Моделирование загрязнения чернозема свинцом с целью установления экологически безопасной концентрации (стр. 4 из 5)
Свинец вносили в разных дозах - 0,25; 0,5; 1,0; 2,5; 5,0 и 10 ПДК (25, 50, 100, 250, 500 и 1000 мг/кг соответственно). Использовали значение ПДК, разработанное в Германии, — 100 мг/кг почвы, в связи с тем, что российская ПДК свинца меньше его содержания во многих почвах [3].
Свинец вносили в почву в виде оксида РЬО. На 70 - 90% загрязнение почвы тяжелыми металлами (ТМ) происходит в виде оксидов.
Так как оксид свинца не растворим в воде, то для равномерного распределения во всем объеме почвы вегетационного сосуда его сначала растирали с небольшим количеством почвы, а затем тщательно смешивали с остальной почвой.
Инкубирование почвы массой 1 кг проводили в стеклянных вегетационных сосудах при температуре 20 — 22°С и влажности 60% наименьшей полевой влагоемкости. Модельные опыты проведены в трехкратной повторности.
Состояние почвы определяли через 30 сут. после загрязнения. Этот срок является наиболее информативным при исследовании влияния химического загрязнения на биологические свойства почвы.
Лабораторно-аналитические исследования выполнены с использованием общепринятых в экологии, биологии и почвоведении методов. Использовали биологические показатели как наиболее чувствительные и информативные [2, 6]. Численность аммонифицирующих бактерий и микроскопических грибов учитывали методом посева почвенной суспензии на плотные питательные среды (мясо-пептонный агар икислую среду Чапека). Численность бактерий рода Azotobacterучитывали методом комочков обрастания на среде Эшби. Активность каталазы измеряли по методике Галстяна, инвертазы — по методу Галстяна в модификации Хазиева. Целлюлозолитическую способность определяли по степени разложения хлопчатобумажного полотна, экспонированного в почве в течение 10 дней. С помощью экспресс-метода Аристовской и Чугуновой измеряли скорость разложения в почве мочевины. Фитотоксичность оценивали по показателям прорастания семян озимой пшеницы (всхожесть, энергия, дружность и скорость прорастания) и интенсивности начального роста проростков (длина корней, длина зеленых проростков).
Интегральный показатель биологического состояния почвы (ИПБС) определяли на основе наиболее информативных показателей ее биологической активности [4]: численность аммонифицирующих бактерий, микроскопических грибов, бактерий рода Azotobacter, активность каталазы, инвертазы, целлюлозолитическая активность.
Для расчета ИПБС значение каждого из шести указанных показателей в незагрязненной почве — контроле — принимали за 100 % и по отношению к нему выражали в процентах значения в остальных вариантах опыта (в загрязненной почве). Затем определяли среднее значение шести выбранных показателей для каждого варианта опыта. Использованная методика позволяет интегрировать относительные значения разных показателей, абсолютные значения которых не могут быть суммированы, так как имеют разные единицы измерения.
Рис.2 (а, б, в)
Рис. 3 (а, б)
Выбор биологических показателей обусловлен следующими причинами. Численность аммонифицирующих бактерий и микроскопических грибов характеризует состояние редуцентов в экосистеме. Бактерии рода Azotobacterтрадиционно используют как индикатор химического загрязнения почвы. Активность каталазы и инвертазы, целлюлозолитическая активность отражают интенсивность биологических процессов в почве. Каталаза характеризует протекание окислительно-восстановительных процессов, инвертаза — гидролитических. При этом активность ферментов каталазы и инвертазы служит показателем потенциальной биологической активности почвы, а скорость разложения полотна характеризует актуальную активность. Представленный набор показателей дает объективную информацию о протекающих в почве биологических процессах и ее состоянии.
Зафиксировано негативное воздействие свинца на общую численность бактерий в черноземе, определяемую люминесцентным методом (рис. 3, а). Этот метод имеет преимущества перед чашечным, так как обеспечивает более полное выявление бактерий в почве. Однако его недостатком является тот факт, что нельзя дифференцировать активные и покоящиеся формы бактерий. Существенное влияние на численность бактерий рода Azotobacterтакже оказывает концентрация загрязняющего вещества в почве (рис. 3, б). Так, загрязнение почвы 0,25 ПДК свинца вызвало снижение численности Azotobacterдо 92 % контроля, 10 ПДК - до 20 %. С увеличением концентрации свинца сильнее проявляется его токсический эффект, нарушается метаболизм микроорганизмов, замедляются их рост и размножение.
Активность почвенных ферментов сильно зависела от содержания металла в почве. При внесении в почву 0,25 ПДК свинца активность каталазы снижалась до 99 % контроля, (Рис.2 а), дегидрогеназы — до 88 % (Рис. 2 б). При внесении дозы 10 ПДК активность каталазы падала до 74 %, дегидрогеназы — до 50 %. Уменьшение активности исследованных окислительно-восстановительных ферментов объясняется ингибирующим воздействием свинца.
Чувствительным показателем проявила себя целлюлозолитическая активность почвы (рис. 2, в). Загрязнение чернозема свинцом привело к значительному снижению его клетчаткоразрушающей способности.
В качестве тест-объекта для определения фитотоксичности почвы был использован редис (сорт Корунд). Семена редиса содержат небольшой запас питательных веществ и соответственно более подвержены влиянию внешней среды, например избыточной концентрации свинца. Для всесторонней оценки степени токсичности почвы определяли показатели их прорастания и начального роста.
Показатели прорастания — всхожесть (рис. 3, а), энергия, скорость и дружность прорастания снижались в меньшей степени, показатели интенсивности начального роста — длина корней (рис. 3, б) и длина побегов (рис. 3, в) — в большей.
Загрязнение свинцом не оказало достоверного воздействия на содержание в почве гумуса. Этот показатель является более консервативным по сравнению с биологическими показателями.
С целью выявления общих закономерностей воздействия свинца на чернозем обыкновенный определяли ИПБС почвы. Его рассчитывали по следующим показателям: общая численность бактерий, обилие бактерий рода Azotobacter, активность каталазы, активность дегидрогеназы, целлюлозолитическая активность (рис. 4, б).
Полученные данные свидетельствуют о негативном воздействии свинца на свойства чернозема обыкновенного. Уже при внесении небольшой дозы загрязнителя (0,25 ПДК) наблюдалось снижение всех основных биологических показателей экологического состояния почвы.
В результате исследования [5] установлено, что химическое загрязнение почвы ТМ приводит к нарушению выполнения ее экологических функций. Причем нарушение экологических функций почвы по мере увеличения концентрации химического вещества происходит в такой последовательности: информационные биохимические, физико-химические, химические и целостные физические. Различные экологические функции почвы нарушаются при различной концентрации в ней загрязняющего вещества. Этот факт может лежать в основе экологического нормирования загрязнения почв.
Рис. 4 (а, б, в, г, д)
В качестве критерия степени нарушения экологических функций почвы предлагается использовать ИПБС.
По результатам исследования было получено уравнение регрессии, отражающее зависимость ИПБС от содержания свинца. По этому уравнению были рассчитаны концентрации ТМ, при которых происходит нарушение тех или иных функций почвы.
Предложенный подход и полученные количественные значения содержания свинца в почве, вызывающие нарушение разных экологических функций, представляется целесообразным использовать при экологическом нормировании, когда главной целью должно быть сохранение экологических функций почвы.
Ниже приведена классификация загрязнения черноземов по содержанию в них свинца и нарушению экологических функций, а также ответные действия по "оздоровлению" почв — способы санации [1, 4]: Нарушения экологических функций почвы не происходит, пока значения ИПБС не снижаются более чем на 5 % [5]. Такое снижение зарегистрировано при концентрации свинца более 45 мг/кг. Меньшее содержание можно считать экологически безопасным.
Глава 4. Накопление картофелем растительных остатков при загрязнение почвы кадмием и свинцом
Изучено накопление растительных остатков картофелем на дерново-подзолистой среднесуглинистой почве в зависимости от удобрений и загрязнения почвы кадмием и свинцом. Установлено, что количество послеуборочных остатков находится в прямой зависимости от продуктивности картофеля. На фоне совместного применения органических и минеральных удобрений загрязнение почвы кадмием увеличивало количество растительных остатков в 1,3 раза, загрязнение свинцом в - 1,5 раза.
Надземные (пожнивные, поукосные) и корневые остатки культурных растений являются одним из основных источников восполнения органического вещества в почве. Различные антропогенные факторы, в том числе загрязнение почв ТМ могут привести к неодинаковой реакции сельскохозяйственных культур как в накоплении растительных остатков так и в содержании в них различных элементов – загрязнителей.
Почва опытного участка дерново-подзолистая, среднесуглинистая, характеризуется слабокислой реакцией, средним содержанием гумуса, повышенным – подвижных форм фосфора и калия. В качестве удобрений использовали аммонийную селитру, двойной суперфосфат, хлористый калий в дозах по N – 90, P2O5 – 90, K2O – 125 кг/га. Навоз вносили в дозе 30 т/га.