельность. В советское время мазут был нормативно (в СНиП, ОСТ, ГОСТ) прописан как основное, резервное, аварийное, технологическое топливо. В результате появилось большое число объектов, где мазут был единственным и незаменимым топливом (Щелоков, 2001).
В настоящее время, основные мазутные загрязнения происходят в районах трубопроводов, при транспортировке мазута по сухопутным и, особенно, морским магистралям, а также в районе применения топочного мазута в качестве горючего для котельных и тепловых электростанций.
В районах наземных трубопроводов периодически происходят локальные утечки мазута и других нефтепродуктов, которые не распространяются на большие площади. Для исключения забивания мазутопроводов следует предусматривать установку фильтров грубой и тонкой очистки. Должен быть обеспечен 100% запас по их пропускной способности. Трубопроводы мазута прокладываются со спутниками-паропроводами в одной изоляции. Обязательно необходимо предусматривать возможность продувки мазутопроводов паром (Щелоков, 2001).
Если утечка происходит при транспортировке по морским магистралям, мазут способен растекается по воде тончайшей, часто мономолекулярной пленкой на площади в сотни и тысячи квадратных километров, образуя мазутные пятна. Оказавшись в прибойной зоне, мазутная пленка выбрасывается на сушу и заражает огромные площади побережий, нанося колоссальный вред всему живому в этом районе.
Химическое загрязнение природной среды в результате использования топочного мазута носит региональный или локальный характер. Территории котельных и тепловых электростанций могут занимать площади в десятки и сотни квадратных километров. Загрязнение может происходить вследствие утечек самого мазута, так и слива замазученных вод в процессе эксплуатации теплоисточников, на которых мазут используется как основное или резервное топливо (Заволинский и др. 2005).
На некоторых объектах топливно-энергетического комплекса используется водомазутное топливо (ВМТ — композиционное топливо, создано на основе мазута и воды (до 15%)) - такие объекты также являются потенциальными источниками мазутного загрязнения почв (Кондратьев, Петраков, 2003).
Таким образом, районы и источники загрязнений мазутом можно условно разделить на две группы: временные и постоянные («хронические»). К временным районам можно отнести мазутные пятна на водной поверхности, утечки флотского мазута из емкостей судов, разливы при транспортировке по мазутопроводам. К постоянным районам относятся районы котельных и тепловых электростанций, на территории которых земля буквально пропитана нефтью в результате многократных утечек.
Глобальные (биосферные) экологические функции почвенного покрова
В глобальных функциях почв выделяют в качестве самостоятельных категорий атмосферные, литосферные, гидросферные, общебиосферные и этносферные функции. Атмосферные функции почвы.
Атмосферные функции почвенного покрова включают в себя: регулирование влагооборота атмосферы; регулирование газового режима атмосферы; поставку в воздушную оболочку твердого вещества и микроорганизмов; поглощение и отражение почвой солнечной радиации; поглощение и удержание некоторых газов от ухода в космическое пространство.
Еще В.И. Вернадский говорил об атмосферном вкладе почвы как о явлении глобального масштаба. Научные исследования показали, что почва выступает как мощный регулятор газового состава атмосферы (Звягинцев, 1987).
Воздействие на состав атмосферы во многом обусловлено таким особым свойством почвы как пористость почвы - количество пор в ней составляет 10-60% объема. Газообмен между воздухом и почвой совершается весьма интенсивно благодаря своему расположению на стыке с атмосферой, пористому сложению и активному продуцированию газов биотой. Например в пахотном горизонте почти полное обновление воздуха происходит каждый час (Добровольский, Никитин, 1986).
Газообмен почвы и атмосферы основан на диффузии и конвекции. Газообмен существенно зависит не только от влияния ветра, количества осадков, уровня грунтовых вод и верховодки, но и от разности температур почвы и воздуха и, особенно, от увлажненности почвы. Газообмен снижается по мере возрастания увлажненности. Газообмен между почвой и атмосферой по сравнению с газообменом между водными массами и прилегающими к ним воздушными слоями протекает существенно легче. При переходе от сильно увлажненной к водонасыщенной почве скорость газообмена уменьшается в миллион раз (Звягинцев, 1987).
Несмотря на высокоскоростной взаимообмен между почвой и атмосферой почвенный воздух по своему составу отличается от атмосферного в несколько сот раз. Это объясняется интенсивностью продуцирования и потребления газов пропорционально деятельности почвенной биоты.
Исследование газообразных веществ, образующихся в почве и поступающих из нее в атмосферу, важно не только с теоретической, но и практической точки зрения. Так при нерациональном хозяйственном использовании почв в ней могут образовываться ряд газообразных химических соединений и элементов, которые при попадании в атмосферу способны оказывать негативное влияние на озоновый экран.
Одним из наиболее значимых научных направлений в исследовании атмосферных экологических функций почвенного покрова является изучение биологической ассимиляции азота. Во-первых, микробиологическая фиксация атмосферного азота почвами экологически безопасна для окружающей среды. Во-вторых, исключает затраты на производство и внесение азотных удобрений. В последнее время популярность приобретает «ассоциативная азотфиксация» - активная азотфиксация в ризосфере и филлосфере небобовых растений.
Современное почвоведение и экология располагает данными о существенном поглощении почвой оксида углерода (СО). Процессы поглощения оксида углерода разнообразны (Смит, 1985): а) поглощение СО почвой; б) фиксация СО высшими растениями; в) миграция СО в стратосферу с последующими фотохимическими реакциями; г) окисление в тропосфере СО до СОг с помощью ОН; д) реакция СО с животным гемопротеином; е) поглощение СО океаном. Существенное значение среди процессов поглощения СО имеют только первые два, но наиболее важным поглощающим агентом служат почвы. Почва способна активно поглощать диоксид серы и сероводород, причем данный процесс происходит быстрее, чем поглощение оксида углерода. Из числа других газообразных соединений, поглощаемых почвой, можно выделить углеводороды. Почвой активно поглощается этилен -углеводород, который содержится в выхлопных газах. Таким образом, способность почв к поглощению газов в очередной раз доказывает, что почвенный покров планеты действительно служит одним из важных регуляторов газового состава атмосферы. Свидетельством этого является и эффективное поглощение почвой атмосферных газов, и выделение газов в атмосферу.
В наше время существует также проблема поглощения почвой газов, выделяющихся из недр Земли. Взаимодействие почвы и подземной атмосферы - весьма важная область исследований. Значимость этого вопроса подтверждает большой удельный вес подземной атмосферы в суммарной газовой оболочке Земли и значительное разнообразие ее проявлений.
Газорегуляторная функция почвы наряду с аналогичной функцией наземных биоценозов - действенный механизм поддержания почвенным покровом газовой оболочки Земли в режиме, сформированном эволюцией.
Литосферные функции почв.
Литосферные функции почвенной оболочки Земли включают в себя: роль почвы как источника вещества для образования минералов, пород, полезных ископаемых; биохимическое преобразование верхних слоев литосферы при участии почвообразовательного процесса; вклад почвы в защиту литосферы от чрезмерной эрозии, в обеспечение условий ее нормального развития и др. (Никитин, 1999).
Почва выполняет функцию защиты оболочки от разрушающего действия ветровой и водной эрозии. Кроме того, почва является важным условием прогрессивного развития литосферы. Значительный вклад почва вносит и в сбалансированность развития литосферы, ее определенную уравновешенность эндогенных и экзогенных факторов ее эволюции, внутренних и внешних источников энергии литосферы, а таюке в существование процессов возврата в каменную оболочку теряемого ею вещества.
Среди всего разнообразия форм и масштабности воздействия почвообразования на литосферу, выделяется геологическая продолжительность влияния почв на каменную оболочку. Гидросферные функции почв.
Гидросферные функции почв включают: участие почвы в формировании речного стока и влияние ее на биопродуктивность водоемов за счет приносимых почвенных соединений; трансформацию почвой поверхностных вод в грунтовые; работа почвы в качестве сорбционного барьера, защищающего акватории от загрязнений и др.
Деятельность человека приводит к изменениям водного режима почв и водного баланса территорий, а во многих случаях она служит причиной негативных экологических последствий различного масштаба. Это и нарушение естественного водообмена в зоне аэрации, и переувлажнение почв при орошении, что приводит к процессам опустынивания в аридных и семиаридных зонах, процессам вторичного засоления.
Нарушение естественного водного баланса при орошении привело к опустыниванию экосистем и почв целых регионов. Примером тому служит иссушение Аральского моря при ведении большой оросительной кампании в Средней Азии в период господства потребительских форм хозяйствования. Многие рыбацкие поселки оказались удалены на 100 и более километров от берега Арала.
Много аналогичных, но менее масштабных примеров можно привести в Ростовской области, Ставропольском крае, Калмыкии и т.д. Масштабы переувлажнения почв способствуют развитию в них глеевых процессов. Значительный вклад в это явление привнесла ирригация. Во многих регионах эти процессы расширяются в связи с уничтожением растительного покрова, затруднением естественного влагопереноса по земной поверхности по причине строительства промышленных и жилищных объектов, прокладки автомобильных и железных дорог, трубопроводов, в связи с эрозией почв и др. В переходном периоде экономического развития нашего государства, площадь орошаемых земель заметно сократилась и в настоящее время преимущественно существует богарное земледелие.
Черноземы обыкновенные
Все черноземы имеют общее генетическое строение профиля независимо от географического распространения. A - гумусовый горизонт. Однородной темно-серой окраски со слабым буроватым оттенком. Буроватый тон хорошо заметен только в южных черноземах. Интенсивность темного окрашивания увеличивается от южного чернозема через обыкновенные и типичные к выщелоченному тучному чернозему предгорий. В том же направлении уменьшается буроватый оттенок, который у предгорного чернозема почти не выражен. В целинных и длительно залежных почвах могут формироваться горизонты А0 (степной войлок) и Ад (дерновый горизонт), имеющий прекрасную зернистую структуру без порошистых фракций. Горизонт А в распаханных черноземах разделяется на Апах (пахотный горизонт) и А (подпахотный горизонт). Пахотный горизонт, как правило, имеет разрушенную структуру. Она глыбистая после распашки под зябь, после зимы становится порошистой. Ценные зернистые и комковатые фракции или практически отсутствуют, или находятся в минимуме. Подпахотный горизонт сохраняет строение целинных вариантов чернозема;
АВ - гумусовый переходный горизонт. Однородное гумусовое темно-серое окрашивание ослабевает. Горизонты А+АВ определяют мощность гумусового профиля. Она изменяется в широких пределах от 40 до 150 см. Горизонт имеет хорошо выраженную комковатую структуру;
В (ВС) - переходный горизонт. Неоднороден по окраске, с преобладанием бурых тонов. Встречаются затеки гумуса, гумусовые пятна. Неоднородность окраски создается также интенсивной перерытостью землероющими животными, наличием червороин и кротовин, обилием прожилок и мицелия карбонатов;
Вса (Сса) - десуктивно-карбонатный иллювиальный горизонт с обилием конкреционных новообразований извести в виде белоглазки и журавчиков. Общее накопление СаСОз достигает 10-14 %. С глубиной количество извести уменьшается. Нижняя граница профиля чернозема определяется стабильным количеством СаСОз, характерным для материнской породы;
BcsSa (CcsSa) - иллювиальный горизонт гипса и легкорастворимых солей. Он обнаруживается только в черноземах южных и обыкновенных. Хорошо промытые атмосферными осадками оподзоленные, выщелоченные и типичные черноземы этого горизонта не имеют; С — почвообразующая порода.
Таким образом, общая мощность чернозема как типа почвообразования определяется горизонтами A+AB+B+BCa+CSa или А+АВ+В+ВСа- Она простирается до материнской породы С и составляет у разных подтипов от 150 до 450 см. Самые мощные в мире черноземы наблюдаются в районе Краснодара. Это выщелоченные и типичные подтипы. Кроме общей мощности всего профиля, обозначают отдельно мощность гумусовых горизонтов, А+АВ, нижняя граница которых совпадает с содержанием гумуса около 1,0 %. В быту мощность чернозема ассоциируется с мощностью гумусовых горизонтов. В классификации принято видовое разделение на маломощные, среднемощные, мощные и сверхмощные черноземы именно по мощности А+АВ.
Типовое строение чернозема характерно для рода обычные. Другие черноземы имеют те или иные отклонения. Почвообразовательные процессы. Чернозем как тип почвообразования формируется в результате следующих ведущих процессов: — дерновый процесс; — образование и накопление гумусовых веществ (гумификация); — выщелачивание и миграция простых солей; — оглинивание почвенной массы. Классификация и диагностика. Различия между подтипами черноземов определяются их генетическими и производственными особенностями и отражаются в целом комплексе характеристик. Для типа черноземов очень теплых кратковременно промерзающих на Северном Кавказе можно акцентировать внимание на главнейших и наиболее простых диагностах подтипов классификации: Черноземы оподзоленные имеют в верхней части гумусового профиля новообразования в виде кремнеземистой присыпки по граням структурных отдельностей; Черноземы выщелоченные содержат карбонаты только в нижней части гумусового профиля или за его пределами; Черноземы типичные вскипают от соляной кислоты (начало появления карбонатов) в средней части гумусового профиля; Черноземы обыкновенные (карбонатные) отличаются присутствием карбонатов с поверхности почвы или в пределах верхнего 30-сантиметрового слоя почвы; Черноземы южные (каштановые) — слабогумусированные, отличаются преобладанием каштановых и бурых тонов в окраске в верхней части гумусового горизонта. Черноземы горные (предгорные) содержат повышенное количество гумуса, и в связи с этим их окраска становится почти черной. Встречаются они в горных и предгорных условиях и входят в систему горной зональности. Подтипы черноземов оподзоленных, выщелоченных, типичных, обыкновенных, южных располагаются на равнинах Предкавказья и входят в систему особой равнинной зональности теневого эффекта гор Кавказа. Здесь формируются специфические условия конденсации атмосферной влаги воздушных потоков, задерживаемых Кавказским хребтом. Местная специфичность подтиповой диагностики и классификации, выходящая за пределы классификации почв России, заключается в следующем.
Черноземы оподзоленные встречаются крайне редко, фрагментарно, не имеют сплошного распространения.
Черноземы выщелоченные совершенно не похожи на черноземы этого подтипа других фаций. Здесь не наблюдается элювиально-иллювиальной дифференциации минеральной массы в гумусовом профиле, бескарбонатный горизонт В отсутствует, призмовидно-комковатой структуры нет.
Черноземы обыкновенные в Ростовской области продолжают называть, как и в прошлом, черноземами предкавказскими и североприазовскими. Различают их по мощности гумусовых горизонтов. Среди предкавказских черноземов преобладают мощные и сверхмощные виды, а среди североприазовских - среднемощные и мощные. К названию «обыкновенные черноземы» зачастую прибавляют термин «карбонатные» — обыкновенные (карбонатные) (Алещенко, 1973, Тюремнов, 1926).
Черноземы южные (каштановые) совершенно не похожи на южные черноземы восточно-европейской фации. Они имеют растянутый гумусовый профиль, А+АВ почти до 100 см, специфическую коричнево-каштановую окраску. Темно-серые тона подавлены, гумусированность слабая, около 3,0 %. Агропроизводственная особенность - прекрасные земли для виноградников (Тамань, Ставрополье).
Черноземы горные (предгорные) имеют свою агропроизводственную специфику - это лучшие земли Юга России для картофеля (предгорья Краснодарского края и Ставрополья).
На Юге России среди черноземов умеренно-теплой Восточноевропейской фации встречаются только подтипы обыкновенных и южных черноземов (Волгоградская и Ростовская области). Черноземы типичные, выщелоченные и оподзоленные распространены уже за пределами региона, в ЦЧО и Поволжье.
Черноземы обыкновенные характеризуются гумусовым горизонтом средней мощности с резкими отклонениями до повышенной мощности (80-100 см). Количество гумуса может достигать 5-8 %. Но, как правило, все черноземы дегумифицированы до 3-5 %. Спорадически на глубине 2-3 м в профиле могут встречаться выделения гипса и легкорастворимых солей.
Черноземы южные отличаются пониженной мощностью гумусового горизонта, около 60 см. Максимальная мощность не превышает 70 см. Содержание гумуса около 4 % для распахиваемых почв. Варьирование возможно от 3 до 5 %. Типичны для южных черноземов выделения гипса в виде мучнисто-кристаллических жилок и друз на глубине 1,5-2 м. В гипсовом горизонте могут содержаться легкорастворимые соли в количестве 1,5 % по плотному остатку в водной вытяжке.
Методы исследования эколого-биологического состояния почв
Настоящие лабораторно-аналитические исследования выполнены с использованием общепринятых в биологии и почвоведении методов (Практикум по микробиологии, 1976; Практикум по почвоведению, 1986; Гельцер, 1986; Практикум по агрохимии, 1989; Методы почвенной микробиологии и биохимии, 1991; Колесников и др. 2006, 2007; Контроль химических ..., 1998 и др.). Определяли обилие бактерий рода Azotobacter, активность каталазы и дегидрогеназы, целлюлозолитическую активность, фитотоксические свойства почв и другие показатели.
Обилие бактерий рода Azotobacter учитывали методом комочков обрастания на среде Эшби. Использовали девятикратную повторность (3 навески почвы на 3 чашки Петри).
Целлюлозолитическую активность определяли по степени разложения хлопчатобумажных полотен одинаковой массы, экспонированных в почве в течение 30 дней (Гельцер, 1986). Повторность 3-6-кратная.
О ферментативной активности почв судили по активности каталазы, и дегидрогеназы. Определение ферментативной активности почв основано на учете количества переработанного в процессе реакции субстрата или образования продукта реакции в оптимальных условиях температуры, рН среды, концентрации субстрата и навески почвы. С целью выявления активности ферментов в реальных условиях при биодиагностике почв автор придерживался рекомендаций А.Ш. Галстяна (1978). Активность почвенных ферментов изучалась при естественной рН почвы. Повторность 4-6 кратная. Активность каталазы и дегидрогеназы измеряли по методикам Галстяна (1978). Каталаза (Н2Ог : Н2О2 - оксидоредуктаза, КФ 1.11.1.6.) катализирует реакцию разложения перекиси водорода на воду и молекулярный кислород. Методы определения каталазной активности основаны на измерении скорости распада перекиси водорода при взаимодействии ее с почвой по объему выделяющегося кислорода (газометрические методы) и по количеству неразложенной перекиси, которое определяют перманганатометирическим титрованием или колориметрическим методом с образованием окрашенных комплексов. Активность каталазы выражают в мл 02 на 1 г почвы, выделившегося за 1 минуту. Исследованиями К.Ш. Казеева (2001) установлено, что при хранении образцов активность каталазы в отличии от всех ферментов снижается в наибольшей степени, поэтому ее определение проводилось в первую неделю после отбора образцов. Дегидрогеназа (субстрат : НАД (Ф)-оксидоредуктазы, КФ 1.1.1) катализирует окислительно-восстановительные реакции путем дегидрирования органических веществ. Основным методом обнаружения действия дегидрогеназ является восстановление индикаторов с низким редокс-потенциалом типа метиленововой сини. Для определения активности дегидрогеназ почвы в качестве источника водорода применяют безцветные соли тетразолия (2,3,5-трифенолтетразолий хлористый — ТТХ), которые восстанавливаются в красные соединения формазанов (трифенилформазан - ТФФ). Активность дегидрогеназ выражают в мг ТТФ на Юг почвы за 24 ч. Ошибка определения до 8%.
Фитотоксичность почв, загрязненных мазутом, определяли по изменению показателей прорастания семян (всхожесть, энергия прорастания, дружность прорастания, скорость прорастания) и интенсивности начального роста проростков (длина корней, длина зеленых проростков, масса корней (воздушно-сухая), масса зеленых проростков (воздушно-сухая) (Красильников, 1958; Рыбакова, 1987; Бабьева, Зенова, 1989). В качестве тест-объекта использовали редис сорта «Корунд». Повторность 4-6-кратная. рН почв определяли потенциометрическим методом (Практикум по почвоведению, 1986). Повторность 3-кратная.
Чтобы судить о биологической активности и эколого-биологическом состоянии почвы отнюдь недостаточно одного из показателей, поскольку всякий из них отражает одну из сторон биологических и биохимических процессов почвы. Отсюда следует, насколько важно использовать широкий набор показателей состояния почвы.
Методика определения интегрального показателя биологического состояния почвы (ИПБС), использованная нами (Колесников и др., 2000, 2001, 2002; Казеев и др., 2003), может служить для объединения большого количества показателей. Существующая методика дает возможность оценить совокупность эколого-биологических показателей. Для чего в выборке максимальное значение каждого из показателей принимается за 100 % и по отношению к нему в процентах выражается значение того же показателя в остальных образцах.
Б, = (Бх/Бтах)хЮ0%, (1)
где Бі — относительный балл показателя, Бх — фактическое значение показателя, Бтах — максимальное значение показателя. После этого, суммируются уже относительные значения многих показателей (например, активность разных ферментов, дыхание, содержание гумуса и др.). Их абсолютные значения суммированы быть не могут, так как имеют разные единицы измерения (мг, % и т.д.). После этого рассчитывается средний оценочный балл изученных показателей для образца (варианта):
БСр. = (Б1+Б2 + Б3...+ Бп)/Щ2) где Бср, — средний оценочный балл показателей, N — число показателей.
Интегральный показатель эколого-биологического состояния почвы рассчитывают аналогично формуле (1):
ИПЭБСП = (Бср. / Бср. тах) х 100%, (3) где Бср. — средний оценочный балл всех показателей, Бср. тах — максимальный оценочный балл всех показателей.
При диагностике загрязнений за 100 % принималось значение каждого из показателей в незагрязненной почве и по отношению к нему в процентах выражалось значение этого же показателя в загрязненной почве.
При антропогенном воздействии на почву среднее значение выбранных показателей, в большинстве случаев, снижается, в то время как отдельные показатели биологической активности почвы могут увеличиваться. Таким образом, снижение интегрального показателя эколого-биологического состояния почвы, как правило, находится в прямой зависимости от степени воздействия антропогенного фактора.
Расчет интегрального показателя эколого-биологического состояния почвы подразумевает использование не любых показателей биологической активности почв, а наиболее информативных, поскольку именно они могут составлять основу интегрального показателя. Окончательное формирование набора показателей, которые составят интегральный показатель, потребует дальнейшей разработки. В перспективе, набор показателей и методики их определения должен быть стандартизирован. Показатели свойств почвы, входящие в интегральный показатель, могут отличаться. Данное отличие зависит от того, действие какого антропогенного фактора исследуется и нормируется.
Похожие диссертации на Оценка устойчивости почв юга России к загрязнению мазутом по биологическим показателям : в условиях модельного эксперимента
