Введение
В научной литературе накоплено достаточно много сведений о последствиях химического загрязнения разных почв. Однако песчаные почвы не часто попадали в поле зрения исследователей. Это связано с малым значением этих почв для сельского хозяйства и отсутствием значительных очагов загрязнения в районах их распространения. Однако песчаные почвы занимают существенные территории, в том числе на юге России, и выполняют важные экологические функции, в частности по поддержанию биоразнообразия и устойчивости природных экосистем [1]. Таким образом, исследование устойчивости песчаных почв юга России с целью прогнозирования изменения их состояния в результате химического загрязнения представляется весьма актуальным.
Ранее было исследовано влияние химического загрязнения на песчаные черноземы (серопески) зоны настоящих степей [2, 3] и песчаные бурые полупустынные почвы (буропески) зоны полупустынь [4, 5].
В настоящей работе представлены результаты исследования изменения биологических свойств песчаных каштановых почв (каштанопесков) зоны сухих степей при загрязнении нефтью и тяжелыми металлами (Cr, Cu, Ni, Pb).
Объекты и методы исследования
В качестве объекта исследования была использована песчаная каштановая почва зоны сухих степей (Республика Дагестан, Кумторкалинский район, п. Новая Урада), содержание гумуса в слое 0–20 см – 0.81 %, рН – 7,2. Почва для модельных экспериментов была отобрана из верхнего слоя (0–20 см), где накапливается основное количество загрязняющих почву веществ.
В качестве загрязняющих веществ были выбраны тяжелые металлы (ТМ) и нефть. Эти вещества значительно различаются по своим свойствам. Из ТМ исследовали Cr, Cu, Ni, Pb, так как именно ими в значительной степени загрязнены почвы на Юге России. Кроме того, выбранные ТМ интересны для сравнения – их ПДК составляют 100 мг/кг почвы. Использованы значения ПДК, разработанные в Германии. Во-первых, потому, что ПДК в почве общего (валового) содержания меди и никеля в России отсутствуют. Во-вторых, «российская» ПДК свинца зачастую не может быть использована, так как меньше содержания этого элемента во многих почвах.
Также не разработана ПДК в почве нефти, поэтому ее содержание в почве выражали в процентах.
Изучали действие разных количеств загрязняющих веществ в почве: ТМ – 1, 10, 100 ПДК (100, 1000 и 10000 мг/кг соответственно), нефть – 1, 5, 10 % от массы почвы.
ТМ вносили в почву в форме оксидов: CrO3, CuO, NiO, PbO. Во-первых, значительная доля ТМ поступает в почву именно в форме оксидов. Во-вторых, использование оксидов ТМ позволяет исключить воздействие на свойства почвы сопутствующих анионов, как это происходит при внесении солей металлов.
Почву инкубировали в вегетационных сосудах при комнатной температуре (20–22 °С) и оптимальном увлажнении (60 % от полевой влагоемкости) в трехкратной повторности.
Состояние почв определяли через 30 суток после загрязнения. При оценке химического воздействия на почву этот срок является наиболее информативным [2].
Лабораторно-аналитические исследования выполнены с использованием общепринятых в экологии, биологии и почвоведении методов [6]. Определяли обилие бактерий рода Azotobacter, активность каталазы и дегидрогеназы, целлюлозолитическую активность, фитотоксические свойства почв и другие показатели.
Для объединения большого количества показателей была разработана методика определения интегрального показателя биологического состояния почвы (ИПБС) [6]. Данная методика позволяет оценить совокупность биологических показателей.
Результаты исследования
В результате проведенного исследования было установлено, что загрязнение Cr, Cu, Ni, Pb и нефтью приводит к значительному снижению значений биологических свойств песчаной каштановой почвы. Наблюдалось достоверное снижение активности каталазы (рис. 1) и дегидрогеназы (рис. 2), целлюлозолитической активности (рис. 3), обилия бактерий рода Azotobacter (рис. 4), длины корней редиса (рис. 5).
Рис. 1. Влияние химического загрязнения песчаной каштановой почвы на активность каталазы, % от контроля (ПДК — для ТМ, % — для нефти)
Рис. 2. Влияние химического загрязнения песчаной каштановой почвы на активность дегидрогеназы, % от контроля (ПДК — для ТМ, % — для нефти)
Рис. 3. Влияние химического загрязнения песчаной каштановой почвы на целлюлозолитическую активность, % от контроля (ПДК — для ТМ, % — для нефти)
Рис. 4. Влияние химического загрязнения песчаной каштановой почвы на обилие бактерий рода Azotobacter, % от контроля (ПДК — для ТМ, % — для нефти)
Рис. 5. Влияние химического загрязнения песчаной каштановой почвы на длину корней редиса, % от контроля (ПДК — для ТМ, % — для нефти)
Таким образом, указанные показатели целесообразно использовать в целях мониторинга, диагностики и нормирования химического загрязнения песчаных почв сухих степей юга России.
Анализ влияния химического загрязнения на биологические показатели показал, что степень снижения значений показателя зависела от природы загрязняющего вещества и его концентрации в почве.
Ряд оксидов ТМ по степени ингибирующего действия на биологические свойства для каштановой песчаной почвы выглядит следующим образом: CrO3 > CuO > NiO > PbO.
Схожие закономерности были получены ранее для разных зональных и азональных (в том числе песчаных) почв юга России. Хром вне зависимости от типа почвы всегда оказывал более сильное негативное воздействие, чем медь, никель и свинец. А вот три последних элемента, проявляя в общем схожую степень токсичности, на разных почвах занимают разные места в ряду токсичности друг относительно друга [2–5, 7–10].
В большинстве случаев была зарегистрирована прямая зависимость между концентрацией в почве загрязняющего вещества и степенью ухудшения исследуемых свойств почвы.
Проводить сравнение между собой токсического действия ТМ и нефти представляется неправильным, так как невозможно корректно сопоставить их концентрации в почве.
Устойчивость биологических свойств каштановой песчаной почвы значительно меньше, чем зональных [4, 7–8], дерново-карбонатных [9] и засоленных [10] почв юга России также ниже, чем у песчаных черноземов [2, 3], но выше чем у песчаных бурых полупустынных почв [4, 5]. Это объясняется генетическими свойствами почв. Песчаные почвы, имея более легкий гранулометрический состав, хуже связывают ТМ, и поэтому биологические показатели при загрязнении снижаются в большей степени. Они также менее оструктурены, и поэтому при загрязнении нефтью у них сильнее нарушается оксилительно-восстановительный режим. При этом каштанопески содержат больше гумуса, связывающего ТМ, и более оструктурены, чем буропески (песчаные бурые полупустынные почвы), но меньше, чем серопески (песчаные черноземы).
Выводы
- Загрязнение Cr, Cu, Ni, Pb и нефтью приводит к значительному снижению значений биологических свойств каштановой песчаной почвы.
- По степени ингибирующего действия на биологические свойства каштановой песчаной почвы оксиды ТМ располагаются следующим образом: CrO3 > CuO > NiO > PbO.
- В большинстве случаев наблюдалась прямая зависимость между концентрацией загрязняющего вещества и степенью ухудшения исследуемых свойств почвы.
- Устойчивость биологических свойств каштановой песчаной почвы значительно меньше, чем зональных, дерново-карбонатных и засоленных почв юга России также ниже, чем у песчаных черноземов, но выше чем у песчаных бурых полупустынных почв.
Исследование выполнено при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации (соглашения 14.A18.21.0187, 14.A18.21.1269, госконтракты 16.740.11.0528, 14.740.11.1029) и в рамках реализации Программы развития Южного федерального университета.
Резензенты:
Денисова Т.И., д.б.н., профессор кафедры экологии и природопользования ЮФУ, г.Ростов-на-Дону.
Минкина Т.М., д.б.н., профессор кафедры почвоведения и оценки природных ресурсов ЮФУ, г.Ростов-на-Дону.