Содержание к диссертации
Введение
1. Литературный обзор 7
1.1. Урбанизация - новый экогеологический фактор. Масштабы урбанизации 7
1.2. Подходы к изучению состояния городских почв 9
1.3. Изменения элементов природной среды в результате деятельности человека 12
1.4. Стратегия использования солевых антифризов в зимний период и оценка их воздействия на компоненты окружающей реды 28
1.5. Оценка воздействия солевых антифризов на жизнеспособность растений 43
2. Объекты и методы исследования 54
2.1. Исследование влияния солевых электролитов на продуктивность растительных культур 59
2.2 Влияние солевых электролитов на активность фотосинтетического аппарата 62
2.3. Влияние электролитов на физические почвенные составляющие 66
2.4 Влияние электролитов на биологическую активность почв 68
2.5 Исследование механизмов взаимодействия солевых антифризов, тяжелых металлов с минеральной матрицей почв 68
3. Экологическая оценка состояния почв и зеленых насаждений в полевых условиях 78
4. Исследование влияния солевых антифризов на изические, биологические свойства почв и продуктивность растений 93
5. Исследование механизмов взаимодействия солевых антифризов, тяжелых металлов с минеральной матрицей почв. 101
Выводы 107
- Подходы к изучению состояния городских почв
- Оценка воздействия солевых антифризов на жизнеспособность растений
- Влияние солевых электролитов на активность фотосинтетического аппарата
- Исследование влияния солевых антифризов на изические, биологические свойства почв и продуктивность растений
Введение к работе
Актуальность работы:
Москва - один из самых северных мегаполисов мира. Развитие мегаполисов вызывает проблемы, связанные с локальным усилением негативных антропогенных воздействий. Следствием этого является загрязнение окружающей среды, ухудшение роста и развития растений.
В последнее время в Москве увеличилось использование солевых противогололедных средств (антифризов). Это вызвало искусственное засоление городских почв и гибель большого количества древесных насаждений, а в ряде случаев, - и травяного покрова. Негативные тенденции в состоянии растений в городе обозначились впервые в 1995-1996 годах и продолжают сохраняться. Это может быть соотнесено с изменением стратегии использования противогололёдных препаратов, выразившейся в изменении состава солевых антифризов и увеличении их вносимых доз. Несмотря на негативные последствия, практика борьбы с гололёдом посредством использования солевых антифризов активно внедрена в городское хозяйство. Одной из причин этого является, по-видимому, недостаточная изученность проблемы деградации городских почв и зелёных насаждений под влиянием искусственного засоления. В связи с этим особую актуальность приобретает комплексная характеристика изменений почвенного и растительного покрова отдельных территорий города Москвы, где активно используются солевые антифризы. На основе этой характеристики можно судить об экологическом состоянии и функционировании почв в городских условиях и выявить основные факторы негативного состояния почв в связи с проблемой озеленения и комплексного благоустройства городской среды.
Целью работы явилось исследование влияния солевых антифризов на экологическое состояние почв и зеленых насаждений в условиях города Москвы. Для её достижения были поставлены следующие задачи:
Разработка и совершенствование критериев и методов оценки экологического состояния городских почв,
Оценка экологического состояния типичных участков почв г. Москвы, подвергшихся искусственному засолению; сравнительный анализ основных факторов негативного состояния городских почв.
Оценка влияния солевых антифризов на физические и биологические свойства городских почв, продуктивность и фотосинтетическую активность растений.
Изучение механизмов взаимодействия почвенной матрицы с солевыми антифризами и тяжелыми металлами методом характеристических (резонансных) потенциалов.
Научная новизна.
В результате проведённых исследований показана возможность использования информативных, простых и доступных критериев и методов комплексной оценки состояния почв в условиях города с целью проведения озеленения и благоустройства, а также мониторинга экологического состояния городской среды. На основе сравнительного анализа критериев экологического состояния городских почв удалось показать, что в большинстве случаев основной вклад в ухудшение состояния почв и растительности принадлежит солевым антифризам. Исследованы взаимодействия солевых антифризов с различными составляющими системы почва-растение. Рассмотрены механизмы взаимодействия почвенных поллютантов - тяжёлых металлов и солевых антифризов — с минеральной матрицей почв. Оценена степень влияния солевых антифризов на биологическую активность почв, продуктивность и фотосинтетическую активность растений в зависимости от уровня засоления.
Практическая ценность: предложенный ряд основных критериев пригодности почв к озеленению и нетрудоемкие методики их получения позволяют оценить экологическое состояние и функционирование почв и грунтов в го-
родских условиях. Предложенная система критериев позволяет проводить сравнительную оценку территорий различного использования и выявить основные факторы негативного состояния почв в связи с проблемой озеленения и комплексного благоустройства городской среды.
Апробация: Материалы диссертационной работы докладывались на Международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам «Ломоносов 1999г», г, Москва, на III Съезде Докучаевского общества почвоведов 2000г., г. Суздаль, Докучаевских молодежных чтениях в г. Санкт-Петербурге (2001, 2003, 2004г.), Всероссийской конференции «Устойчивость почв к естественным и антропогенным воздействиям» (Москва 2002 г.), на заседаниях кафедры физики и мелиорации почв факультета Почвоведения МГУ, на заседании лаборатории кафедры коллоидной химии Химического факультета МГУ.
Публикации: По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ: 7 тезисов, 3 статьи.
Структура и объем работы: Диссертация изложена на 120 страницах, состоит из введения, 5 глав и выводов, включает 9 таблиц, 22 рисунка. Список литературы включает 146 наименований.
Подходы к изучению состояния городских почв
В настоящее время используются, исходя из поставленной цели исследования, три взаимодополняющих концептуальных подхода к изучению и оценке состояния почв в городской среде. Можно выделить морфогенетиче-ский подход, основывающийся на рассмотрении формирования и функционирования городских почв в условиях интенсивной антропогенной нагрузки на урбоэкосистемы. Это направление активно развивается исследователями Московского Государственного Университета им. М.В. Ломоносова. Весомый вклад в исследование роли и значения городских почв для экологии и оздоровления городов был сделан профессором Московского Государственного Университета, доктором биологических наук М.Н. Строгановой, разработавшей классификацию городских почв, которая использовалась в данной работе. В своей диссертационной работе М.Н. Строганова отмечает: "...назрела необходимость понимания важности изучения того поверхностного плаща городской территории, который до сих пор назывался почво-грунт, городская земля или просто земля", и предлагает рассматривать городскую почву не только с традиционных почвенно- генетических позиций. Вслед за J.G. Bockheim (1974) и Е.М. Bridges (1989), М.Н. Строганова определяет городские почвы, как почвы, имеющие созданный человеком поверхностный органоминеральный слой, полученный перемешиванием, насыпани-ем, погребением грунта и (или) загрязнением материалами урбаногенного происхождения (строительно-бытовой мусор). В широком понимании городская почва - это любая почва, функционирующая в окружающей среде города. В узком понимании это почвы, сформированные деятельностыо человека в городе, которые одновременно являются и пусковым механизмом и постоянным регулятором городского почвообразования и (или) находящиеся под "прессом" города (Строганова, 1998). При изучении городских почв нашел широкое применение подход, в котором основное внимание акцентировано на исследовании химического состава и свойств почв и почвенных растворов и определении вида и содержания поллютантов в почвенной толще.
В современной литературе, посвященной городским почвам, имеется большое число работ о химическом и агрохимическом состоянии городских почв (Баширова, 1966, 1970, 1975 - почвы Кузбасса; Никодемуса и Раманна, 1984- почвы Прибалтики; Лепневой и Обухова, 1987, 1988, 1990; Обухова и др. 1988, 1989, 1990; Никифорова, Лазуко-ва, 1995 - загрязнение почв Москвы; Черноусенко, 2003, Лысиков 1996, 2000 г., Меланхолии, 2002 и др. - засоление городских почв). Городские почвы и почвоподобные объекты, являясь преимущественно продуктом антропогенной организации, резко отличаются по своим характеристикам от природных образований, в связи с чем, традиционные генетические подходы и критерии при их оценке могут быть не эффективными. Встает вопрос о специфике самих диагностических свойств и критериев оценки. По исторически сложившимся причинам приоритет негласно отдается исследованию химических и агрохимических свойств и показателей плодородия и (или) уровня загрязненности почв. Вместе с тем, в условиях города часто не только агрохимические факторы плодородия и токсические вещества (тяжелые металлы, органические поллютанты), но и неблагоприятные физические и биологические свойства приводят к угнетению роста, плохой приживаемости растений и невыполнению почвами их экологических функций по очищению атмосферного воздуха, воды, закреплению дневной поверхности, утилизации органических отходов и т.д. На практике же эти свойства либо вообще не принимаются во внимание, либо оцениваются субъективно, по произвольным методикам и градациям. В настоящей работе был использован и развит эколого-функциональный подход, направленный на комплексную оценку экологического состояния и функционирования городских почв под совокупным действием естественных и антропогенных факторов среды. Этот подход к изучению состояния городских почв позволяет выявить негативные факторы и провести вероятностную оценку распределения показателей экологического состояния почв данной территории, с целью проведения восстановительных и градоустроительных работ. В процессе исследований была предложена и использована новая система критериев и методов оценки экологического состояния городских почв, разработанная в результате совместной деятельности исследователей ф-та Почвоведения МГУ им. MB. Ломоносова, НИиПИ Экологии Города и института Лесоведения РАН (Смагин и др., 2004) (Табл.1.). В ней отражены приоритетные для городских почв негативные экологические факторы: чрезмерное уплотнение почвы и неблагоприятный водно-воздушный режим, засоление почв электролитами, низкая биологическая активность, дисбаланс круговорота органического углерода и биофильных элементов.
Сопоставление отдельных критериев косвенно позволяет оценить вероятность преобладания какого-либо негативного фактора над остальными. Это даёт возможность целенаправленно проводить восстановительные мероприятия. В силу естественной и антропогенной динамики свойств почвы, многие из предложенных показателей (например, 3-6) носят характер мониторинговых. 1.3. Изменения элементов природной среды в результате деятельности человека По масштабам воздействия на природную среду урбанизация может быть локально сопоставима с глобальным геологическим процессом. Городские экосистемы не способны самовостанавливаться. Находясь в хрупком неустойчивом экологическом равновесии, урбоэкосистемы не могут противостоять негативным факторам среды, в том числе и антропогенным. Без больших экономических затрат на поддержание стабильности природной среды, в крупных городах происходит быстрое падение качества всех компонентов окружающей среды, повышается степень экологического риска вследствие усиления урбанизации и техногенного воздействия на природную среду (О состоянии..., 1993, Цит, по Строгановой, 1997). Развитие мегаполисов приводит к локальной концентрации антропогенных факторов, негативно влияющих на состояние окружающей среды. В результате деятельности человека происходит преобразование природной среды и факторов почвообразования. Это отчетливо видно на примере г. Москвы. В Москве, одном из крупнейших мегаполисов мира, на площади более 1071 кв. км постоянно проживает 8,6 млн., а с учетом пригородов - 16 млн. человек. Это составляет около 10% населения России (Состояние ..., 1997). Городские земли по виду застройки представлены следующими категориями: жилая зона, включая школы, детские учреждения и внутрикварталь-ные проезды; административные, научные, проектные и учебные заведения; зеленые насаждения городского значения, спортсооружения, пешеходные пространства; учреждения городского обслуживания; промышленные, коммунальные и складские территории; улицы, площади, автостоянки, городские проезды; прочие территории.
Определение роли и функционального использования территорий административных округов в общей структуре города основано на распределении площадей территории по их категориям. По данным Москомзема на 1 января 2000 г., состав земель по функциональному назначению составляет в тыс, га: 1. Жилой застройки 28,9 2. Общественно-деловой застройки 14,2 3. Земли общего пользования 10,6 4. Рекреации 13,8 5. Промышленной, коммерческой и коммунально-складской застройки 14,1 6. Транспорта, связи, инженерных коммуникаций 9,7 7. Особо охраняемые территории 5,6 8. Водные объекты 2,5 9. Сельскохозяйственного использования 4,6 10. Прочие 5,1 Всего 109,1 Изменения природных условий в Москве достигли больших масштабов, что обусловлено возрастом города, значительными его размерами и широким размахом строительных мероприятий и благоустройства. Естественный пер- воначальный облик территории города постепенно изменялся. В течение восьми веков формировался культурный ландшафт городского типа. Антропогенные процессы и явления, обусловленные деятельностью человека, часто возникают стихийно, протекают в скрытом виде, а в связи с этим не всегда изучаются и проявляются нередко совершенно «неожиданно», нанося большой ущерб хозяйству и благоустройству города. Изменения, вносимые человеком в природную обстановку городов, становятся причиной ряда нежелательных процессов и явлений, а именно: загрязнения атмосферы, причиняющего вред здоровью жителей города; ухудшения мезо- и микроклиматических условий города, истощения водных ресурсов, резкого изменения химического состава и загрязнения поверхностных и подземных вод, понижения прочности пород, а в связи с этим развития осадок, просадок и деформаций наземных и подземных городских сооружений, разрушения природных склонов и т.д. Город в результате длительной хозяйственной деятельности человека преобразует почти все элементы природной обстановки, что иллюстрируется схемой на рис.1. В результате антропогенной деятельности в г. Москве произошло изменение и преобразование всех факторов почвообразования. Территория Москвы расположена в лесной зоне на стыке Москворецко-Окской, Московской и Мещерской физико-географических провинций. Ландшафты физико-географических провинций, выделенные в работе Г.Н.Анненской и др. (1998), относятся к пяти родам: моренных равнин (Теплостанский ландшафт); моренных, водноледниковых и озерно-водноледниковых равнин (Апрелевско-Кунцевский ландшафт); моренно-водноледниковых равнин (Москворецко-Битцевский, Щелковский, и Бисеровский ландшафты); древ-неаллювиально-водноледниковых, древне-аллювиальных и аллювиальных (Москворецкий ландшафт); моренно-водноледниковых и долинно-зандровых равнин (Московорецко-Клязьминский ландшафт) (рис. 2).
Оценка воздействия солевых антифризов на жизнеспособность растений
Можно привести следующие доказательства приоритетной значимости процессов засоления почвы, загрязнения природных вод электролитами, которые препятствуют комплексному улучшению экологической ситуации в Москве в последние годы. Согласно исследованиям Д.М. Хомякова с соавторами (2001), это: 1, Специфический характер реакции растений на загрязнение среды, вы ражающийся в замедлении на 2-3 недели и неравномерном распускании ли ствы; образовании у ряда видов древесных растений (липы, березы, яблони и других) пучков побегов; постепенном увеличении доли сухих ветвей в кро нах; в появлении на листьях краевых и иных типичных форм некрозов (ожо гов) не инфекционного характера; в снижении прироста и в преждевремен ном опадании листвы. 2. Ежегодно наблюдаемая, хорошо выраженная разница в состоянии растений в выделенных экологических и градостроительных категориях объ ектов. Четко выраженная зависимость степени и скорости ослабления и усы- хания деревьев (кустарников) от их местоположения, - близости к дорожному полотну, к местам сброса и временного накопления загрязненного снега. Это особенно заметно на примере многорядных посадок растений. Превышение содержания хлоридов в почках, листьях и побегах погибших и поврежденных деревьев составляло от 2 до 50 раз, а по натрию — от 2 до 10 раз по сравнению с «фоновыми». 3. Имеющиеся данные о загрязнении окружающей природной среды, собранные в лабораториях ОАТИ и ПОЗР "Мосзеленхоза", в ЗАО "ПРИМА-М", МГУ им. М.В. Ломоносова, АКХ им. К.Д. Памфилова и иных организаций, свидетельствуют о многократном превышении содержание хлоридов и ингредиентов, входящих в транспортные выбросы, в придорожных полосах снега и почвы. Они постепенно снижаются и нормализуются на расстоянии, начиная от 20 до 50-150 м. На значительных площадях городские почвы имеют различную степень искусственного засоления, вызванного исключительно антропогенным воздействием, что приводит к потере их плодородия и ухудшению физико-химических и биологических свойств. А, Научно подтверждены данные о механизме и результатах влияния хлоридов, совместного воздействия аниона хлора и других катионов в составе солей, солей не содержащих хлор, - на физиолого-биохимические процессы, рост, развитие и реакции растений (Табл. 3).
По мнению Д.М. Хомякова с соавторами (2001), оптимальная концентрация смеси легкорастворимых солей в почвенных растворах не должна превышать 5-6 г/л, а в водных культурах- 1,0-1,5 г/л. 5. Для большинства городских почв установлены следующие ряды катионов и анионов по возрастанию способности к обменному поглощению; Катионы: Na+ NH4+ К+ Mg2+ Са2+ Ва2+ ЬҐ" А13+ Fe3+ Анионы: Cl" NO3 S042" PO43 Важнейшим параметром качества воды с точки зрения её минерализации является общее содержание солей. Этот параметр традиционно определяется путем испарения известного объема воды и взвешивания плотного остатка (TDS). Такое измерение не вполне однозначно, поскольку различные соли находиться на разных стадиях гидратации в зависимости от степени высушивания. В современных работах в качестве стандартной единицы измерения чаще используют миллиграммы на литр (мг/л). Данные об общем содержании солей имеют наибольшее значение для определения осмотического потенциала Ч оз раствора. Влияние осмотического потенциала на рост растений обычно представляет наибольший интерес при оценке качества различных поливных вод. Для поливных вод с TDS в пределах 50-1000 мг/л соотношение между осмотическим потенциалом и плотным остатком можно выразить следующим приближенным выражением (U.S.Salinity Laboratory Staff, 1954): РО5(Дж/кг) -5.6»103хТО5 мг/л). Это же уравнение, но без знака "-" можно использовать для расчета значения осмотического давления. В тех случаях, когда в систему «почва-вода» не поступают соли из таких дополнительных источников, как растворимые минералы или остаточная засоленность почвы, а вынос солей в результате их поглощения растениями или процесс осаждения почвенных минералов незначителен, данное уравнение можно использовать для расчета влияния осмотического потенциала на рост растений при различной концентрации растворов во время эвапотранспирации. В качестве упрощенного показателя общего содержания растворенных солей в поливной воде предложено (Scofield, 1942) использовать электрическую проводимость (Ее) - параметр качества воды, который можно скоррелировать с ростом растений. В некоторых случаях, а именно в почвах содержащих повышенные количества растворимых солей, свободная гравитационная влага может быть недоступна растениям из-за действия осмотической составляющей полного потенциала почвенной влаги. Почвенный раствор обладает пониженной энергией (потенциалом) по сравнению с чистой пресной водой и эту энергию водоудер- живания или работу, которую надо затратить потребителю, чтобы извлечь влагу из почвы легко оценить по следующим уравнениям: %s= F0osxIiB/W, где Ч os= -CRT/M (неэлектролит), 4 = -36ЕС (электролит), где Р03 - осмотический потенциал почвенного раствора (Дж/кг), С — концентрация растворенного (г/м3) вещества с молекулярной массой М (г/моль) при температуре Т (К), R - 8.31 Дж/(моль»К), Ее - электропроводность почвенного раствора (дСм/м) (Смагин и др., 1999). Это соотношения является весьма точным для вытяжек почвенных растворах в пределах 3-30 дСм/м. Значение Ее так же можно преобразовать в значение TDS с помощью приблизительного соотношения (U.S.Salinity Laboratory Staff, 1954): TDS (мг/л) «0,64 103хЕс (дСм/м).
Приведенные ДМ. Хомяковым с соавторами (2001)оптимальные концентрации легкорастворимых солей в почвенном растворе и водной культуре соответствует значениям электропроводности Ec=TDS/0,66=7,58-9,10 дСм/м - в почвенном растворе и Ес= 1,5-2,3 дСм/м — в водной культуре, и значениям осмотического потенциала почвенного раствора os,= -273 - 328 Дж/кг - в почвенном растворе Ч7 os = -54 - 83 Дж/кг — в водной культуре. Электропроводность и осмотические потенциалы данных почвенных растворов свидетельствуют с энергетической точки зрения о фактической недоступности почвенной влаги растениям. По опасности засоления оросительные воды подразделяются на три категории: воды хорошего качества - опасности засоления нет; воды среднего качества - есть опасность засоления; воды плохого качества - высокая опасность засоления (Мелиорация...,1994). Соли на урбанизированных территориях могут проникать в почву несколькими путями. Непосредственно с дорог брызги соли со снегом из-под колес машин попадают на газоны и засоляют почву. В то время как аэрозоль водно-солевой смеси разносится ветром на прилегающие территории и распространяется от 30 до 200 м (Лысиков, 2002). Механические барьеры (здания, деревья) уменьшают дальность переноса аэрозолей водно-солевой смеси, резко увеличивая ее концентрацию вблизи дороги. В процессе снегоочистки большая часть солей с дороги также попадает в почву. Деревья и кустарники задерживают соли на стволах и ветках, являясь механической преградой распространению водно-солевой смеси воздушным путем. При засолении почвы отмечается высокое содержание солей в листьях деревьев и внешние признаки солевого отравления.
Отрицательное действие солей на растения имеет комплексный характер. Оно включает, по меньшей мере, две составляющие: осмотическую и токсическую. Осмотическое действие проявляется в пониженном поглощении воды и неблагоприятном изменении водно-солевого обмена в клетках и тканях. Дефицит воды в тканях, являющейся результатом осмотического действия солей, может усугубляться их токсичностью, когда ионы в избытке накапливаются в цитоплазме клеток. В этом случае может наблюдаться как прямое, так и косвенное токсичное воздействие ионов. Визуальное проявле- ниє токсичности можно наблюдать по образованию на листьях и стеблях некрозов. Как правило, такой солевой эффект хорошо выражен при внезапном подъеме концентрации солей в почве. В целом, механизм стресса состоит в том, что при высоком содержании солей в почве происходит подщела-чивание среды, в результате чего изменяется система питания растения, поступление питательных веществ в корни растений становится затруднительным (так как вещества становятся менее подвижными, а при увеличении уровня минерализации почвенного раствора уменьшается осмотическое давление).
Влияние солевых электролитов на активность фотосинтетического аппарата
По продуктивности растительных культур можно судить об интенсивности фотосинтеза. Определение интенсивности фотосинтеза по увеличению веса органического вещества представляет собой один из классических методов. Этот метод был предложен еще в 1884 г. И. Саксом (Sachs, 1884). Метод Сакса основан на том, что в результате фотосинтеза лист растения увеличивает свой вес. Так как в нем происходит накопление продуктов ассимиляции (Вознесенский и др., 1965). Было рассмотрено влияние солевых электролитов на активность фотосинтетического аппарата. В данной работе фотосинтетическая активность исследовалась методом флуоресценции зеленого листа (Асланиди и др., 1998) (рис.6). Была проведена сравнительная оценка фотосинтетической активности проростков пшеницы, выращенных в варианте с антифризом «Анти-снегі» (0,4% от массы почвы), в варианте с медью (7мг/100г), в варианте с внесенными в почву ионами меди(П) и антифризом «Антиснег 1», по сравнению с фотосинтетической активностью растений пшеницы из фонового варианта. Пигменты зеленого листа поглощают свет. На белом свету хлорофилл кажется зеленым, поскольку он поглощает свет в синем (около 420 нм) и красном (около 660 нм) участках видимого спектра, а пропускает и отражает его в зеленом. Каждый поглощенный молекулой хлорофилла квант красного света переводит электрон из основного состояния в возбужденное, причем вся энергия кванта поглощается в этом процессе электроном.
Поглощение кванта синего света переводит электрон в еще более возбужденное состояние (так как квант синего света содержит больше энергии), однако, попав на более высокий энергетический уровень, электрон тотчас же падает обратно на «красную» орбиту, причем слишком быстро, чтобы совершить при этом какую-либо полезную химическую работу. Таким образом, какого бы качества свет не поглощался, электрон всегда оказывается на том причем вся энергия кванта поглощается в этом процессе электроном. Поглощение кванта синего света переводит электрон в еще более возбужденное состояние (так как квант синего света содержит больше энергии), однако, попав на более высокий энергетический уровень, электрон тотчас же падает обратно на «красную» орбиту, причем слишком быстро, чтобы совершить при этом какую-либо полезную химическую работу. Таким образом, какого бы качества свет не поглощался, электрон всегда оказывается на том же самом энергетическом уровне почти тотчас же после возбуждения, и все последующие события начинаются именно с этой исходной стартовой точки (возбужденное состояние 1). Как показано на рисунке 7, часть энергии возбужденной молекулы хлорофилла теряется в результате безызлучательного перехода, а часть используется на запуск химических реакций фотосинтеза (синтез АТФ, восстановление НАДФ и т. д.). Часть энергии расходуется также в виде флуоресценции, которая (это необходимо подчеркнуть) не является ни отраженным, ни пропущенным светом: это излучение, которое образуется непосредственно в листе. Флуоресценция, которая длится около Ю-9 с, испускается из нижнего, более устойчивого, возбужденного состояния 1, а не из возбужденного со-стояния 2, которое длится примерно 10- с. Поэтому флуоресценция хлорофилла, вне зависимости от качества возбуждающего света, всегда имеет красный цвет и большую длину волны, чем пик поглощения хлорофилла в красной области спектра, в результате стоксова сдвига, вызванного потерей части энергии вследствие быстрой тепловой диссипации ее в возбужденном состоянии 1. Таким образом, электрон переходит в основное состояние с наиболее низких уровней возбуждения, испуская при этом фотоны с более низким содержанием энергии (т. е. с большей длиной волны). Часть энергии возбуждения, которая рассеивается в виде флуоресценции in vivo, очень мала (3—5%).
При измерении интенсивности света часто используют фотоумножители, но в большинстве случаев для определения флуоресценции листа достаточно фотодиода. Как и при фотосинтезе, каждый фотон, попадая на детектор, инициирует один фотохимический акт, в результате которого электрон переходит на более высокий энергетический уровень, при этом образуется положительно заряженная «дыра». При фотосинтезе дыра акцептирует электрон из воды, который передается на НАДФ через фотосистемы II и I. В фотодиоде соответствующий транспорт электрона (электрический ток) усиливается и может регистрироваться как напряжение на самопишущем приборе. Основная проблема при этом — не позволить детектору «видеть» свет, который не является флуоресценцией. Относительно большая часть фотохимически активного света (т. е. света, который используется листом для инициации процесса фотосинтеза) будет отражаться от листовой поверхности на детектор. Поэтому он должен быть защищен оптическими фильтрами, которые (в идеале) полностью исключают попадание на детектор отраженного фотохимически активного света и пропускают всю флуо- ресценцию. Практически же необходимо компромиссное решение, поскольку с точки зрения энергетической эффективности красный свет является наилучшим для фотосинтеза и пик поглощения хлорофилла а в красной области спектра (около 680 нм) недалеко отстоит от пика флуоресценции хлорофилла а (около 685 нм). По этой причине в качестве возбуждающего (фотохимически активного) иногда используют синий свет, поскольку его легко отделить от пика флуоресценции. Однако, во многих случаях сигналы флуоресценции при большей длине волны (т. е. при длине волны около 740 нм, при которой наблюдается малый максимум флуоресценции) вполне аналогичны в качественном отношении сигналам при более короткой длине волны и достаточно сильны, чтобы использовать фильтры, задерживающие большую часть фотохимически активного света и пропускающие большую часть флуоресценции. Во многих экспериментах сигналы флуоресценции, возникающие при возбуждении синим (около 695 нм) и красным светом (около 740 нм), аналогичны (Фотосинтез ..., 1989; Беликов, 1992). Чем интенсивнее флуоресценция, тем выше потери энергии фотосинтетического аппарата. Поэтому на основе данных об интенсивности флуоресценции можно судить об активности фотосинтетического аппарата (Говинд-жи,1987). Влияние водного стресса и засоления на активность фотосинтетического аппарата было изучено в работе Четверикова А.Г. и В.Ф. Грачевского (1990). Авторами с помощью методов электронного парамагнитного резонанса и флуоресцентной спектроскопии изучена возможность перераспределения нагрузки между различными энергообеспечивающими системами.
Нарушение при водном стрессе или засолении фотосинтетического аппарата частично компенсируется активацией митохондриального дыхания, которое особенно заметно при засолении. 2.3. Влияние электролитов на физические почвенные составляющие Было оценено влияние электролитов на физические почвенные составляющие. Интегральным базовым показателем физического состояния почвы является основная гидрофизическая характеристика - зависимость между термодинамическим потенциалом влаги и её содержанием в почве (влажностью). Методом равновесного центрифугирования были определены ОГХ почв с участка на пересечении проспекта Вернадского и улицы Строителей. Получение ОГХ и, в частности, ее десорбционной ветви (кривой иссушения) которая фигурирует в термодинамической концепции в качестве базового показателя физического состояния почвы, основано на определении работы по извлечению из почвы данного количества влаги. В методе центрифугирования удаление влаги из образца почвы происходит под действием центробежной силы. Развиваемое при этом давление на жидкую фазу или эквивалентный ему термодинамический потенциал можно рассчитать в зависимости от частоты вращения ротора центрифуги по следующей рабочей формуле: Р , =4 Дж/кг= - (0,011 n2Rcosa+gsina)h, где п - число оборотов в минуту, R - радиус ротора в м (расстояние от оси вращения до центра масс образца), h (м) - высота образца, a - угол наклона образца к оси центрифуги относительно горизонтальной поверхности. Используя данную формулу, нетрудно убедиться, что с помощью центрифугирования можно получить ОГХ практически во всем диапазоне варьирования ее переменных. Действительно, для обычной лабораторной центрифуги ЦЛС-3 п изменяется от 100 до 6000 об/мин, что при среднем радиусе вращения R = 0.11 м, высоте образца h =0.02 м и а = 43 дает диапазон 0.3 - 4 640 Дж/кг. На ультрацентрифугах (n = 50000 об/мин) можно достичь границ сорбционного (-2700-2800 Дж/кг), соответствующих максимальной гигроскопии и еще более низких влажностей. Таким образом, использование метода центрифугирования позволяет снять серьезную проблему физики почв - отсутствие простого, надежного, точного, нетрудоемкого и недорогого метода, дающего возможность оценить ОГХ в полном диапазоне на массовом материале за короткое время эксперимента. Именно этот метод открывает перспективу широкого использования термодинамической концепции физического состояния почв при экологической оценке, мониторинге и менеджменте земель (Смагин,1999).
Исследование влияния солевых антифризов на изические, биологические свойства почв и продуктивность растений
Изменение электролитических условий повлияло на продуктивность пшеницы. Внесение в почву ионов меди (II) привело к уменьшению продуктивности пшеницы по сравнению с фоном в 1,5 раза; в присутствии антифриза «Антиснег 1» (0,4% от массы почвы) запасы биомассы сократились по сравнению с фоном в 2,8 раза, в присутствии «Антиснег 1» (0,3% от массы почвы) - в 1,5 раза. Одновременное внесение в почву ионов меди (II) с антифризом «Антиснег 1» (0,4% от массы почвы) и меди (II) с антифризом «Антиснег I» (0,3% от массы почвы) привело к снижению продуктивности тест культуры в 10 раз и в 1,5 раза соответственно. Одновременное внесение в почву ионов меди (II) с антифризом «Антиснег 2» (0,3% от массы почвы) вызвало сокращение продуктивности в 6 раз. В вариантах с внесением в почву антифриза «Антиснег 2» (0,4% от массы почвы), «Антиснег 2» (0,3% от массы почвы), Cu(II) (7 г/100 г почвы) и «Антиснег 2» (0,4% от массы почвы) запасы биомассы тест культуры были равны нулю. Было рассмотрено влияние солевых электролитов на активность фотосинтетического аппарата (рис.15) Было выявлено, что по сравнению с фоном флюоресценция растительных образцов, выращенных в варианте с антифризом «Антиснег 1» (0,4% от массы почвы), происходила в 1,6 раза интенсивнее. Флуоресценция растений пшеницы, выращенных в варианте с медью (7 мг/100 г), превосходила флюоресценцию растений из фонового варианта в 1,18 раза. Флюоресценция пшеницы в варианте с внесенными в почву ионами меди(П) и антифризом «Антиснег 1» превосходила флюоресценцию растений из фонового варианта в 1,21 раза.
Увеличение интенсивности флуоресценции свидетельствует об угнетении электролитами фотосинтетической активности растительных культур. Наблюдается прямое влияние электролитов на активность фотосинтетического аппарата и, тем самым, на жизнеспособность и продуктивность растений. В почвенные образцы из Ботанического сада МГУ в виде водного раствора был внесен солевой антифриз «Антиснег 2» в разных количествах, так, чтобы электропроводность почвенных вытяжек соответствовала разным уровням засоления почв, диагностируемым в городских условиях. Было выявлено, что с увеличением электропроводности интенсивность дыхания почвенных образцов уменьшается. По сравнению с фоном (Ес=0,9 дСм/м) интенсивность почвенного дыхания в почвенных образцах с электропроводностью в диапазоне Ес=2+5 дСм/м уменьшилась в 1,3 раза, в диапазоне Ес=5-Н0 дСм/м уменьшилась в 1,81 раза, в диапазоне Ес= 10-К20 дСм/м уменьшилась в 1,95 раза. Биологическая активность почвенных образцов с электропроводностью в диапазоне Ес=20-К30 дСм/м уменьшилась по сравнению с фоном в 1,94 раза. При увеличении степени засоления почв биологический оптимум условий жизнедеятельности почвенных микроорганизмов сместился, в зависимости от величины относительной влажности, из области W/Ws=0,6- 0,8 в область значений относительной влажности близкой к полной почвенной влагоёмкости. Это можно объяснить тем, что в засоленных почвах лишь относительно разбавленная вода при влажности, близкой к полной влагоёмкости, доступна микроорганизмам, с уменьшением влажности почвы концентрация солей в почвенном растворе заметно возрастает, происходит снижение осмотического потенциала и доступности почвенной влаги, условия функционирования микроорганизмов изменяются, при W/Ws 0,5 влага не может потребляться микроорганизмами. На дыхание почв, помимо прочих факторов, совместно влияют почвенные электролиты, физические свойства почв. Многочисленными исследованиями показано, что под влиянием урбогенеза трансформируются химические и физико-химические показатели почв. Физические же ее свойства изучены явно недостаточно.
Имеющиеся в литературе данные свидетельствуют о переуплотнении поверхностных горизонтов ряда городских почв, в результате чего ухудшается структура, уменьшается порозность и фильтрация, сокращается «дыхание» почвы, увеличивается обсемененность анаэробными микроорганизмами. Уровень изменения параметров определяется приуроченностью территории к типу землепользования (Строганова, 2003). Наиболее неблагоприятная структура почвы отмечена на участках подверженных рекреационной нагрузке и на придорожных территориях, где активно используются солевые электролиты. Наряду с химическими показателями, с проблемами засоления почв тесно взаимосвязаны некоторые физические параметры, описывающие энергетический режим и движение почвенной влаги. Методом центрифугирования (Смагин и др., 1999; Смагин, 1998; Полевые..., 2001). Были определены ОГХ почв с участка на пересечении проспекта Вернадского и улицы Строителей (рис.17). На графике заметно разделение ОГХ почв по гранулометрическому составу на относительно лёгкие и относительно тяжёлые. В этих двух группах почв с разным гранулометрическим составом, по кривым водоудерживающей способности видно влияние электролитов на физические свойства почв. Формирование физического состояния почвы происходит в результате взаимодействия её фаз — твёрдой, жидкой, газовой, главенствующая роль в этом взаимодействии принадлежит силам молекулярной природы. Молекулярному притяжению противодействуют силы ионно-электростатического отталкивания. Ионно-электростатические силы создают условия для проявления набухания, удерживая заряженные частицы от взаимной молекулярной адгезии, которая, будучи не реализованной по отношению к твердой фазе, является основной причиной связывания влаги при набухании. Ионно-электростатическое отталкивание частиц стабилизирует систему, предохраняя её от коагуляции (агрегации). При засолении почв ионно-электростатический барьер ликвидируется, и энергия частиц реализуется в коагуляции и образовании глыбистой структуры.
По кривым ОГХ можно проследить изменение водоудерживающей способности высокодисперсных почв в зависимости от значения электропроводности. Чем она выше, тем сильнее происходит сдвиг ОГХ при засолении с уменьшением (по модулю) значений потенциала влаги и равновесной влажности. Засоление, выражающееся в повышении молярной концентрации ионов и осмотического потенциала жидкой фазы, в целом снижает энергию взаимодействия почвенного раствора с твердой фазой. Поэтому из засоленных почв механически проще удалить влагу. Но она будет практически недоступна растениям. В модельном эксперименте были определены ОГХ образцов почвы из Ботанического сада МГУ им. М.В. Ломоносова с заданными значениями электропроводности (Рис. 19.). Первоначально однородный по гранулометрическому составу почвенный образец был разделен на варианты со значениями Ее почвенного раствора: Ес=0,9 дСм/м (фон), Ес=2 дСм/м, Ес=5 дСм/м, Ес=10 дСм/м, Ес=20 дСм/м, Ес=30 дСм/м. По кривым водоудержи-вающей способности почвенных образцов с разным уровнем Ее в данном модельном эксперименте трудно судить о влиянии электролитов на физические свойства почвы. Это можно объяснить разрушением почвенной структуры при подготовке почвы к эксперименту путем ее диспергирования, а также большим количеством органического вещества, формирующего дополнительный ПАВ- барьер. Коагуляционные контакты, возникающие в нативной почве при взаимодействии элементарных почвенных частиц, ликвидируется за счет разрушения почвенной структуры. При этом, несмотря на подавление ионно-электростатического барьера электролитами, структурный (ПАВ-барьер по Ребиндеру) способствует стабилизации тонкодисперсных частиц и предохраняет их от массовой коагуляции. В таких условиях избыток поверхностной энергии частиц расходуется на водоудерживание, которое характеризуется практически одинаковыми для всех образцов ОГХ (РисЛ 8).
