Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Биосферные функции почв 8
1.1 .Степень изученности 8
1.2. Биосферная роль почв 8
1.3. Метаболизм почв 12
1.4. Продуцирование гумуса 12
1.5. Продуцирование С02 17
1.6. Сукцессии и развитие почв .' 19
1.7. Почвенная биота- основа функционирования почв 22
1.8. Деградация почв и ее причина , 23
Выводы 24
Глава 2. Создание банка методов оценки экологического состояния почв (земель) 27
2.1. Показатели состояния почв (земель) 27
2.2. Оценка состояния по размерам занимаемых площадей, их динамики и потерям 28
2.3. Оценка состояния по пылевым нагрузкам 41
2.4. Оценка состояния по загрязнению почв 43
2.5. Оценка состояния по вторичной геохимической деградации почв 43
2.5.1. Оценка вторичных изменений щелочно-кислотных условий почв 44
2.5.2. Оценка вторичных изменений по содержанию и потерям гумуса 46
2.5.3. Оценка вторичных изменений по изменению почвенно-поглощающего комплекса (ППК) 47
2.5.4. Оценка вторичных изменений по содержанию элементов питания 48
2.6. Интегральная оценка состояния 48
2.7. Индекс почвы 49
Выводы 51
Глава 3. Создание банка методов оценки токсичности почв 53
3.1. Общие положения 53
3.2. Методы оценки микробиологической активности почв 57
3.2.1. Методы оценки дыхания почв 68
3.2.2. Методы определения целлюлозолитической активности почвы 70
3.2.3. Методы определения протеолитической активности почв 71
3.2.4. Учет количества микроорганизмов (колоний-образующих единиц - КОЕ) методом посева на твердые питательные среды 71
3.3. Методы биотестирования токсичности почв с использованием растений 72
3.3.1. Экспресс-методы 72
3.3.2. Оценка общей токсичности почв 73
3.4. Методы биотестирования токсичности почв с использованием животных 75
3.4.1. Методы с использованием дождевых червей 75
3.4.2. Методы с использованием мелких олигохет 76
3.4.3. Методы с использованием других почвенных животных 77
3.4. 4. Методы с использованием пищевой активности животных 80
3.4.5. Методы с использованием показателей популяций почвенных животных 80
Выводы 81
Глава 4. Методика биомониторинга биосферных функций почвы 83
4.1. Постановка проблемы 83
4.2. Критерии и блок схема 89
4.3. Выбор и обоснование тестовых территорий 92
Выводы 93
Глава 5. Оценка экологического состояния тестовых территорий 96
5.1. Мещерская низменность (Владимирская область) НП «Мещера» - естественные природные системы 96
5.2. Клинско-Дмитровская гряда (Московская область, Сергиево- Посадский район) заказник «Копнинский лес» - естественные природные системы 98
5.3. Клинско-Дмитровская гряда (Московская область, Сергиево-Посадский район)- естественные природные системы, слабо трансформированные (санитарно-защитная зона предприятия) 109
5.4. Клинско-Дмитровская гряда (Московская область, Сергиево-Посадский район) долина реки Куньи - антропогенно трансформированные системы 121
5.5. Клинско-Дмитровская гряда (Московская область, Сергиево-Посадский район) исток реки Куньи - антропогенно трансформированные системы (промплощадка) 133
5.6. Анализ тенденций изменения биосферных функций почвы антропогенно трансформированных экосистем 156
Глава 6. Проекты биомониторинга для контроля экологического состояния антропогенно трансформированных экосистем на основе биосферных функций почвы 163
6.1. Общие принципы технологии биомониторинга 163
6.2. Проект «Биомониторинг биоразнообразия» 165
6.3. Проект биомониторинга «Богатство почв азотом, солевой режим, кислотность почв на основе фитоиндикации» 166
6.4. Проект биомониторинга «Биомасса экосистем» 168
6.5. Проект биомониторинга «Кислородопроизводительность экосистем» 169
6.6. Проект биомониторинга «Биологическая активность почв» 170
Практические рекомендации 171
Заключение 172
Литература 173
Приложение 183
- Деградация почв и ее причина
- Оценка состояния по размерам занимаемых площадей, их динамики и потерям
- Учет количества микроорганизмов (колоний-образующих единиц - КОЕ) методом посева на твердые питательные среды
- Клинско-Дмитровская гряда (Московская область, Сергиево- Посадский район) заказник «Копнинский лес» - естественные природные системы
Введение к работе
Актуальность. Уровень развития культуры землепользования в настоящее время достиг состояния, когда на Земле практически не осталось неиспользованных земель, а те, что используются человеком, истощены, деградированы и загрязнены продуктами техногенной деятельности. Человечество вынуждено все больше и больше вовлекать в сферу потребления природные земли, часто губительными технологиями, в то же время не оставляя себе резерва даже для строительства жилищ, не говоря уже о выращивании пищевых культур.
Перед цивилизацией остро стоит вопрос о выработке нового мышления природопользования, когда приоритетом является создание и развитие устойчивых геотехнических систем, организованных по принципу строения и функционирования естественных природных сообществ, как системных аналогов.
Поэтому изучение строения природных и антропогенно трансформированных систем актуально для выработки общей стратегии выживания человечества, главным стержнем которой должно быть сбалансированное щадящее внедрение человеческой деятельности в биосферные процессы без нарушения потенциала их самовосстановления. Для этого необходимо создать банк данных состояния естественных природных и антропогенно трансформированных систем, позволяющий осуществлять диагностику экологического состояния территории, устанавливать биопотенциал с целью экологического нормирования антропогенного воздействия.
Цель: разработать методику оценки экологического состояния антропогенно трансформированных экосистем на основе биомониторинга биосферных функций почвы.
Задачи:
1) определить биосферные функции почв,
провести анализ и создать банк методов оценки экологического состояния почвы,
провести анализ и создать банк методов оценки токсичности почвы,
4) разработать алгоритм биомониторинга биосферных функций почвы как
показателей экологического состояния антропогенно трансформированных экоси
стем,
5) провести оценку экологического состояния естественных природных и ан
тропогенно трансформированных систем,
6) разработать проекты биомониторинга антропогенно трансформирован
ных систем.
Методика исследований и материал. В основу положены материалы собственных исследований автора, выполненных в период с 2001 по 2004 гг., а также
материалы, предоставленные ГУП МосНПО «Радон». Обследованы тестовые территории в зоне распространения дерново-подзолистых, подзолистых, дерново-глеевых почв, составляющие тренд по антропогенному воздействию от эталонов к промышленной площадке. Исследования включают: 1) анализ литературного и нормативно-справочного материала, содержащегося в опубликованных сводках, томах статистической отчетности, фондовых документах; 2) получение информации из опубликованных карт картометрическим способом, 3) получение информации из опубликованных карт с помощью аналитических и экспертных оценок, 4) проведение полевых наблюдений комплексными географическими, биогеоценоло-гическими, биометрическими методами, 5) обработку результатов. Методы обработки информации включают стандартные статистические приемы, адаптированные для решения конкретных задач. В основе сбора и обработки информации лежит применение ГИС-технологии. В качестве программной оболочки использованы ГИС: SPANS GIS, SPANS MAP, ARC/INFO.
Информация собиралась в адаптированном и формализованном виде, подготовленном для ввода в компьютерную систему, созданную в Центре эколого-географических разработок ГУП МосНПО «Радон».
Новизна. Автором разработана методика оценки экологического состояния антропогенно трансформированных систем на основе биомониторинга биосферных функций почвы. Дано определение экологического состояния естественных природных и антропогенно трансформированных систем как совокупности физико-химических и биологических свойств, обеспечивающих выполнение биосферных функций. Разработаны критерии оценки, оценочные шкалы, создан банк методов. Впервые по разработанным критериям проведена оценка экологического состояния естественных природных и антропогенно трансформированных систем на 5 тестовых территориях, составляющих ряд по увеличению антропогенной нагрузки от заповедных территорий через фоновые до промышленных площадок.
Теоретическое значение. Проведенное исследование развивает концепцию экологии почв как единой природной системы с биосферными функциями, развиваемой научной школой профессора А.В. Хабарова, адаптирует методические схемы теории функциональной экологии А.С. Керженцева, В.В. Бугровского, Л.О. Карпачевского, профессора Е.И. Голубевой, вносит вклад в методологию диагностики состояния почв и экологического нормирования воздействий, разрабатываемых научными школами профессоров A.M. Степанова, Н.Я. Минеевой, А.В. Маркелова.
Практическая значимость. Работа выполнена по заказу ГУП МосНПО «Радон». На основе разработанной методики создана база данных экологического
7 состояния естественных природных и антропогенно трансформированных систем, которая пополняет информационную базу знаний для целей экологического нормирования воздействий. Автором разработаны проекты биомониторинга экологического состояния антропогенно трансформированных систем, которые внедрены в практику обращения с радиоактивными отходами при выполнении «Программы совершенствования средств и методов производства при обезвреживании РАО» за 2001- 2004. Методика, алгоритмы, модели, базы данных использованы и внедрены в ГУП МосНПО «Радон» как составные элементы технологий: оперативного картографирования, биомониторинга радиоэкологического состояния, радиоэкологической сертификации качества среды, создания биогеоценотических барьеров для оздоровления окружающей среды, локализации загрязнений и реабилитации загрязненных территорий.
Предмет защиты:
1) методика оценки экологического состояния на основе биомониторинга, включающая систему критериев, алгоритмы и оценочные шкалы,
2) базы данных экологического состояния естественных природных и ан
тропогенно трансформированных систем тестовых территорий,
3) проекты биомониторинга с установленными рабочими режимами и
пределами толерантности.
Апробация работы. Результаты работы доложены на межвузовских конференциях, научных семинарах, заседаниях кафедры почвоведения и экологии ГУЗа, тренинг-курсах, заседаниях НТС ЦЭГР ГУП МосНПО «Радон».
Публикации. По теме диссертации опубликованы 11 работ.
Личный вклад автора. Основу работы составляют оригинальные материалы, собранные автором в результате многолетних исследований в разных регионах. Постановка проблемы, сбор фактического материала, обработка, создание банка методов, обобщение, анализ результатов и выводы сделаны автором лично.
Деградация почв и ее причина
Деградация почв это утрата ее биосферных функций, что проявляется в изменении всех показателей свойств почвы, приводящем к утрате главного свойства - плодородия. За последние 200-300 лет освоенность территории европейской России (по показателю распаханности) возросла более чем вдвое (Воропаев и др., 1989). Авторы выделяют индикаторы деградации почв. Среди них - косвенные и прямые.
Косвенные индикаторы деградации почв. Дефицит органических удобрений. Благополучные в этом отношении - только часть Московской области - дерново-подзолистые почвы, подзолы, серые лесные и бурые лесные почвы. Максимальные с/х нагрузки и обеспеченность органическими удобрениями пространственно не совпадают, что приводит к выпахиванию почв.
Тренд уменьшения урожайности характерен для наиболее старо освоенных районов Центра, а тенденция увеличения - для периферии с малой длительностью использования и длительной и культурной историей ведения хозяйства.
Прямые индикаторы деградации почв. Динамика содержания гумуса в верхнем горизонте и сравнение его с тем же показателем аналогичных естественных почв. Дегумификация почв южной половины Русской равнины - содержание гумуса во всех пахотных почвах этой территории уменьшилась по сравнению с естественным фоном.
Исследования, проведенные на серых лесных почвах в последние 40 лет, показали, что процесс дегумификации продолжает развиваться. Этому способствует и эрозия почв, как следствие распашки и уничтожение растительного покрова. Загрязнение почв. Вся центральная и южная часть Русской равнины с серыми лесными почвами и черноземами загрязнена в средней и высокой степени (промышленные предприятия, сеть автомобильных и железных дорог, высокая степень распаханности и внесение минеральных удобрений).
В таежно-лесной зоне с меньшей плотностью населения и распаханностью территории, малым количеством крупных предприятий и разреженной сетью транспортных магистралей загрязнение почв слабое.
Загрязнение практически отсутствует в лесотундре и тундре, а также в полупустыне.
Почвы Русской равнины на преобладающей площади подвержены ухудшению, т.е. негативным изменениям природных свойств и строения, снижению или потере плодородия и продуктивности. Широко используется понятие «деградация почв», включающее различные негативные процессы трансформации почв и почвенного покрова. Основные из них: эрозия, дегумификация, подкисление, загрязнение.
Загрязнение почв - самая молодая форма деградации почв.
Самыми опасными из деградационных процессов на Русской равнине, ведущими к существенному ухудшению, необратимой трансформации или потере почвы как природного ресурса, являются эрозия, спровоцированная сельскохозяйственной деятельностью, и загрязнение.
Для северной части равнины (включая серые лесные почвы) некоторые де-градационные процессы, такие, как дегумификация, оглеение, физическая деградация, могут быть заторможены или приостановлены соответствующими технологиями.
В южной половине Русской равнины (черноземы, каштановые почвы) к этим процессам добавляются и другие, обусловленные орошением: слитизация, осолонцевание, вторичное засоление и др. Полную потерю ценных природных свойств и необратимую трансформацию испытывают черноземы при использовании под рисосеяние.
1. Биосферная функция почвы проявляется только в экологическом пространстве комплексных природных систем - ландшафтов, экосистем, биогеоценозов. Поэтому все биотические процессы, в т.ч. сукцессии присущи всем природным системам и почвам, в частности.
2. Почвенные ресурсы - один из главных элементов в конкуренции биосферы и техносферы. Именно почва является тем консервативным и в то же время динамичным компонентом планеты, который играет важную роль в сущест 25 вовании биосферы. Почва как ресурс Земли не может увеличивать свою площадь, площадь почвы ограничена.
3. Почвы фоновых территорий изменяются под влиянием процессов естественного развития почв в условиях динамического равновесия, а также под неизбежным влиянием глобального переноса загрязняющих веществ.
4. Основные функции почвы как природного тела и части биосферы состоят в следующем: 1) регуляция химического состава и физического состояния других тел, 2) трансформация других тел, 3) регуляция циклов веществ в биосфере.
5. Многофункциональность почв приводит к тому, что нарушение одной из функций почв может привести к изменению всего биогеоценоза.
6. Главная функция экосистемы - обмен вещества и энергии, или метаболизм - процесс обновления и поддержания массы живого вещества путем взаимодействия двух противоположных процессов: анаболизм и катаболизм.
7. Почвенный гумус, как явление, представляет собой хорошо организованную и непрерывно функционирующую систему, обеспечивающую живые организ мов природной среды элементами питания, создающую близко к оптимальной ки слотно-основную и окислительно-восстановительную обстановку при высокой бу ферное, способствующую улучшению водно-физических свойств почвы.
8. Хорошо сбалансированное взаимодействие биоты и гумуса (почвы) могло сформироваться только в ходе эволюции системы в целом, когда состав и свойства гумуса и почвенной биоты адекватно менялись в сопряженном состоянии.
9. Почва выступает как поставщик СОг.Почва связывает 90 % продуцированного экосистемой СОг
10. Любая первичная сукцессия сопровождается онтогенезом почвенного по крова. На темпы и специфику почвообразовательного процесса непосредственно влияют смены растительности и изменения состава и характера средообразующей роли животного населения.
11. Почва это биокосное образование, представляющая собой сложную взаимосвязанную и функционирующую систему почвы и биоты. Почвенные орга низмы являются главными природными регуляторами газового состава атмосферы. Ведущая роль педобионтов проявляется в том, что почвенный покров выполняет роль глобальной биогеохимической мембраны, обеспечивающей устойчивый обмен веществом и энергией между литосферой, атмосферой, гидросферой и всеми обитающими на Земле организмами .
12. Устойчивость почв обусловлена, главным образом, способностью микро организмов осуществлять трансформацию и геохимическую миграцию подавляю 26 щего большинства химических элементов в биосфере - не менее 65 элементов подвергаются микробному воздействию, вызывающему «вихрь миграции элементов».
13. Деградация почв это утрата ее биосферных функций, что проявляется в изменении всех показателей свойств почвы, приводящем к утрате главного свойства - плодородия.
Таким образом, проведенный краткий литературный обзор о роли почв и их состоянии, показал, что, несмотря на огромную значимость почвы в жизни биосферы, эксплуатация ее как ресурса осуществляется экстенсивно, то есть хищнически, без учета потенциала самовосстановления и саморегулирования. Очевидно, что зачастую такой характер природопользования связан с отсутствием необходимых методик, устанавливающих экологические нормативы и стандарты качества почвы в соответствии с ландшафтно-зональными условиями.
Поэтому исследования в настоящее время должны быть направлены на разработку методик диагностики почв, их экологического состояния, прогноза развития и рекомендаций по улучшению свойств почв.
Оценка состояния по размерам занимаемых площадей, их динамики и потерям
Основным принципом существующих оценок земель является оценка состояния почв, основу которой составляет положение, что экологическая опасность разрушения почв того или иного района в значительной степени зависит от интенсивности их использования в промышленных и сельскохозяйственных целях - степени хозяйственной нагруженности рассматриваемой территории.
Для оценки опасности каждого вида деятельности по следующим показателям: размерам занимаемых площадей, их динамики и потерям, по содержанию и потерям гумуса, химических веществ, изменению почвенно-поглощающего комплекса (ППК) и др. разработаны бонитировочные шкалы Бонитировочные шкалы представляют собой таблицы, содержащие показатели и их численные диапазоны, характеризующие экологическое состояния почв от катастрофического до удовлетворительного для каждого вида использования земель.
Оценки включает два этапа: на первом этапе оценивается состояние земель по показателям, на втором - оценивается опасность по шкалам. Для сельскохозяйственных земель в целях применения агротехнических мероприятий разработаны системы региональных бонитировочных шкал. Успехи агрохимической науки в нашей стране нашли свое отражение в многотомной энциклопедии «Агрохимическая характеристика почв», которая выходила в течение 60-70х годов. Основной акцент сделан на оценке гумуса и химических свойств почвы, определяющих их плодородие. Однако, этими характеристиками не исчерпывается плодородие почв, как основной показатель ресурсности почвы. В настоящее время накоплен огромный фактический материал по гумусообразованию, различным особенностям почвообразования, который требует осмысления и переоценке. Например, показано, что роль гумуса в обеспечении плодородия почв заключается в создании оптимального режима обитания микробиоценоза, который уже своим функционированием создает тот или иной тип почвы или плодородия (Карпачевский, 1993).
Анализ опубликованных материалов и существующих методических инструкций в различных сферах природопользования (приложение), таких как горнодобывающая промышленность, нефтяная и газовая отрасли, сельское хозяйство, обращение с радиоактивными отходами, показал, что для оценки экологического состояния земель используются три группы показателей. Первая группа показателей - это площади тех или иных категорий земель и их доли в общей площади, такие показатели называют модули давления, доли отчужденных земель, доли потерь зе 28 мель и т.д. Вторая группа показателей - это абсолютные или относительные значения содержания пыли и других загрязняющих веществ, называют такие показатели тоже как модули пылевого давления или пылевой нагрузки, индекс загрязненности и др. третья группа показателей - это характеристики природных свойств почвы, таких как содержание гумуса, анионов и катионов, элементов поглощающего комплекса, оснований, питательных веществ по сумме NPK и др.
В результате анализа различных методик, показателей и шкал нами составлены таблицы, где унифицированы и сведены в единую форму различные показатели состояния почв (табл. 6),а также сведены в единый реестр оценочные шкалы (табл. 7).
Рассмотрим и проанализируем основные методические приемы использования различных показателей для решения поставленных задач.
Показатели площадей отражают формы и структуру землепользования, оценка осуществляется на основе кадастровых и статистических показателей, которые запрашиваются в организациях системы Гипрозема, Гослесхоза, статуправ-лениях, в земельных комитетах при областной или районной администрации. Показатели представляют собой коэффициенты, отражающие отношение конкретных площадей к общей площади в процентах либо долях от единицы. Коэффициенты называют модулями хозяйственного давления или модулями хозяйственного воздействия на почвы. Может быть рассчитан модуль воздействия на почвы любого другого производства, имеющегося на оцениваемой территории.
Показатели площадных характеристик и формулы их расчетов, а также диапазоны значений, соответствующие классу опасности показаны в таблицах 6,7: До, Дсх, Дпр, Дгд, Ксх, Рсх, Кпр, Рпр, Кгд, Ргд, Удгдц.
Каждый вид деятельности имеет свои уровни давления на почвы - свои уровни экологического риска, поэтому и реальные значения критериев опасности деградации почв неодинаковы. Так, критические значения модуля промышленного давления на почвы меняются от 40% до 5%, а модули сельскохозяйственного давления - от 50% до 20%.
В соответствии с критериями, приведенными в табл.7, можно выполнить экологические оценки деградации почв и для разных соотношений использования земель в структуре землепользования. Так, если в структуре земель под промышленное использование отведено 20% площади района (Дпр - 20%,что соответствует баллу 3), а в сельском хозяйстве используется 30% площади района (Дсх -30%,что также соответствует баллу 3), то суммарная площадь земель, оказывающихся в сфере хозяйственных нагрузок, составляет 50%, что соответствует более высокой степени опасности 4 балла.
Опасность разрушения почв того или иного района в значительной степени зависит от интенсивности их использования в промышленных и сельскохозяйственных целях. Соответственно показатели структуры землепользования являются важными для оценки опасности деградации почв. Среди них необходимо отметить показатели, отражающие динамику землепользования и, соответственно, потерь тех или иных категорий земель. Эти оценки также традиционны и отражают процентные коэффициенты площадей разных видов землепользования в разные периоды времени.
Выделяют следующие формы возможных потерь земель: физического разрушения (прямые потери) из-за увеличения площадей карьеров, провалов, просадок, погребения почв под отвалами и наносами; развития ускоренной (часто катастрофической) техногенной денудации; при отчуждении сельскохозяйственных почв для нужд промышленности или жилого строительства. Для этих случаев могут использоваться оценки следующих показателей: а) потерь сельскохозяйственных почв, б) прироста площадей, используемых в несельскохозяйственных целях, в) динамики соответствующих процессов.
Оценки общих потерь сельскохозяйственных почв могут осуществляться через показатели изменений их площадей за расчетный отрезок времени. Оценки динамики потерь сельскохозяйственных почв могут осуществляться через показатели их ежегодных потерь
Показатели безвозвратных потерь сельскохозяйственных почв (если только они не уходят для лесовозобновления) - коэффициенты Ксх и показатели скорости (динамики) этих процессов (Рсх) могут служить критериями экологической опасности разрушения почвенного покрова рассматриваемой территории. Катастрофический уровень потерь наступает при отчуждении половины потенциально пригодных для сельского хозяйства почв и при скорости потерь 5% в год.
Оценки прироста земель несельскохозяйственного использования осуществляются через показатели прироста их площади за расчетный отрезок време-ни.Оценки динамики потерь земель из-за их отчуждения для несельскохозяйственного использования осуществляются через показатели ежегодных потерь (Рпр).
Учет количества микроорганизмов (колоний-образующих единиц - КОЕ) методом посева на твердые питательные среды
Среди этих методов наиболее удобен метод с использованием рентгеновской фотопленки. Полоски не проявленной фотопленки подобно полоскам целлюлозы закладываются в почвенный разрез, а затем плотно прижимаются к его стенке и экспонируются максимум 3 суток. Через 3 суток они вынимаются из разреза промываются холодной водой, экспонируются на свету вместе с контрольными полосками, проявляются и затем величина потерь желатина определяется или с использованием люксметра по величине светопроницаемости пленки или участки сохранившегося желатина вырезаются и взвешиваются. По разности веса контрольной полоски и остатков определяют величину протеолитической активности. В последнем случае можно использовать и фотобумагу.
Этот метод относительного учета численности микроорганизмов наиболее прост, хотя по сравнению с прямыми методами измерения численности микроорганизмов, занижает численность бактерий в 100-1000 раз.
Образцы проб стерильным инструментом (ножом, шпателем) отбирают в стерильные бумажные пакеты, которые помещают в полиэтиленовый мешок, чтобы предотвратить подсыхание. Для выявления микроорганизмов применяют следующие среды: среду, состоящую из мясопептонного агара для учета бактерий и среду, состоящую из агаризованного сусла, подкисленного до рН 4,5, которую используют для учета грибов. Среды стерилизуют и разливают по чашкам Петри.
Для учета приготовляют почвенную суспензию. Перемешанную стерильным шпателем почву из пакета переносят на стерильное часовое стекло, чтобы отмерить 10 г почвы, а затем переносят в стерильную колбу с 90 мл воды и тщательно перемешивают. При этом получают почвенную суспензию 10"1. Эту почвенную суспензию и вносят на поверхность среды из стерильной пипетки каплей объемом 0,05 мл, которую растирают по поверхности среды. Чашки Петри выдерживают в термостате при 30С в течение 2 суток и затем подсчитывают число образовавшихся колоний. При высоком числе колоний используют более высокую степень разведения суспензии. При более простом, глубинном посеве 1 мл почвенной суспензии вносят в чашку Петри и заливают расплавленной средой. Затем чашки Петри помещают в термостат.
Полученные таким методом данные отличаются от данных полученных методом люминесцентной микроскопии, который является методом прямого учета микроорганизмов. При люминесцентной микроскопии из почвенной суспензии после 2 минут отстаивания отбирают 2 мл, которые переносят в мерную колбу с 18 мл воды. Колбу энергично встряхивают и суспензию переносят на обезжиренное стекло микропипеткой 0,01 мл. Каплю распределяют по площади 2x2 см. На одном стекле обычно располагается 3 таких капли. Капли подсушивают, фиксируют в пламени горелки и окрашивают 2-4 мин водным раствором (1:10000) акридина оранжевого. Им окрашиваются бактерии. Остатки акридина удаляют, оставляя препараты в течение 10 мин в стакане с водой. После подсушивания при комнатной температуре капли просматривают под люминесцентным микроскопом при увеличении 360-450. Грибы окрашивают калькофлором белым. 3.3. Методы биотестирования токсичности почв с использованием растений
Наиболее простым и показательным методом активного биотестирования и биоиндикации почв на промплощадке является метод проростков. Этот метод основан на изучении роста корней у сортовых семян овощных (редис, огурец, кресс-салат, томат) или сельскохозяйственных (райграс, ячмень) растений. Метод по отношению к любым растениям достаточно стандартен. Используются водные культуры или культуры на искусственной почве, к которой добавляют тестируемый субстрат или вещество.
При использовании водной культуры, например огурцов (Steen et al., 1994), используется вытяжка или суспензия из анализируемой почвы или подстилки. Для вытяжки используется гидропонный раствор или вода. рН тестируемого раствора должен около 6.
Сортовые семена огурца проращивают в чашках Петри на фильтровальной бумаге, смоченной тестируемым раствором или суспензией. Их выдерживают 3 дня в темноте при температуре 22С и влажности 70%. Затем отбирают 10 проростков среднего размера и закатывают их в фильтровальную бумагу смоченную тестируемым раствором или суспензией. Бумагу с проростками помещают в сосуд, в котором находится примерно 50 мл раствора или суспензии и выдерживают 4 дня при 24 и 70% влажности при световом режиме 10:12 и освещенности во время дневного режима 10000 люкс. Через два дня добавляют оставшуюся часть раствора или суспензии. По окончании опыта оценивают длину корня каждого проростка и отклонения в развитии. Контролем служит гидропонный раствор или вода.
Токсичность почвы оценивают также по прорастанию семян кресс-салата, которые высаживают в увлажненный слой исследуемой почвы или грунта в чашке Петри в количестве 50 семян на чашку. Контролем может служить влажная фильтровальная бумага. Через 10 дней после инкубации при комнатной температуре оценивается всхожесть растений и длина корешков (Биоиндикация загрязне-ний...,1988).
Та же процедура может быть использована и для оценки токсичности почвы при использовании сортовых семян редиса, которых на чашку Петри необходимо 10-20 штук.
Почву и донные отложения можно тестировать и с помощью водной культуры ячменя (Hiley, 1994). 200 мг почвы или донных отложений (в пересчете на сухую массу) смешивают с 650 мл гидропонной среды, к которой затем добавляют 300 мл дистиллированной воды. Эту смесь переносят затем в литровый сосуд, в котором пророщенные предварительно (за 48 часов в темноте при температуре 20С) семена ячменя выдерживают в течение 5 дней. Первые 2 дня в темноте, следующие 3 дня при световом режиме 18:6 и температуре 20. В каждом сосуде выдерживают по 5 растений. Контролем служит смесь среды и воды без почвы или донных отложений. После окончания эксперимента поврежденные растения отбрасывают, а у на целых оценивают длину корня и стебля. Этот метод плохо пригоден при наличии в почве или донных отложениях летучих токсинов или аммиака.
Указанные методы являются методами экспресс оценки токсичности почв или среды и могут быть использованы в сезонном экологическом мониторинге.
Райграс и ячмень используются в таких долговременных экспериментах, а также для стандартной оценки аккумуляции элементов на различных почвах и для оценки воздушного загрязнения. Эти же растения рассматриваются как контроль по отношению к другим тест-объектам (Hiley, Metcalfe, 1994). Все используемые семена должны быть сортовыми.
В качестве среды, к которой добавляются тестируемая почва или донные осадки используется или синтетическая почва, состоящая из торфа, песка и мате 74 ринских глин или почва OECD. Последняя состоит из 10% сфагнового торфа, 69% тонкого речного песка (90% частиц должно быть мельче 2 мм), 20% каолиновой глины и 1% карбоната кальция (мела). Мы заменяли каолиновую глину обычной печной глиной и получали почву близкую по составу к искусственной почве OECD.
К приготовленной почве в различных пропорциях добавляют загрязненный субстрат (но не более 50%). Смесь тщательно перемешивают. По 2 кг смеси раскладывают по вегетационным сосудам объемом Злив каждый сосуд добавляют в виде раствора нитрофоску (10 г удобрения на сосуд). Почву увлажняют примерно до 35% сухой массы субстрата. Для каждого тест-вида и типа смеси используют по 6 сосудов. Контрольным видом является райграсе, который высаживают по 0,48 г (ошибка 1%) на сосуд на глубину 5 мм. Почву вновь сверху увлажняют, поддерживая влажной до момента прорастания семян. Этот день прорастания семян райграса и считается за первый день эксперимента. В этот день в отдельные экспериментальные сосуды высаживают по 5 пророщенных семян ячменя (за 48 часов в темноте при температуре 20 и имеющих корешок около 2 см) по периметру сосуда; по 5 проростков томата и листового салата, имеющих первый настоящий лист. Как указывалось выше, каждый вид высаживается отдельно на каждый вид смеси.
Райграсе и ячмень используются как контроль по отношению к другим видам, томат является чувствительным тестом на загрязнение почвы органическими пестицидами и гербицидами, а салат - тяжелыми металлами. Наблюдение за растениями ведутся в течение вегетационного сезона. Растения подкармливаются стандартной смесью удобрений NPK в соотношении 10:10:27 с добавлением микроэлементов.
Клинско-Дмитровская гряда (Московская область, Сергиево- Посадский район) заказник «Копнинский лес» - естественные природные системы
Урочище "Копнинский лес" расположено на Клинско-Дмитровской гряде и входит в ландшафтную подзону хвойно-широколиственных лесов, в Смоленско-Московскую физико-географическую провинцию. Рельеф территории определяется ее расположением в восточной части южного склона Клинско-Дмитровской гряды, являющейся частью Смоленско-Московской возвышенности. Перепад высот составляет диапазон от 193 до 249 м над уровнем моря. Вся центральная и восточная часть урочища расположена выше горизонтали 230 м над у.м.
Урочище "Копнинский лес" расположено на водоразделе двух рек, и в истоках этих рек. В Копнинском лесу берут начало два крупных притока реки Вори: река Пажа, протекающая по северной оконечности заказника, далее с севера на юго-запад, и на востоке массива берет свое начало река Кончура, приток Торгоши, которая также впадает в Ворю. Воря это крупный приток реки Клязьмы. Долина реки Пажи в истоке и на протяжении ее течения по Копнинскому лесу неширокая, хотя в некоторых местах может достигать 500 м. Русло реки глубоко врезано, выражены террасы. Северная, северо-западная и западная часть территории представлена морфоструктурами мезорельефа долины реки Пажа, характерна высокая изрезанность долины, выражены 4 крупных временных водотока и серии мелких ложбин и водотоков. Массив Копнинского леса выполняет огромную водоохранную, водорегулирующую и водозащитную работу в общей системе гидрографической сети Клинско-Дмитровской гряды и всей Русской равнины.
Территория входит в Атлантико-Континентальную климатическую область, на которой господствуют атлантические и континентальные воздушные массы, и развивается циклоническая деятельность. Зимой характерны основные воздушные массы атлантического западного переноса, а летом - континентальные. Арктические вхождения зимой сопровождаются морозами и облачностью, а атлантический перенос сопровождается циклонической деятельностью и обусловливает резкое потепление и выпадение осадков. Для Клинско-Дмитровской гряды характерно повышенное выпадение осадков и более низкие (на 1-1,5 градуса) средние температуры, чем по Московской области. На территории Копнинского леса мезоклимат чуть более влажный летом, и более холодный зимой.
Почвенный покров Клинско-Дмитровской гряды распространен на подстилающих породах - безвалунных покровных суглинках. На территории урочища развиты дерново-подзолистые почвы, преимущественно, дерново-среднеподзолистые (рис.2). Общие особенности почв следующие:
1) характерна сравнительно большая мощность подзолистого горизонта, часто отмечается наличие низко опущенного переходного оподзоленного горизонта,
2) ясно выражена оглиненность нижней части профиля под подзолистым горизонтом,
3) слабая кислотность верхнего горизонта и возрастание рН водной вытяжки вниз по почвенному профилю с максимумом в нижней части переходного оподзоленного горизонта на глубине 40-50 см от поверхности.
К числу среднеподзолистых почв относятся и варианты, у которых мощность подзолистого горизонта на покровных суглинках изменяется в среднем от 12 до 25 см, то есть мощность подзолистого горизонта равна таковой или превышает мощность гумусового горизонта.
В случаях заболачивания под воздействием застойных поверхностных вод в подзолистом горизонте могут встречаться железистые новообразования. В целом же весь подзолистый горизонт под гумусовым слоем имеет вид плотной белесой или светлосерой структуры.
Дерново-подзолистые почвы в целом бедны элементами, а имеющиеся в избытке элементы, например, азот, находятся в труднодоступном для усвоения растениями виде.
Территория Копнинского леса входит в геохимическую провинцию гидрокарбонатно-кальциевого состава природных вод с кислым классом реакции водной миграции. Почвы здесь обеднены бором, йодом, бромом, ванадием, хромом, никелем, кобальтом, цинком, медью, которые интенсивно вымываются в нижние горизонты вместе с просачивающимися осадками. Геохимический состав природных вод способствует развитию эндемичных заболеваний у населения: зобной болезни и кариеса зубов.
Растительность территории по геоботаническому районированию принадлежит к Североевропейской таежной провинции Евразиатской таежной хвойно-лесной области и входит в Можайско-Загорский геоботанический округ.
Растительность округа характеризуется следующими особенностями: широким распространением евтрофных ельников, наличием дубово-еловых и дубовых лесов на повышенных участках рельефа, незначительным развитием болот, постоянным, хоть и единичным, присутствием сосны в древостоях. Нижние ярусы и травяной покров широколиственно-еловых и широколиственных лесов представлены неморальными видами. Коренными типами леса для урочища "Копнинский лес" считаются ельники сложные, ельники черничники и ельники приручьевые. В настоящее время на территории потенциального заказника преобладают леса с господством в древесном ярусе ели и березы, как чистые (или почти чистые) ельники и березняки, так и с примесью других пород, а также смешанные елово-березовые и березово-еловые леса. Значительные площади заняты лесокультурами различных пород. В основном, это монокультуры сосны, ели, лиственницы, дуба разного возраста, а также их сочетания (рис.3 ).
В сложении травяного покрова лесов данной территории принимают участие виды растений, разные по генезису, типу ареала и фитоценотической приуроченности. Наиболее характерно сочетание двух флористических комплексов видов: неморальных элементов, спутников широколиственных лесов, и бореальных, свойственных хвойным лесам и тайге в широком смысле. Проникают также луговые и опушечные виды.
Похожие диссертации на Оценка экологического состояния антропогенно-трансформированных экосистем
