Содержание к диссертации
Введение
1. Изменение ферментативной активности почв при антропогенном влиянии 7
2. Объекты и методы исследования 35
2.1. Природные условия районов исследования 35
2.2. Генетико-морфологические и агрохимические характеристики почв 49
2.3. Методика и условия проведения исследований 60
2.4. Методы лабораторных исследований 66
3. Изменение свойств черноземов выщелоченного и обыкновенного при их сельскохозяйственном использовании 69
3.1. Влияние длительного применения различных систем удобрений на аїрохимические свойства и ферментативную активность чернозема выщелоченного 69
3.2. Влияние распашки на ферментативную активность чернозема обыкновенного 83
4. Влияние техногенного загрязнения на ферментативную активность почв 90
4.1. Ферментативная активность почв в зоне влияния автомагистрали 90
4.2. Влияние различных концентраций тяжелых металлов на ферментативную активность почв 95
Выводы 101
- Генетико-морфологические и агрохимические характеристики почв
- Методика и условия проведения исследований
- Влияние распашки на ферментативную активность чернозема обыкновенного
- Влияние различных концентраций тяжелых металлов на ферментативную активность почв
Введение к работе
Актуальность проблемы. В условиях возросшей антропогенной нагрузки на биосферу планеты, почва, являясь элементом природной системы и находясь в динамичном равновесии со всеми другими компонентами, подвергается деградационным процессам» Потоки веществ, попадая в почву в результате антропогенной деятельности, включаются в естественные циклы, нарушая нормальное функционирование почвенной биоты, и как следствие, и всей почвенной системы. Среди различных биологических критериев оценки антропогенного влияния на почвы наиболее оперативными и перспективными являются биохимические показатели, дающие сведения о динамике важнейших ферментативных процессов в почве: синтезе и разложении органического вещества, нитрификации и других процессах.
В работе рассматривается один из возможных подходов к решению этой
задачи — исследование возможных [взаимосвязей уровня техногенного
загрязнения почв и их ферментативной активности, а так же наиболее
благоприятных агроприемов для возделывания некоторых
сельскохозяйственных культур. Преимуществом использования этих показателей является не только возможность быстрого определения изменений в экосистемах на очень ранних стадиях, но и возможность прогнозирования степени и направленности изменений, происходящих в них.
Имеющиеся сведения о ферментативной активности почв при различных антропогенных воздействиях в настоящее время пока недостаточны и требуют дальнейшего изучения- Это делает весьма актуальным в теоретическом и практическом отношениях изучение вопросов, затрагиваемых в данной работе.
Цель и задачи работы. Целью исследований явилось изучение ферментативной активности почв в условиях интенсивного антропогенного воздействия и возможности ее использования для диагностики экологического состояния почв.
В соответствии с целью исследования были поставлены следуюнще задачи:
Изучить влияние длительного систематического применения удобрений в севообороте на ферментативную активность чернозема выщелоченного
Изучить взаимосвязь ферментативной активности чернозема выщелоченного с его агрохимическими свойствами.
Исследовать влияние возраста пашни на ферментативную активность чернозема обыкновенного.
Исследовать влияние различных концентраций тяжелых металлов (Cd и As) на ферментативную активность почвы.
Изучить влияние выхлопных газов автотранспорта на ферментативную активность почв в зоне влияния автомагистрали «Дон-1».
Оценить возможность использования показателей ферментативной активности почв как биоиндикаторов для оценки экологического состояния почв.
Научная новизна Впервые в Центра][ьно-Черноземном регионе проведено комплексное исследование динамики ферментативной активности почв в зависимости от различных систем применения удобрений, обработки почвы, уровней техногенного загрязнения тяжелыми металлами и нефтепродуктами. Установлено, что ферментативная активность почв может быть использована как один из диагностических показателей характеристики агроэкологического состояния почв, испытывающих интенсивное антропогенное влияние. Предлагается ряд показателей ферментативной активности почв по степени чувствительности к воздействию тяжелых металлов.
Практическая значимость. Показана реальная возможность индикации воздействии на почву разного рода антропогенных факторов с помощью показателей ферментативной активности почв. Определен ряд наиболее информативных показателей ферментативной активности почв.
5 Апробация работы- Основные положения диссертационной работы обсуждалясь и получили положительную оценку на научных конференциях: Докучаевские молодежные чтения 2001 «Методологические проблемы современного почвоведения» С-Петербург; VIII международная конференция студентов к аспирантов по фундаментальным наукам «Ломоносов - 2001», 10-13 апреля 2001 г., Москва; II съезд Белорусского общества почвоведов «Почвы и их плодородие на рубеже столетий», 25-29 июня 2001 г., Минск; III региональная научно-практическая студенческая конференция, сентябрь 2001, Воронеж; «Современные проблемы земледелия и экологии» Международная научно-практическая конференция, 10-12 сентября 2002 г., Курск; Всероссийская конференция, 24-25 апреля 2002 г., Москва; Съезд Немецкого общества почвоведов по биологии почв «Значение почвенных организмов для сохранения функций почв», Neuherberg/Munchen, октябрь 2002; 7-ая Пущинская школа конференция молодых ученых 14-18 апреля 2003 г., Пущино; Международная научно-практическая конференция, посвященная 80-летию ВНИИСС им. A.JL Мазлумова, Воронеж, 2003; Международная научно-практическая конференция, 9-11 сентября 2003 г., Курск.
Публикации, По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов, списка использованной литературы и приложений. Основной материал изложен на 163 страницах машинописного текста и включает в себя 31 таблицу, 8 рисунков, 4 схемы и 33 приложения. Список литературы состоит из 136 работ (из них 17 работ зарубежных авторов).
Автор выражает глубокую благодарность своему научному руководителю академику РАСХН, профессору А.П. Щербакову; канд. с.-х. наук, доценту Т.А Девятовой за неоценимую поддержку и помощь при работе над диссертацией, а так же доктору с.-х. наук Куракову В.И., профессору E.Kandeler и доктору N. Wermbter, всему коллективу кафедры почвоведения и агрохимии Воронежского
государственного университета за помощь и ценные советы при проведении полевых и лабораторных исследований.
Генетико-морфологические и агрохимические характеристики почв
Для изучения морфологических и агрохимических свойств почв на территории ВНИИСС им. A.JL Мазлумова были заложены почвенные разрезы, В качестве примера приводим описание одного из них. Разрез располагался на поле с многолетними травами в 200 м к югу от трассы и в 500 м к востоку от с. Красное. Вид угодья - пашня, рельеф - водораздельное плато, микрорельеф не выражен. Вскипание от 10% НС1 наблюдалось на глубине 86 см. Апах 0-27 см свежий, темно-серый, пылевато-зернистый, 27 см - тяжелосуглинистыи, рыхлый, обилие корней растений, переход заметный по плотности. Ап/пах 27-43 см свежий, темно-серый, комковато-зернистый, 16 см Генетико-морфологнческую характеристику почв Каменной степи можно проанализировать на примере двух разрезов: на участке косимой залежи с лугово-степной растительностью (вьюн полевой, подорожник большой, ковыль, костер безостый, горошек мышиный и др.) и пашни 46 лет. Ad А Разрез №1. Разрез заложен на территории НИИ им. ВЛЗ. Докучаева Таловского района Воронежской области. Рельеф - водораздельное плато, микрорельеф не выражен, угодье - залежь косимая. Вскипание с 59 см. 0-5 см дернина, густо переплетена корнями растений. 5 см 5-32 см свежий, темно-серый, зернистый, тяжелосуглинистый, 27 см рыхлый, пористый, много корней растении и ходов беспозвоночных переход постепенный. АВ 32-57 см свежий, темно-серый с буроватым оттенком, комковато- 25 см зернистый, тяжелосуглинистыи, уплотнен, пористый, корни растений, переход постепенный. Во 57-97 см увлажнен, серо-бурый неоднородно окрашенный, 40 см комковатый, тяжелосуглинистыи, уплотнен, тонкопористый, единичные корни растений, гумусовые затеки, переход постепенный, вскипает от 10% НС1 с глубины 59 см. ВС 97-158 см увлажнен, светло-бурый с коричневым оттенком, 61 см комковато-призматический, тяжелосу глинисты и, уплотнен, тонкопористый, встречаются единичные корни растений и кротовины, гумусовые затеки, карбонаты в виде слабовыражепного псевдомицелия и белоглазки, переход постепенный. Сея 158 и влажный, желто-палевый лессовидный карбонатный глубже суглинок, карбонаты в виде белоглазки. Почва - чернозем обыкновенный среднегумусный маломощный тяжелосуглинистый на карбонатном лессовидном суглинке.
Разрез №2. Разрез заложен в 40 м на восток от лесополосы № 40 и в 100 м на север от лесополосы №111. Вид угодья - пашня, рельеф - водораздельное плато, микрорельеф не выражен. Вскипание с глубины 48 см. Апах 0-22 см свежий, темно-серый, комковато-пылеватый, 22 см „ тяжелосуглинистыи, рыхлый, пористый, много корней растений, переход заметный по плотности, граница ровная. Ап/пах 22-33 см увлажнен, темно-серый, комковато-зернистый, 11 см тяжелосуглинистыи, уплотнен, пористый, много корней растений, переход постепенный. АВ 33-48 см увлажнен, темно-серый с буроватым оттенком, 15 см зернисто-комковатыи, тяжелосуглинистыи, уплотнен, пористый, единичные корни растений ходы червей, переход заметный. ВСа 48-85 см увлажнен, темно-бурый, комковатый, 37 см тяжелосуглинистыи, уплотнен, тонкопористыи, единичные корни растений и кротовины, гумусовые затеки, переход постепенный, вскипает от 10% НС1 с Длительное использование чернозема обыкновенного в сельском хозяйстве привело к уменьшению содержания гумуса в пахотном и подпахотном слое. Значительно увеличилось количество подвижного фосфора при ежегодной распашке почвы. Так же наблюдалось некоторое подшелачивание реакции среды при длительной ежегодной механической обработке почвы. В рамках диссертационной работы были исследованы почвенные образцы, отобранные вдоль автотрассы «Дон-1 на разных расстояниях от обочины дороги. При продвижении по автотрассе с севера на юг светло-серые лесные почвы сменяются серыми лесными, темно-серыми лесными, черноземами оподзоленными, выщелоченными и далее черноземами типичными, обыкновенными и южными. Встречаются также внутризональные почвы такие, как: серые лесные глеевые, лугово-черноземные, дерново-карбонатные и аллювиальные почвы. Серые лесные почвы по совокупности морфологических признаков занимают промежуточное положение между дерново-подзолистыми почвами южно-таежной зоны и черноземными почвами лесостепи. В зависимости от интенсивности гумусирования и развития признаков оподзоливания тип серых лесных почв подразделяется на три подтипа - серые, светло-серые и темно-серые лесные почвы. ТИП серых лесных почв характеризуется следующим строением профиля. Целинные почвы с поверхности имеют горизонт лесной подстилки или дернины. В верхней части профиля выделяют гумусовый слой, окраска которого изменяется от светло-серой до темно-серой. Главная морфологическая особенность этих почв - заметное разделение гумусового горизонта на два слоя - верхняя часть с наиболее интенсивной гумусовой окраской и нижняя часть (гумусо-эллювиальный горизонт) более светлая, имеющая признаки оподзоливания в виде белесой кремнеземистой присыпки. Ниже залегает иллювиальный горизонт с ореховатой структурой, по граням которой встречается лакировка и белесая присыпка. Это горизонт постепенно переходит в почвообразугошую породу. Карбонаты содержатся в породе в виде прожилок и журавчиков на глубине 150-200 м. Черноземные почвы лесостепной зоны представлены тремя подтипами -оподзоленньши, выщелоченными и типичными, Черноземы оподзоленные в гумусовом горизонте имеют остаточные признаки процесса оподзоливания в виде белесой присыпки - главного отличительного признака этого подтипа. Гумусовый профиль серой окраски с пепельным оттенком. Карбонаты залегают ниже гумусового горизонта, обычно глубже 1,5 м. Под гумусовым горизонтом бурый выщелоченный от карбонатов иллювиальный горизонт с отчетливой лакировкой по граням. Далее иллювиальный горизонт переходит в породу. Черноземы выщелоченные не имеют кремнеземистой присыпки в гумусовом слое. Характерной особенностью является наличие выщелоченного от карбонатов иллювиального горизонта, границу которого выделяют по скоплению карбонатов в виде известковой плесени и прожилок. Черноземы типичные имеют глубокий гумусовый профиль (90-120 см) и содержат карбонаты в гумусовом горизонте в виде мицелия или известковых трубочек. Черноземы в степной зоне представлены обыкновенными и южными черноземами. Черноземы обыкновенные имеют гумусовый горизонт мощностью 40-60 см. Карбонаты залегают в иллювиальном горизонте в виде белоглазки. Черноземы южные встречаются в южной части автомагистрали в Ростовской области. Характерным для них является вскипание от карбонатов с поверхности или в гумусовом горизонте, на глубине 1,5-2 м содержится гипс в виде мелких кристалликов.
В процессе длительного воздействия автомагистрали естественные почвы сильно изменились в морфологическом плане на расстоянии 50 м от кромки дороги. Они сильно уплотнены, засорены строительным и бытовым мусором, в них практически отсутствуют генетические горизонты. Под влиянием автомагистрали произошло изменение природных физико-химических свойств почв придорожной полосы. Прежде всего - это касается реакции среды почвенного раствора. Естественная рН солевой серой лесной почвы, площадь которой простирается вдоль автомагистрали «Дон-1» от реки Ока до Липецкой обл. -4,0-4,5. По мере приближения к кромке дороги реакция среды становится менее кислотной и на расстоянии 10 м от дороги достигает 5,8 (приложение 1). Это связано с поступлением в почвы придорожной полосы «условно твердых» выбросов, образующихся при работе двигателей автотранспорта, а также с попаданием в почву через поверхностный сток и дренажные воды хлоридов калия, кальция и натрия, которыми посыпают дорогу в зимний период. Накопление солей может наблюдаться на расстоянии 100 м, но наиболее существенным оно бывает на расстоянии первых 10 м. В таких условиях усиливается диспергирование, ухудшается влагопроницаемость и аэрация почв. Черноземные почвы как более высокобуферные имеют реакцию среды, близкую к естественной, а именно: черноземы выщелоченные - слабокислую, типичные - нейтральную, обыкновенные - слабощелочную. Очень важным критерием химического преобразования почв является емкость поглощения и степень насыщенности основаниями. Серые лесные почвы слабо насыщенны основаниями и емкость поглощения их низка. Особенно это касается 25 м полосы отчуждения автотрассы, где нарушено естественное сложение и содержание катионов кальция и магния очень небольшое (приложение 1). Емкость поглощения черноземов выщелоченного, типичного и обыкновенного значительно выше от 26 до 51 мг-экв/100 г почвы. Степень насыщенности основаниями колеблется от 83 до 100%, что соответствует типичным значениям.
Методика и условия проведения исследований
Исследования по изучению влияния различных доз удобрений на ферментативную активность чернозема выщелоченного проводились в 1998-2000 г.г. в стационарном опыте, заложенном в 1936 году отделом земледелия Рамонской опытной станции на базе ВНИИСС им. А.Л. Мазлумова (Воронежская обл., Рамонский район). Севооборот в опыте двятипольный со следующим чередованием культур: пар черный, озимая пшеница, сахарная свекла, ячмень-Нравы, травы, озимая шиеница, сахарная свекла, горох, овес. Варианты опыта, на которых были отобраны и исследованы почвенные образцы, указаны в таблице 12. Вносили следующие виды минеральных удобрений в различных дозах: суперфосфат двойной гранулированный - 45% Р2О5, аммиачная селитра - 34% азота, 40% калийная соль. Минеральные удобрения вносились только под сахарную свеклу в двух полях севооборота, осенью под вспашку. Другие культуры испытывали лишь их последействие. На всех делянках, включая контроль, при посеве сахарной свеклы вносили в рядки Р20К45 как общий фон. При такой системе удобрений в среднем на 1 га пашни приходится при одной норме 45,6 кг минеральных удобрений в год /Кураков В.И., Никитаева Н.Н., 1958/. самым влажным. Осадки распределялись неравномерно в течение вегетационного периода. Так максимальное количество осадков в 1998 году выпало в октябре, в 1999 г. - в июле и в делом год был засушливым, в 2000 г.-сумма осадков в июне и июле намного превышала норму. Средняя температура почвы за период исследования была 7 - 10 С. В целом вегетационные периоды 1998-2000 г.г. можно назвать удовлетворительными для основных возделываемых культур. Для изучения влияния механической обработки почвы на ферментативную активность почвы выбраны следующие варианты опыта в стационарном полевом опыте на базе НИИСХ ЦЧП им. В.В.Докучаева (Воронежская обл., Таловский район): 1. пашня 75-77 лет; 2. пашня 45-47 лет; 3. пашня 10-12 лет; 4. некосимая залежь; 5. косимая залежь. Отбор образцов производился с помощью почвенного бура методом «конверта» каждые 20 см. Отбор проб проводился трижды за вегетационный период - в мае, июле и сентябре. На исследуемых опытных полях последние 10 лег не применялись органические и минеральные удобрения, таким образом, мы можем утверждать, что на данных участках отсутствует действие и последействие удобрений. Метеорологические особенности 1999-2001 годов исследования представлены в таблице 15. Установлено, что температура воздуха в вегетационный период 1999 года была выше, чем в 2000-2001 г.г. 2000 гад был прохладным и наиболее влажным за весь периода исследования. Наиболее влажными были июнь и сентябрь этого года. Изучение влияния загрязнения почвенного покрова автотранспортом на ферментативную активность почв проводилось на территории, расположенной вдоль автотрассы «Дон-1».
Почвенные образцы отбирались на расстоянии от кромки дороги 10, 50, 100 и 150 м (см. схему 2). Отбор проводился в конце июня 1999 г. в безветренную ясную погоду на глубину 0-10 и 10-20 см с помощью почвенного бура. По метеорологическим данным, в целом лето 1999 года было теплым и засушливым. Для изучения влияния тяжелых металлов на ферментативную активность почв был выбран модельный опыт, заложенный в 1975-1976 г,г. Земельным нсдомствоМ г, Берлин. В рамках данного опыта субстратом бурой песчаной В наших исследованиях для оценки изменения ферментативной активности почв под влиянием различных антропогенных факторов использовались несколько методических подходов: 1. Определение ферментативной активности почв но истечении определенного срока с момента начала антропогенного воздействия, 2. Сопоставление результатов анализа почвы перед закладкой опыта и по истечению определенного промежутка времени. 3. Сопоставление результатов анализа почвы опытных участков и участков без воздействия изучаемого фактора. Результаты анализов почвы перед закладкой опытов, сопутствующие материалы были взяты из литературных источников. Анализы почвенных образцов проводились в трехкратной повторности. В свежих почвенных образцах проводили определения агрохимических показателей общепринятыми методами: 1) щелочногидролизуемый азот по Корнфилду; 2) подвижный фосфор по "Чирикову; 3) общее количество обменного калия методом Масловой; 4) углерод мокрым сжиганием по Тюрину; 5) гидролитическая кислотность по Каппену; 6) комплекснометрическое определение суммы кальций и магния в водной вытяжке титрованием комплексоном III, При работе использовались методы, представленные в учебном пособии по химическому анализу почв Воробьевой Л.А. /1998/. Валовое содержание тяжелых металлов (Pb, Cd, 2n3 Ni, Cr, Со, As) в почвах после разложения концентрированными кислотами и подвижные формы, извлекаемые ацетатно-аммонийной вытяжкой с pi 1=4,8 определяли на атомно-абсорбциошюм спектрометре ААС 4 и КВАЕТ,7-ЭДТА. Для оценки накопления тяжелых металлов в почве были использованы геохимические параметры - коэффициент концентрации и показатель суммарного загрязнения Zc.
О ферментативной активности почв судили по активности ферментов двух классов: оксидоредуктаз - каталазы и гидролаз - инвертазы, уреазы, фосфатазы. Активность урсаэы изучалась колориметрическим методом A.UL Галстяна в модификации Ф.Х. Хазиева с реактивом Несслера на фотоэлектроколориметре КФК-2-УХЛ4.2 со светофильтрами X=315-9S0 нм /МинеевВ.Г., 2001/. Активность инвертазы - методом В.Ф. Купревича. Метод основан на способности глюкозы и фруктозы, образующихся при гидролизе сахарозы под действием инвертазы, восстанавливать медь Фелинговой жидкости. По количеству закиси меди определяют титрометрическим методом содержание Сахаров в растворе. Определение активности фосфатачы проводилось колориметрическим методом Ф.Х. Хазиева на фотоэлектроколориметре КФК-2-УХЛ4.2 /Хазиев Ф.Х.Э 1990/. Метод определения основан на учете количества фенолфталеина. Активность каталазы определялась газом стрическ им способом по количеству выделяющегося молекулярного кислорода, образующегося при взаимодействии перекиси водорода с почвой /Хазиев Ф.Х., 1982/. Также были использованы колориметрические методы изучения уреазной, инвертазной и фосфатазной активностей почвы методами Schmner F., Ohlinger R., Kandeler E,, Masrgesin R. При анализе полученных данных использовались методы дисперсионного и корреляционного анализов на ЭВМ «LG 52Х МАХ». 3. Изменение свойств черноземов выщелоченного и обыкновенного при их сельскохозяйственном использовании В связи с ростом антропогенной нагрузки на почву агроэкологичсские факторы оказывают все более интенсивное воздействие на почвенные процессы, в том числе и на ферментативную активность почвы. Под агроэкологическими факторами почвообразования подразумевается комплекс воздействий на почву, осуществляемый при сельскохозяйственном использовании земель. Большинство пахотных земель находятся в сельскохозяйственном использовании уже несколько десятков, а иногда сотен лет, поэтому встает вопрос: как и в каком направлении изменилось плодородие этих почв. Большой интерес в этой связи представляют данные по изучению длительного применения удобрений к стационарных полевых опытах. Изменение ферментативной активности может дать представление о процессах, протекающих в почве. Изучение интенсивности и направленности биохимических процессов имеет важное значение для прогнозирования изменения плодородия почв в агроценозах.
Влияние распашки на ферментативную активность чернозема обыкновенного
Влияние различных способов обработки и их глубин на биохимические свойства почв широко изучено. В своей работе мы акцентируем внимание на длительности использования чернозема обыкновенного и изменении его свойств в результате этого. В качестве критериев, характеризующих степень изменения свойств пахотных участков, были проанализированы образцы залежных участков. Результаты наших исследований показали, что ежегодная механическая обработка чернозема обыкновенного привела к снижению содержания гумуса в пахотном горизонте (табл. 9). Наиболее существенное негативное изменение гумусного состояния почвы наблюдается на вариантах 45- и 75-летней пашни (приложение 15). Этот факт можно объяснить незначительным ежегодным поступлением органического вещества вместе с корневыми и пожнивными остатками сельскохозяйственных растений, выращиваемых на опытных полях, а также усилением процесса минерализации собственно гумусовых веществ, который провоцируется ежегодной перепашкой почвы. Негативное изменение гумусного состояния почв при их механической обработке широко изучено и подтверждается многими исследователями /Козловский Ф.И., 1991; Щеглов Д.И-,2000идрУ. При ежегодной перепашке почвы значительно увеличилось количество подвижного фосфора в слое 0-40 см (приложение 16). Существенное снижение гидролитической кислотности наблюдается на пашне 10 и 45 лет, в то время как на пашне 75 лет происходит значительное увеличение ее. При распашке чернозема обыкновенного в течение 10 лет происходит увеличение рН водного и солевого. На опытных участках не наблюдалось резкою изменения суммы обменных оснований. Как показали результаты исследования, для всех выбранных нами ферментов наблюдалась одна и та же закономерность - при увеличении срока использования чернозема обыкновенного в качестве пашни, ферментативная активность его уменьшалась (рис. 1, 2, 3, 4). Но наряду с общей тенденцией, были установлены и некоторые различия. Ферментативная активность косимой и некосимой залежи между собой не имели существенных отличий. Наблюдалось только значительное снижение При механической обработке чернозема обыкновенного более 50 лег резкого снижения уреазной, фосфатазнон и инвертазной активности не наблюдается. Инвертазная и уреазная активности чернозема обыкновенного, используемого и сельском хозяйстве 45 н 75 лет практически идентичны.
Незначительно изменяются каталазная и фосфатазная активности - на 6-7%. Данные дисперсионного анализа подтверждают негативное влияние изучаемого фактора на ферментативную активность чернозема обыкновенного (приложения 18-21). Установлено, что фосфатазная активность уменьшилась и па варианте косимой залежи. Существенные изменения каталазной активности были только на вариантах 45 и 75 лет распашки. Таким образом, интенсивное использование чернозема обыкновенного в качестве пашни, приводит к негативному изменению его гумусного состояния и ферментативной активности. Как показали проведенные исследования, наиболее чувствительной к обработке почв оказалась фосфатазная активность почвы. Активность каталазы проявила меньшую изменчивость. Активность уреазы и инвертазы занимает промежуточное положение. Поиск и обоснование надежных критериев и индикаторов загрязнения почв является одной из важнейших задач в области охраны окружающей среды. В системе мониторинга основным критерием биотестирования служит интенсивность биохимических процессов, протекающих в загрязненных почвах /Павлюкова Н.Ф., Долгова Л.Г., 1993/. Однако применение показателей ферментативной активности почв для индикации загрязнения тяжелыми металлами и нефтепродуктами изучено мало. Поэтому целью настоящей работы было исследование активности каталазы, уреазы и инвертазы в зоне влияния автомагистрали, с последующим использованием полученных данных для биодиагностики эдафотопов техногенных территорий. Проблема загрязнения окружающей среды выбросами автотранспорта приобрела за последние десятилетия первостепенное значение. К 2000 году общее количество выпускаемых автомобилей за год достигло 1 млрд. В России ежегодно сходят с конвейеров более 1,3 млн. автомобилей. Все выбросы автотранспорта России превышают 17 млн. т в год /Доклад о состоянии окружающей природной среды Воронежской области в 1997 году. 1998; Трофименко Ю.В., 2000/. Зона негативного влияния дорог на 1 января 1999 года составляла 14,5 млн. га и даже при внедрении природоохранных мероприятий может увеличиться к 2020 году в 1,7 раза. Выбросы автотранспорта - один из основных источников поступления многих тяжелых металлов в окружающую среду. В почвенных пробах, отобранных вдоль автомагистрали «Дон-1», определены педологические параметры содержания тяжелых металлов (РЬ, Со, Ni, CdT Zn, Си). В качестве критериев, характеризующих степень загрязнения почв, использованы суммарные коэффициенты концентрации загрязняющих веществ. Оценка степени загрязнения почв химическими веществами осуществлялась в соответствии со шкалой, предложенной аналитическим центром и специалистами Госкомэкологии (табл.ЗО). Результаты наших исследований показали, что активность изученных нами почвенных ферментов была различна (приложения 23-25). По данным дисперсионного анализа были выявлены существенные различия уреазной активности почв в образцах отобранных на 588 км автотрассы и в г, Кашира, а так же каталазной активности в образцах из г. Кашира (приложения 26, 28). В остальных случаях существенных различий ферментативной активности почв на разных расстояниях от кромки дороги не выявлено. На участке г. Кашира было зафиксировано увеличение активности названных ферментов по мере приближения к полотну дороги. На 588 км изменение уреазной активности почв носит противоположный характер. Однако корреляционный анализ полученных данных не выявил четкой зависимости между активностью почвенных ферментов и содержанием тяжелых металлов и нефтепродуктов в исследуемых образцах (см. табл. 31). Таким образом, резко негативного влияния тяжелых металлов и нефтепродуктов на ферментативную активность почв вдоль трассы «Дон-1» нами не было установлено. Исследования на таких объектах осложняются из-за большого количества факторов, влияющих на биологическую активность почв, которые нередко носят прямо противоположный характер. Поэтому выводы о возможности использования изученных ферментов в качестве биоиндикаторов при загрязнении почв отходами автотранспорта преждевременны и требуют дальнейших исследований.
Влияние различных концентраций тяжелых металлов на ферментативную активность почв
Для изучения влияния тяжелых металлов на ферментативную активность почв был выбран модельный опыт на бурой лесной песчаной почве (г. Берлин, Германия). В рамках исследования проводилось изучение влияния кадмия и мышьяка на инвертазную, уреазную, каталазную и фосфатазную активности бурой лесной песчаной почвы. Выбор именно этих металлов для изучения обусловлен следующими соображени ями. Мышьяк - атомная масса 74,9. Мышьяк существует в нескольких аллотропических модификациях. Наиболее устойчив при обычных условиях металлический мышьяк. Соединения мышьяка (арсениты) легкорастворимы. Токсичность мышьяка хорошо известна. В организм человека он поступает с воздухом, водой и пищей. Его повышенное содержание может привесш к таким заболеваниям как нарушение функций желудка, рак легких и кожи, невритам. Мышьяк характеризуется довольно однородным распределением в главных типах горных пород. Его концентрации, как правило, колеблются в пределах 0,5-2,5 мг/кг и лишь в глинистых отложениях они относительно велики - 13 мг/кг. фоновые уровни содержания мышьяка в верхнем горизонте почв, как правило, невелики, хотя и превышают в несколько раз его концентрации в горных породах. Содержание его в незагрязненных почвах мира изменяется от 1 до 95 мг/кг. Роль кадмия в ферментативной системе живых организмов весьма ограничена, но его токсилогическое значение настолько велико, что этот металл фигурировал в самой первой программе ООН мониторинга окружающей среды. С точки зрения экотоксикологии значение кадмия и содержание его в почвах изучены еще недостаточно. Содержание кадмия в магматических и осадочных породах не превышает 0,3 мг/кг. Этот элемент тяготеет к лессовидным породам и сланцам, в которых содержание кадмия достигает 1 ,8 мг/кг /Перельман А.Н., 1989/, Кадмий может поступать в систему почва-растение из атмосферы с пылью и осадками в районе действия промышленных предприятий, автотрасс, городских коммунальных хозяйств, а также с удобрениями, особенно с фосфорными, сточными водами. Состояние кадмия после поступления его в почву определяется, с одной стороны, растворимостью соединений кадмия, с другой - взаимодействием их с минеральными и органическими веществами почв.
Максимальная адсорбция свойственна нейтральным и щелочным почвам с высоким содержанием гумуса и высокой емкостью поглощения /Руководство по исследованию содержания вредных веществ в почвах, 1994/. Кадмий в микродозах необходим человеку, т.к. регулирует содержание сахара в крови, но при повышенных концентрациях в любом состоянии сильно токсичен. Он вызывает ломкость костей, повышает кровяное давление, обладает канцерогенными свойствами, накапливается в печени и почках. Учитывая высокую токсичность кадмия и низкое его содержание в природных почвах, рекомендуется, чтобы поступление этого элемента в почву не превышало 5 мг/кг в год /Редце К., Кэретя С, 1986/. Валовое содержание тяжелых металлов в выбранных нами вариантах представлено в приложении 29. Установлено, что валовое содержание кадмия снизилось на варианте Cd I за период с 1976 по 2000 г, на 32%, а на варианте Cd 11 па 36%. Содержание подвижных форм этого металла в 2002 г, представлено также в приложении 29. В почвенных образцах варианта Cd I подвижные формы кадмия составляют 4,7% от валового содержания этого элемента, а на варианте Cd ГТ - 9,5%. По сравнению с контролем, содержание подвижных форм кадмия в 8 раз больше на варианте Cd I и в 63,5 раза на варианте Cd II. Мышьяк содержится в земной коре в количестве 0,0005 мг/кг, встречается в природе большей частью в соединениях с металлами или серой и лишь изредка в свободном состоянии. За период с момента создания опыта количество мышьяка в варианте As I уменьшилось на 64%, а в варианте As ТІ на 87%, что значительно больше, чем потери кадмия. Этот факт можно объяснить более интенсивной миграцией As вниз по профилю, а также выносом его растениями. Влияние тяжелых металлов на ферментативную активность бурой лесной почвы было различным (рис.5, 6, 7, 8). Согласно полученным нами данным, кадмий подавляет каталазную и фосфатазную активность бурой лесной песчаной почвы на двух исследуемых вариантах, существенное снижение активности уреазы наблюдается только на варианте Cd И, изменений инвертазной активности нами не установлено (приложения 30-33). По данным дисперсионного анализа установлено, что мышьяк оказал ингибирующее воздействие только на каталазную активность бурой лесной песчаной почвы (приложения 30-33). Этот факт можно объяснить быстрым вымыванием растворимых соединений мышьяка из почвенного профиля за его пределы и относительно невысоким содержанием его на момент отбора проб 1 исследуемой почве. Показатели ферментативной активности почв в условиях различного антропогенного воздействия (внесение удобрений, распашка, загрязнение тяжелыми металлами) возможно использовать для диагностики экологического состояния почв. 2. При длительном систематическом внесении минеральных и органических удобрений на выщелоченном черноземе происходя! изменения в интенсивности биохимических процессов. Минеральные удобрения в дозе N% Р12о К ю повышают активность инвертазы, что свидетельствует об усилении процессов минерализации органического вещества почвы. Совместное применение минеральных и органических удобрений увеличивают уреазиую активность чернозема выщелоченного, т.к. навоз является источником микроорганизмов и ферментов, а также питательным субстратом для почвенной биоты. Повышенные дозы минеральных удобрений (N135P1S0K135) снижают активность уреазы в связи с тем, что при длительном применении повышенных доз удобрений происходит подкисление реакции почв, что отрицательно влияет на активность данного фермента. 3. Накопление в исследуемой почве щелочногидролизуемого азота и повышение активности гидролитических ферментов представляет единый процесс, определяющий сопряженность процессов динамики и трансформации органических азотных соединений и ферментативной активности почв. 4. По степени чувствительности к действию удобрений, ферменты можно расположить в следующий ряд: уреаза инвертаза фосфатаза = каталаза. 5- Через 65 лет после закладки опыта темпы снижения запасов гумуса уменьшились, и наступило относительное равновесие в процессах минерализации и гумусопакопления.
Следовательно, внесение большого количества минеральных удобрений до тройной дозы слабо влияют на минерализационные процессы в черноземе выщелоченном снижая его ферментативную активность. 6. В условиях интенсивной системы земледелия, при длительном применении удобрений происходит накопление элементов питания растений в результате ежегодного внесения этих элементов с минеральными и органическими удобрениями. 7. Интенсивное использование чернозема обыкновенного в качестве пашни приводит к негативному изменению его гумусного состояния и ферментативной активности. Этот факт объясняется незначительным поступлением органического вещества вместе с корневыми и пожнивными остатками растений и усилением процесса минерализации собственно гумусовых веществ. 8. По степени чувствительности к механической обработке ферменты в черноземе обыкновенном могут быть расположены следующим образом: фосфатаза уреаза ипвертаза каталаза. 9. Резко негативного влияния тяжелых металлов и нефтепродуктов на ферментативную активность почв вдоль трассы «Дон- ]» не установлено, Исследования на таких объектах осложняются из-за большого количества факторов, влияющих на ферментативную активность почв, которые нередко оказывают противоположное влияние. 10. Кадмий проявляет более токсичное действие на ферментативную активность бурой лесной песчаной почвы, чем мышьяк. Для вариантов с загрязнением почвы кадмием характерна следующая закономерность: каталаза и фосфатаза наиболее чувствительные 103 ферменты, инвертаза — наименее, уреаза занимает промежуточное положение- Фосфатаза, каталаза и уреаза могут быть рекомендованы как диагностические показатели загрязнения бурых лесных почв кадмием.
Похожие диссертации на Ферментативная активность почв при различных антропогенных воздействиях
