Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Экологическое состояние природных и техногенных экосистем Среднего Поволжья и их реабилитация

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора биологических наук

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Почва является индикатором природных процессов, и ее состояние - результат длительного воздействия разнообразных источников загрязнения. Выбросы в атмосферу от промышленных предприятий, объектов теплоэнергетики, и транспорта приводят к загрязнению почв, ухудшению их физического и химического состояния и в результате к снижению плодородия. В условиях современных техногенных нагрузок характеризующихся интенсификацией миграции загрязняющих веществ, городские почвы, оказались в наиболее уязвимом положении. На протяжении 5-летнего периода количество вредных выбросов в атмосферу на 1 жителя по г. Пензе превышает среднеобластные показатели. Выбросы загрязняющих атмосферу веществ от стационарных источников (без учета выбросов автотранспорта) в среднем на одного жителя области превышают санитарно-гигиенические нормативы (23,3 кг).

Ограниченность земельных ресурсов ставит неотложную задачу возврата в сельскохозяйственное производство всех видов нарушенных и деградированных почв, в том числе и нефтезагрязненных. Загрязнение почв нефтепродуктами происходит повсеместно в больших и малых городах, вокруг АЗС, количество которых с каждым годом возрастает, вдоль дорог, везде, где происходит связанная с нефтью деятельность человека. Нефть и продукты ее переработки даже в небольших количествах могут нанести значительный ущерб окружающей среде. По территории Пензенской области проходит трубопровод «Дружба», ежегодно на котором происходит 2-3 прорыва нефти с причинением ущерба окружающей среде.

Одним из наиболее опасных факторов воздействия на биосферу и особенно почву являются химические соединения, выделившихся при уничтожении химического оружия, хранящегося на территории Пензенской области (17,2% запасов России), технологически необоснованными приемами.

Почвы медленно накапливают загрязняющие вещества, выполняя при этом протекторные функции в отношении других природных образований. Но, играя барьерную роль, они постепенно сами подвергаются загрязнению, и на каком-то этапе оно может достичь таких уровней, когда почвенный покров становится мало пригодным для сельскохозяйственного использования. На таких почвах для получения экологически чистой продукции растениеводства необходимы приемы, ограничивающие подвижность загрязняющих веществ и ведущие к снижению токсического действия на растения. Многие из этих приемов изучены в разных регионах страны (Добровольский, 1980; Ильин, 1986, 1991; Алексеев, 1987; Минеев, 1994; Черных и др., 1995; Кирейчева, Глазинова, 1995; Овчаренко и др., 1997; Помазкина и др., 1999).

В условиях лесостепного Среднего Поволжья, актуальной является проблема создания комплекса методических разработок для исследования экологического состояния городских и пригородных биогеоценозов, разработка оценочных критериев степени деградации растительного покрова и почв и методов их реабилитации.

Цель исследований. Целью исследований является выявление закономерностей изменения биогеоценозов в результате длительных антропогенных воздействий и на их основе разработка практических, экологически обоснованных приемов реабилитации загрязненных почв.

· накопление тяжелых металлов в почве и растительном покрове в условиях аэротехногенного загрязнения;

· в результате уничтожения химического оружия, технологически необоснованными приемами, наблюдаются превышения содержания мышьяка и тяжелых металлов по сравнению с фоновыми значениями;

· изменение физико-химических свойств серой лесной почвы и черноземной (выщелоченной и оподзоленной) под влиянием техногенеза;

· биоиндикация загрязнения почвенного покрова по состоянию микробного комплекса, и высших растений;

· использование доломитовой муки, биогумуса уменьшает подвижность тяжелых металлов и токсичность для пшеницы, усиливает микробиологическую и ферментативную активность, мобилизует элементы питания и тем самым оптимизирует питательный режим, способствует закреплению в почве гумуса, положительно влияет на реакцию почвенной среды, улучшает экологическую обстановку в целом;

· в условиях техногенного загрязнения почв, сорта различных с/х культур по разному адаптированы к применению приемов санации.

Практическая значимость и реализация результатов исследований. Показана реальная возможность индикации воздействия на почву техногенных факторов с помощью показателей ферментативной и микробиологической активности серой лесной почвы. Определен ряд наиболее информативных показателей ферментативной активности почв.

Выявленные закономерности могут быть использованы для оценки качества городской среды, определения зон экологического бедствия, разработки стратегии рационального использования территории, оценки эффективности природоохранных мероприятий.

Предложенные тест - объекты, как растения, так и почвы, могут применяться для оценки аэротехногенного загрязнения городов Центральной России. Полученные данные по содержанию тяжелых металлов могут быть использованы при составлении карты геохимического загрязнения почв и растительности города Пензы и его окрестностей.

Теоретические положения и результаты экспериментальных исследований городских транспортно-селитебных ландшафтов, используются в учебном процессе на кафедрах «биологии и экологии» ПГСХА, «Технологии и инженерные средства защиты окружающей среды» ПГТА и включены в учебные пособия «Биология с основами экологии», «Мониторинг окружающей среды», «Биогеохимические циклы», «Экология природопользования», «Управление охраной окружающей среды».

Разработаны рекомендации по использованию биогумуса, известкования и минеральных удобрений в условиях техногенного воздействия, позволяющие повысить урожайность сельскохозяйственных культур и оптимизировать их качество. Установлено что при известковании по 0,75 Нг содержание подвижных форм свинца снижается на 29-30%, кадмия - на 17-20%. Увеличение доз мелиоранта до 1,5-2,25 по Нг вызывало снижение подвижности свинца на 36-43% и кадмия на 37-45%. В отношении мышьяка выявлена противоположная картина. Под действием первой дозы извести подвижность его возрастала 9-10%, второй - 11-13% и третьей - на 20-21%. Установлена эффективность применения разных доз вермикомпоста, известкования и минеральных удобрений на формирование урожайности и качество зерна разных сортов яровой пшеницы в условиях лесостепного Среднего Поволжья.

Апробация работы. Результаты исследований докладывались на международных и всероссийских конференциях, в том числе: международной научно-практической конференции «Экологические аспекты интенсификации с/х производства» (Пенза, 2002); международной научно-практической конференции «Проблемы АПК и пути их решения» (Пенза, 2003); международной научно-практической конференции «Проблемы аграрной отрасли в начале ХХI века» (Смоленск, 2002); международной научно-практической конференции посвященной 75-летию со дня рождения профессора Г.Б. Гальдина (Пенза, 2003); международной научной конференции «Агрохимические аспекты повышения продуктивности с/хозяйственных культур» (Москва, 2003); международной конференции, посвященной 50-летию кафедры общего земледелия Пензенской ГСХА (Пенза, 2004); международной научной конференции: Агрохимические аспекты повышения продуктивности сельскохозяйственных культур (Москва, 2003); международной научно-практической конференции: Проблемы производства продукции растениеводства на мелиорированных землях конференции (Ставрополь, 2005); международной научно-практической конференции «Роль почв в сохранении устойчивости ландшафтов и ресурсосберегающее земледелие» (Пенза, 2005); всероссийской конференции СО РАН: Природная и антропогенная динамика наземных экосистем (Иркутск, 2005); международной научной конференции: Агрохимические приемы рационального применения средств химизации как основа повышения плодородия почв и продуктивности с/х культур. Москва: ВНИИА, 2007; международной научно-практической конференции РАСХН СО: Проблемы рационального использования малоплодородных земель (Омск, 2009); международной научной конференции: Инновации сегодня: образование, наука, производство (Ульяновск, 2009); VI международной научной конференции: Агроэкологические аспекты устойчивого развития АПК (Брянск, 2009).

Публикации. Основные положения диссертационной работы изложены в 49 научных работах, включая 1 монографию и 12 работ в изданиях рекомендованных ВАК.

деградация почва экосистема поллютант

Глава 1. Объекты и методы исследования

Для характеристики биологических свойств изучаемых почв определяли комплекс биологических показателей - ферментативную активность (Хазиев, 1990), общую численность микроорганизмов (Звягинцев, 1980), целлюлозоразлагающую способность, интенсивность нитрификации и денитрификации, интенсивность выделения СО₂ (методом газовой хроматрографии).

Глава 2. Оценка состояния экосистем на примере Пензенской области

Площадь воздействия города превышает его территорию в 20-50 раз, а пригородные зоны отзываются на загрязнения жидкими, газообразными и твердыми отходами, которые образовались в районах жилой застройки и промышленных центрах (Венедяпин и др., 1994; Мамин, 1995). Возникает проблема необеспеченности городов природно-ресурсным потенциалом что выражается в недостаточных площадях зеленых насаждений, загрязнении водной и воздушной среды - это приводит к потере устойчивости территорий, увеличению абиотичности экосистемы, повышению степени экологического риска для всех компонентов окружающей среды: воздуха, растительности, почвы, воды и грунтов (Осипов, 1994).

Начиная с 2000 г., параллельно с экономическим ростом в стране увеличивается техногенная нагрузка на экосистемы. Источниками загрязнения окружающей среды продолжают оставаться промышленность и автомобильный транспорт (количество увеличивается в среднем на 30-40%. ежегодно). Наибольший удельный вес загрязнений отмечен на предприятиях, занимающихся транспортированием газа и нефти по трубам (10,1 тыс. тонн), нефтедобычей (3,0 тыс. тонн) и предприятиях, передающих и распределяющих электроэнергию (2,4 тыс. тонн).

Экстремально высокого уровня загрязнения атмосферного воздуха в г. Пензе и других промышленных районах области за последние годы не наблюдалось (рис. 1). Тем не менее, в крупных городах региона - гг. Пенза, Кузнецк, Никольск, выбросы в атмосферу от стационарных источников в среднем на одного жителя области составили 23,3 кг, что превышает санитарно-гигиенические нормативы.

Анализ показывает, что в целом наметилась тенденция к увеличению уровня загрязнения атмосферного воздуха, на 7,5% стационарными источниками. Основными загрязняющими веществами являются: окись углерода, диоксид серы, оксид азота, формальдегид, углеводороды, пыль и др..Выхлопные газы автомашин дают основную массу свинца, износ шин - цинк, дизельные моторы - кадмий, бензапирен. Доля выбросов автотранспорта составляет в Пензенской области - 70%, (Москве - 80%, Санкт-Петербурге - 75%, Республике Башкортостан - 57,4%, Магаданской области - 50%).

Почва, в отличие от других компонентов природной среды, не только геохимически аккумулирует компоненты загрязнений, но и выступает как природный буфер, контролирующий перенос химических элементов и соединений в атмосферу, гидросферу и живое вещество.

Рисунок 1. Валовые выбросы загрязняющих веществ в атмосферный воздух промышленными предприятиями

Источником загрязнения также являются предприятия занимающиеся хранением и снабжением потребителей нефтепродуктами. В пробах грунта с площадок, примыкающих к АЗС, на глубине до 1 метра содержание нефтепродуктов колеблется от 76 до 560 мг/кг почвы. В глубинных горизонтах до 3000 мг/кг почвы, что соответствует высокому уровню загрязнения. Наибольшее содержание нефтепродуктов было обнаружено на АЗС №9 в районе Кривозерья. Содержание нефтепродуктов в почвах загрязнённых вследствие производственной деятельности, а также аварийных ситуаций на ж/д ЛПДС «Пенза», сортировочная станция Пенза-3, достигает от 1935 мг/кг до 165700 мг/кг почвы, что соответствует высокому и очень высокому уровню загрязнения.

Найдены превышения ПДК по Cd, Pb, Ni, Cu, Сг и Со в районах областного центра.

Свыше 90% всех болезней человека прямо или косвенно связано с состоянием окружающей среды, которая является либо причиной возникновения заболевания, либо способствует его развитию (Глазовская, 1994; Ладонин и др., 1994; Протасов, 2001; Юфит, 2002). Особая проблема возникает в связи с загрязнением окружающей природной среды редкими и рассеянными элементами, обладающими биоцидным действием, например, ртутью, кадмием, свинцом, мышьяком, селеном и другими.

Загрязнение отдельных природных объектов Пензенской области, соединениями мышьяка и тяжелыми металлами (ТМ) напрямую связано с проблемой уничтожения химического оружия. В 1994 году природоохранными органами были обнаружены три места предполагаемого прежнего уничтожения химического оружия (Панкратов, Мишанин, 1999).

Нами были проведены исследования в п. Леонидовка, где размещается один из крупных арсеналов химического оружия, где хранится до 17,2% всего химического оружия России. Это зарин, зоман, иприт, люизит и другие, снаряженные в корпусе боеприпасов (Шеменко, Демидюк, 2000).

При оценке загрязнения почвы Леонидовского лесничества ТМ проводили определение валовых и подвижных форм металлов в образцах серой лесной легкосуглинистой почвы в зависимости от источника загрязнения место прежнего уничтожения химического оружия (УХО). В почвах лесного массива, по сравнению с пограничной пашней при равном удалении от источника загрязнения (табл. 1), отмечается более низкое содержание тяжелых металлов (за исключением мышьяка и марганца).

Нашими исследованиями установлено, что уничтожение химического оружия оказало существенное влияние на накопление одного из самых токсичных элементов - мышьяка. При этом содержание его валовых форм вблизи оз. Моховое больше в 77-98 раз, подвижных форм - в 27-98 раз, чем на не загрязненной почве. Вместе с тем следует учесть, что фактическое загрязнение превышающее ПДК отмечается на расстоянии до 2000 м от источника загрязнения, что свидетельствует об антропогенном происхождении.

Таблица 1. Содержание ТМ и мышьяка в верхнем слое серой лесной легкосуглинистой почвы

Что касается других изученных нами ТМ, то в их содержании не выявлено четкой закономерности в зависимости от места отбора почвенных проб (табл. 2).

Таблица 2. Содержание ТМ и мышьяка в зависимости от удаленности УХО, мг/кг почвы, слой 5-15 см

Валовое содержание ТМ в почве является фактором емкости, отражающим в первую очередь потенциальную опасность загрязнения продукции. В связи с этим А. Финк (1982) рассматривает шкалу нормирования по количеству валовых форм ТМ как сугубо приблизительную.

Таблица 3. Содержание подвижных форм ТМ в почвах и растениях в зоне влияния промышленности мг/кг

В наших исследованиях определение содержания подвижных форм ТМ показало, что в районе влияния промышленных объектов, почвенный покров незначительно загрязнен ТМ (содержание вредных ингредиентов в почве не превышает ПДК - табл. 3), так как при сгорании газа не происходит выбросов ТМ в воздух.

Рисунок 2. Содержание подвижных форм ТМ в почве в зависимости от расстояния от источника загрязнения (1 - 50 м; 2 - 100 м; 3 - 2000 м).

С целью изучения влияния самого крупного объекта энергетики в области на окружающую среду нами было проведено комплексное исследование прилегающей территории ТЭЦ-1.

Таблица 4. Элементный состав листьев древесных пород

Результаты исследований показали (рис. 2), что содержание ТМ, таких как цинк, марганец и медь не превышают предельно-допустимых концентраций на различных расстояниях от объекта исследования, но на расстоянии 50 м от источника содержание ТМ было выше, чем при удалении от этих объектов. Содержание свинца, кадмия и кобальта превышало ПДК. Причем это превышение было в 1,6-2,0 раза.

В этом же районе был исследован элементный состав листьев древесных пород, произраставших в нем. Результаты анализа листьев подвергшихся выбросам показали, что содержание химических элементов (на расстоянии 50 и 500 м), намного превышает контрольные величины. При приближении к объекту теплоэнергетики в листьях деревьев, в частности клена остролистного, тополя, березы и акации увеличивается концентрация Fe, Ni, Zn, Cu, Mn, на 1-2 порядка по сравнению с контрольными образцами (табл. 4).

Нами была также изучена концентрация ТМ в ветвях деревьев, находящихся в непосредственной близости автотранспортной магистрали Москва-Челябинск (таб. 5). Результаты исследования показали, что защитные зеленые насаждения улавливают существенное количество опасных загрязнений, т.к. со стороны автомобильной дороги все определяемые показатели, были выше, чем с противоположной стороны.

Таблица 5. Концентрация ТМ в ветвях деревьев, мг/кг сухой массы автомагистрали

Пристальное внимание заслуживает техногенное накопление ТМ в почвах - начальном звене пищевой цепи. Столь же актуально изучение загрязнённости сельскохозяйственных культур, так как 70-80% общего количества ТМ, поступающих в организм человека, приходится на растительную продукцию (Ильин, Конарбаева, 1993; Глазовская, 1988; Добровольский, 1997; Brummer et al., 1983).

Таблица 6. Содержание ТМ в светло-серой лесной почве (0 - 15 см) автотранспортной магистрали

В связи с этим внимание следует обратить на удручающую экологическую ситуацию с почвами населенных пунктов, где часто огороды жителей располагаются в непосредственной близости от дороги.

Изучение содержания ТМ в образцах почвы территории прилегающей к автомагистрали Москва - Челябинск показало, что большая её часть находилась в пределах и ниже допустимых концентрации (таб. 6). Вместе с тем в почве расположенной в непосредственной близости от магистрали отмечалось превышение ПДК по свинцу и кадмию.

Другими словами, почвы, достигшие ПДК по валовому содержанию ТМ - никеля, меди, свинца, кадмия, несомненно, являются токсичными. Это позволяет предположить их миграцию по пищевым цепям, что представляет реальную опасность здоровью населения. Для обоснования выводов необходимо проведение анализов проб сельскохозяйственной продукции, особенно это касается овощей, выращиваемых на огородах в придорожной полосе.

Изучение содержания ТМ в овощной продукции, выращенной на загрязненной почве, показало, что изучаемые виды растений обладают неодинаковой способностью поглощать и накапливать ТМ. Так содержание свинца, меди, цинка, никеля, хрома в капусте намного выше, чем содержание этих же элементов в томатах (таб. 7).

Таблица 7. Содержание ТМ в плодах овощных культур, выращенных на загрязненных почвах, мг/кг сырой массы

В связи с тем, что транспортные магистрали могут оказывать определенное влияние на состояние окружающей среды, изучалось влияние железной дороги в пригородной зоне. Было установлено, что по всем трем трансектам на расстоянии 5-20 (10) м от железнодорожного полотна в слое почвы 0-10 см отмечается повышенное содержание Pb, Cd, Ni и Mn. При этом превышение ПДК достигает по свинцу в 1,3-3,0 раза, кадмию - в 1,7 раза, никелю - в 1,7-1,8 и марганцу - 1,1-1,2 раза (рис. 3).

Потребление кадмия также зависело от вида растений: томаты - потребление кадмия в 1,5 раза выше, чем у капусты, при выращивании в одинаковых условиях.

Расстояние от автомобильной дороги также влияет на содержание всех ТМ. На расстоянии 5-50 метров содержание всех ТМ было выше, чем на расстоянии 500-1000 м. Превышение ПДК наблюдалось только по свинцу и кадмию. При высоком уровне свинца в почве он накапливается в больших количествах. При одинаковом содержании свинца в почве (1000 мг/кг) томаты незначительно накапливали свинец, а капуста аккумулировала его в количествах, в полтора раза превышающих ПДК.

Приведенные данные позволяют заключить, что серые лесные легкосуглинистые почвы, расположенные вблизи источников загрязнения, способны накапливать мышьяк и ТМ в количествах, приближающихся к ПДК, и даже превосходить их.

Рисунок 3. Содержание тяжелых металлов в почве в зависимости от удаления от полотна железной дороги

Изучение техногенного загрязнения почв нефтепродуктами в наших исследованиях показало, что био-экологические последствия его зависят от свойств почв, которые формируют её устойчивость, от параметров самого загрязнения, удаленности от мест разлива нефтепродуктов. Как свидетельствуют исследования, все изученные почвы, территорий прилегающих к АЗС, по содержанию нефтепродуктов на расстоянии 10 м от мест забора горюче смазочных материалов относятся к среднезагрязненным (таб. 8).

Таблица 8. Показатели техногенного загрязнения почв нефтепродуктами.

По мере удаления от АЗС содержание нефтепродуктов в серой лесной почве и черноземе выщелоченном снижалось. Исключение составила серая лесная легкосуглинистая почва, в которой на расстоянии 50 м от АЗС количество нефтепродуктов оказалось выше ПДК и составило 3002 мг/кг почвы. Видимо был разлив нефтепродуктов, в этих почвах имеющих более тяжелый гранулометрический состав происходило большее накопление нефтепродуктов, что вероятно связано с большей емкостью поглощения и содержания гумуса.

Таким образом, можно заключить следующее, почвы лесостепи Среднего Поволжья характеризуются значительной вариабельностью содержания валовых и подвижных форм ТМ. Выбросы в атмосферу как от автомобильного и железнодорожного транспорта, так и от объектов теплоэнергетики и промышленности, отрицательно влияют на рост и развитие растений, в результате чего продолжительность их жизни намного короче, чем произрастающих вне города. Это еще раз подтверждает, что зеленые насаждения в городах являются барьером, сохраняющим ландшафты, и особенно почву от загрязнения. Увеличение площади зеленых насаждений в городах будет создавать условия безопасного проживания на загрязненных территориях.

Повышение концентрации химических элементов в зоне влияния источников загрязнения указывает на целесообразность разработки приемов и способов, позволяющих снизить количество их в почвах для получения экологически чистой продукции.

Глава 3. Влияние техногенеза на свойства почвы

Уже более ста лет назад основатель научного почвоведения В.В. Докучаев обратил внимание на необходимость исследований почв Санкт-Петербурга и других городов России. В 1890 г. он выступил за «Детальное естественно-историческое, физико-географическое и сельскохозяйственное исследование С.-Петербурга и его окрестностей», разработал комплексную, экологически всестороннюю программу исследований и привлек для ее исполнения самых выдающихся ученых. Так, в России было положено начало изучению городских экосистем и городских почв, в частности.

Таблица 9. Агрохимическая характеристика светло-серой лесной супесчаной почвы, в зоне промышленного влияния

За последние сто лет анализ экологического состояния почв выявил резко выраженный деградационный тренд их антропогенной динамики (Козловский, 1987; 2003; Добровольский и др., 1996; Щеглов, 1999; Зайдельман, 1998, Карманов, Булгаков, 1998; Хитров, 1998; Щербаков и др., 1999; 2000; 2001; Надежкин, 1999; Герасимова и др., 2000; Васенёв, 2002). Деградация почв носит глобальный характер, являясь одной из главных причин экологического кризиса (Добровольский, 1997, 2003; Никитин, 1999).

Большинство выбросов, в том числе и токсичных, сосредотачивается на поверхности почвы, где происходит их постепенное накопление. Это приводит к изменению её физико-химических свойств. Первый барьер, который встречают на своем пути факторы деградации почв - это гумусовые горизонты почв (Федорщак, 1978; Глазовская, 1981; Вайчис, Онюнас, Славенене, 1988; Богатырев, 1989,1994; Гузев, Левин, 1991; Куликов, 1995; Лысиков, 1996).

Изучение физико-химических свойств светло-серых супесчаных почв в зоне промышленного влияния показало, что содержание гумуса в горизонте А₁ составляет 2,31% - 2,37%, вниз по профилю оно резко снижается и уже в горизонте ВА₂ составляет 0,40% - 0,43% (табл. 9).

Существенных различий по содержанию гумуса в зависимости от антропогенного воздействия не обнаружено. Содержание обменно-поглощенного Са в горизонте А₁ составляет 7,2-7,6 мг-экв/100 г. почвы. Сумма поглощенных оснований 8,8-9,5 мг-экв. В составе суммы поглощенных оснований доля Са составляет 82-80%. Нижняя часть гумусового горизонта элювиирована от Са и Мg, а в горизонте В₁ и В₂ отмечается их накопление. Гидролитическая кислотность составляет 3,0-3,3 мг-экв/100г. почвы. Профильное распределение характеризуется минимальным значением в горизонте В₁ и некоторым увеличением в нижележащем горизонте В₂. Значение рН_kcl в горизонте А₁ 4,9-5,1 ед. Минимальное значение ее характерны для горизонта В₂.

Анализ изменений агрохимических свойств в зависимости от удаленности от объекта выбросов показал, что наиболее значимые изменения в кислотно-основных свойствах в горизонтах А₁ светло-серой почвы прослеживаются на расстоянии 100-200 м (таб. 10). Различия рН_сол. и рН_вод на расстоянии 50 м составляет 0,38-0,51 ед. по сравнению с 2000 м от объекта (при НСР₀₅ 0,23 и 0,27 ед). В виде тенденции различия сохраняются до расстояния 500-1000 м от объектов выбросов.

Таблица 10. Изменение физико-химические свойства светло-серой лесной почвы в зависимости от расстояния до источника загрязнения (слой А₁)

Содержание обменно-поглощенного Са по сравнению с почвой не испытывающей кислотного воздействия снизилось на 0,5 мг-экв 100 г. почвы, Мg на 0,36 мг-экв/100 г. почвы.

Анализ данных по типичным разрезам, и изучение свойств почвы горизонта А₁ в зависимости от удаления от объектов выбросов показывает, что обменно-поглощенный магний теряется интенсивнее, его потери на расстоянии 50 м. от выброса составили 18,56%, а Са 6,55% т.е. в 2,8 раза выше. Гидролитическая кислотность возросла на 0,34-0,46 мг-экв/100 г. почвы. Указанные изменения вызвали снижение степени насыщенности основаниями на 3,5-4,5%.

Таким образом, почва территории прилегающей к промышленной зоне, по гранулометрическому составу характеризуется как супесчаная почва с четко выраженной элювиально-иллювиальной дифференциацией физического песка и глины. Антропогенное воздействие от котельной вызывает снижение сумм поглощенных оснований и роста кислотности в горизонте А₁ и А₂. Это проявляется на расстоянии до 2000 м от источника выброса.

Исследованиями установлено, что антропогенное подкисление вызывает существенное изменение буферных свойств. Под действием аэротехногенного загрязнения снижается естественная и приведенная буферная способность в кислотном интервале и возрастает в щелочном (таб. 11).

Таблица 11. Оценка кислотно-основной буферности почв в зависимости от расстояния до источника загрязнения (группа / оценка показателя)

Примечание: 1 - кислотный интервал; 2 - щелочной интервал

Изучение физико-химических свойств, светло-серой супесчаной почвы в зоне влияния автомагистрали показало, что они определяются уровнем воздействия техногенного загрязнения, которое зависит от расстояния до источника загрязнения. Так, по мере приближения к дороге возрастает как актуальная, так и обменная кислотность (таб. 12).

Таблица 12. Изменение физико-химических показателей в зависимости от удаления автомагистрали

На расстоянии 5 м от объекта рН _KCI составляло 4,58 ед., при 50 м - на 0,17 ед. рН _KCI выше, на контроле (расстояние 1000 м) - 5,11 ед. рН _KCI. Аналогично изменялись актуальная и гидролитическая кислотность. Так, рН _Н2О увеличивалась при расстоянии от дороги 5 м на 0,75 ед., при 50 м на 0,5 ед. рН. Гидролитическая кислотность изменялась с 3,02 мг-экв. на контроле до 3,44 на расстоянии 50 м и до 3,67 мг-экв/100г почвы при 5 м от дороги.

Таким образом, чем ближе к полотну автомагистрали действие загрязняющих веществ усиливается, что сказывается на кислотных свойствах почвы.

Сумма поглощенных оснований изменялась от 14,20 мг-экв. на контроле до 12,54 мг-экв./100г почвы на расстоянии от полотна дороги. Существенно снижалась степень насыщенности почв основаниями с 82,9 до 70,2% соответственно. Содержание гумуса в почве по мере удаления от дороги на 1000 м увеличилась на 0,07% по сравнению с количеством его в образце, взятом в 5 м от объекта.

Изучение влияния нефтезагрязнения на агрохимические свойства светло-серой лесной почвы показало, что нефть существенно влияет на реакцию почвенной среды (табл. 13).

С увеличением уровня загрязнения происходило снижение кислотности. Показатель рН_kcl повышался с 4,9 в незагрязненной почве до 6,8 при уровне нефти 10 л на 1 м^2. С повышением загрязнения до 20 л на 1 м² происходило подщелачивание почвы, резко снижалась гидролитическая кислотность и возрастала сумма поглощенных оснований. Аналогичные изменения кислотных свойств почв отмечали и другие исследователи. Ф.Х. Хазиев. связывает уменьшение кислотности и появление щелочности с заменой ионов водорода в почвенном поглощающем комплексе на ионы натрия. Доля его в ППК на загрязненных нефтью почвах резко возрастает.

Таблица 13. Изменение агрохимических показателей светло-серой лесной почвы при нефтезагрязнении, слой - 0-15 см (после уборки клевера)

Изучение содержания минеральных форм азота показало, что под действием нефти количество обменно-поглощенного аммония снижалось более, чем в два раза (с 2,7 мг/кг почвы контроля до 1,2 мг/кг при уровне загрязнения 20 л/м²). Содержание нитратной формы азота менялось иначе. При уровне загрязнения 5 л/м² количество N-NO₃ ^- возрастало на 37,5% по отношению к незагрязненной почве. При уровне 10 л/м² отмечались лишь «следы», а при 20 л/м² нитратная форма вообще не обнаруживалась.

Под действием нефти происходят существенные изменения в содержании углерода в почве. Если в отсутствии загрязнения общий углерод составлял 2,09%, то с повышением уровня загрязнения он увеличивался и достигал максимума 3,72% при 20 л нефти на 1м^2. Можно предположить, что загрязнение вызвало изменение во фракционно-групповом составе гумуса. Как указывает Е.А. Бочарникова, в составе гумуса загрязненных почв увеличивается доля гумина, и снижаются процессы минерализации органического вещества, что сказывается на азотном режиме почв и в конечном итоге на урожайности сельскохозяйственных культур. Ухудшение азотного питания растений может быть обусловлено изменениями в микробном ценозе почвы. Поступление углеводородов вызывает кардинальную перестройку состава микробного сообщества, стимулируя развитие популяций, перерабатывающих этот субстрат и потребляющих значительное количество азота.

Глава 4. Биологические свойства почв под влиянием различных антропогенных источников

Общие закономерности изменений биологических свойств почвы по мере возрастания в ней содержания загрязняющих веществ, сформулированы на основе экспериментальных материалов (Гузев, Левин, 1982, 1991; Гузев, Левин, Бабьева, 1986; Гузев, 1988).

Почвенная микрофлора - основной агент, осуществляющий круговорот биогенных элементов в почве, поэтому изменение численности и соотношения, основных эколого-трофических групп почвенных микроорганизмов приводит к смене направленности биогеохимических процессов в почве, может вызвать разрушение органического вещества (Мишустин; 1956; Карягина, 1983).

Под влиянием веществ антропогенного загрязнения может происходить изменение структуры и активности микрофлоры. Обладая значительной буферностью почва, до определенного предела загрязнения, сохраняет свои биохимические свойства (зона гомеостаза), хотя изменения в структуре комплекса почвенных микроорганизмов уже можно обнаружить (зона стресса). При значительном уровне загрязнения (зона ингибирования) необратимо меняется комплекс почвенных микроорганизмов (Кураков, Умаров, 1983). Изменение структурной организации комплекса почвенных микроорганизмов вызывает нарушение их функционирования (Наплекова, 1978; Гузева и др., 1985; Наплекова, Булавко, 1988).

За последние три десятилетия убедительно показано снижение численности колониеобразующих единиц (КОЕ) микроорганизмов, биомассы, разнообразия микроорганизмов, подавляется интенсивность разрушения растительных остатков и трансформации азота (азотфиксации, денитрификации, нитрификации, аммонификации), активность почвенных ферментов (каталазы, дегидрогеназы, уреазы, инвертазы, фосфатазы и др.) (Левин и др., 1989; Громов, Павленко, 1989; Евдокимова, 2004).

Для микроскопических грибов и целлюлозоразрушающих микроорганизмов выявлено снижение разнообразия видов при накоплении в почве ТМ и других антропогенных воздействиях (выбросы промышленных предприятий, внесение больших доз минеральных удобрений и др.). Минеев В.Г. (1991) утверждает, что на черноземах и дерново-подзолистых почвах загрязнение Cu, Cr, Zn, Ni, Pb на уровне одного - двух кларков сопровождалось уменьшением в почвах общего количества бактерий, их спорообразованием, резким сокращением числа актиномицетов и увеличением количества грибов снижением численности дождевых червей и насекомых.

Результаты наших исследований по изучению влияния загрязнения на эколого-трофические группы микроорганизмов почвы показали, что численность амонификаторов в почвах промышленных районов города была в 2-3 раза ниже, чем на контроле (рис. 3). Численность иммобилизаторов азота на порядок ниже, чем на контроле. Такие же соотношения наблюдали и для групп олигонитрофилов. Целлюлозоразрушающих микроорганизмов было меньше, чем на контроле. Численность актиномицетов снижалась на контроле. Численность грибов значительно варьировала на контроле и в опытных образцах с объекта, но тенденции к ее снижению также просматривались.

Рисунок. 4 Численность экологотрофических групп микроорганизмов в почвах

Таким образом, развитие всех эколого-трофических групп почвенных микроорганизмов было угнетено. Наиболее чувствительна бактериальная микрофлора степень ингибирования наибольшая особенно для группы олиготрофов.

Мицелиальные формы почвенных микроорганизмов (грибы, актиномицеты) оказались более устойчивыми к воздействию вредных ингредиентов на почву, ингибирование их развитие наблюдали на территории примыкающей к промышленным объектам, где бактериальные формы снижали свою численность уже на порядок.

Системы нефтепродуктообеспечения (нефтетрубопроводы и сеть автозаправочных станций) являются дополнительными источниками загрязнения почв. С увеличением количества автомобильного транспорта возрастает число АЗС, увеличивается тем самым и негативное воздействие.

Загрязнение нефтепродуктами оказало влияние на энзиматическую (ферментативную) активность почв территории прилегающих к АЗС в наших исследованиях (табл. 14).

Под действием загрязнения как в серой лесной почве, так и в черноземе наиболее сильно изменялась активность каталазы, характеризующей интенсивность окислительно-восстановительных процессов. Интенсивность биохимических процессов в определенной степени зависит от степени загрязнения почв (Колесников, и др., 2000; Казеев, 2004).

Таблица 14. Энзиматическая активность почв территорий прилегающих к АЗС (среднее за 3 года).

С повышением содержания нефтепродуктов в почве активность этого фермента значительно снижалась. Так при увеличении количества нефтепродуктов в серой лесной легкосуглинистой почве до 3002 мг/кг почвы каталаза составила всего лишь 3,17. В остальных почвах наименьшая активность её была на расстоянии 10 м от мест забора нефтепродуктов. То же самое отмечается относительно устойчивости уреазы. Выявить каких-либо закономерностей относительно влияния загрязнения на активность и инвертазы не удалось.

Результаты исследований влияния нефтезагрязнения на микрофлору показали, что загрязнение нефтью вызвало в черноземе выщелоченном формирование микробных комплексов, влияющих на разные биохимические процессы в почве и в первую очередь, на трансформацию и использование разных форм азота (таб. 15).