Биологическая диагностика целинных и антропогенно измененных почв

Яковлев, Александр Сергеевич

Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему
Биологическая диагностика целинных и антропогенно измененных почв
ВАК РФ 03.00.27, Почвоведение

Автореферат диссертации по теме "Биологическая диагностика целинных и антропогенно измененных почв"

На правах рукописи

ЯКОВЛЕВ Александр Сергеевич

БИОЛОГИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА ЦЕЛИННЫХ И АНТРОПОГЕННО ИЗМЕНЕННЫХ ПОЧВ

Специальность: 03.00.27 — почвоведение

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора биологических наук

МОСКВА — 1997

Работа выполнена на факультете почвоведения Московского государственного университета имени АЛ. В. Ломоносова.

Официальные оппоненты:

доктор биологических паук, профессор Л. О. Карпачев-скин;

доктор биологических наук, профессор Э. А. Штина; доктор биологических наук, профессор Б. Р. Стригапова.

Ведущее учреждение: Московская сельскохозяйственная академия имени К. А. Тимирязева.

Защита состоится 25 апреля 1997 года в 15.30 в ауд. М—2 на заседании диссертационного Совета ДО.53.05.31 при МГУ имени М. В. Ломоносова (119899, Москва, Воробьевы горы, МГУ, факультет почвоведения).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке факультета.

Автореферат разослан «2*/ » ....................... 1997 года.

Ученый секретарь диссертационного Совета доктор биологических наук

профессор Л. А. Лебедева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В настоящее время не вызывает сомнения начимость биологических факторов в динамике почвенных процессов. Гем не менее, биологические методы характеристики почв по сравнению ; традиционными (химическими, физическими и др.) используются незна-[ительно, что связано с отсутствием методов экспрессного определения ¡иологической активности, пригодных для полевых и лабораторных 'словий и не требующих от исследователя большой специальной подго-овки. Современные приемы биодиагностики почв многочисленны и >азнообразны, однако, интерпретация полученных данных трудоемка! и в >яде случаев более приемлема для теоретических целей, чем для практи-[еских.

Диагностика почв по особенностям строения почвенного профиля, 1инералогическом составу, их физическим и химическим свойствам ха->актеризует, как правило, относительно консервативные, накопившиеся физнаки и свойства почвы. Характерные для разных почв комплексы ¡еспозвоночных, состав микрофлоры и продукты ее жизнедеятельности шкробные метаболиты отражают динамичные свойства среды обитания [ представляют индикаторы современных процессов почвообразования, вляясь вполне объективными синтетическими показателями современ-юго режима жизни почв. Живые организмы и их метаболиты в ряде слу-[аев могут быть более чуткими показателями по сравнению с данными ;имических и физических анализов почвенного образца и позволяют [роводить раннюю диагностику любых негативных и позитивных изме-[ений окружающей среды. Очевидно, необходимо параллельно прово-[ить физические, химические и биологические анализы, определяя дина-шку проявления тех или иных свойств почвы, что особенно важно при [рогнозировании изменений окружающей среды под воздействием при-юдных и антропогенных факторов.

Методы биологических исследований привлекаются для решения вопросов общего и прикладного почвоведения в тех случаях, когда классические подходы в изучении почв - морфологические, химические, физические - не дают ответа на вопрос о возможной реакции экосистемы на те или иные воздействия, либо не показывают достоверных различий сравниваемых почв и протекающих в них процессов, или применение их затруднено и нерентабельно (Гельцер, 1986; Константинов, 1986). Особенно убедительно их применение, когда требуется интегральная оценка качества среды. Для решения этих задач при всей важности различных подходов, включая физические, химические и др., приоритетной представляется именно биологическая оценка. Количество факторов, воздействующих на среду, может быть бесконечно большим, учитывая еще и кумулятивный эффект этого воздействия. В таком случае полевая или лабораторная оценка всего многообразия сочетаний различных воздействий становится практически невозможной. В этой ситуации получение интегральной информации о качестве среды достижимо посредством оценки состояния живых существ (биотестирования).

Комплекс применяемых биоиндикаторов (содержание нингидрин-положительных веществ, целлюлазная и протеазная активность, дыхание почвы, водоросли и животное население) - объективный показатель биологической активности почв. Одними из экологически чувствительных организмов, но недостаточно изученными для почвенно-инди-кационных целей являются раковинные амебы (Protozoa, Testacida) и инфузории (Colpoda). Исследование раковинных амеб, водорослей и инфузорий как индикатора почвенных условий основывается на избирательности некоторых видов и изменении структуры их населения в зависимости от внешней среды (Гиляров, 1955, 1965; Корганова, 1979; Гельцер, 1989; Штина, 1990). Работа с комплексом указанных биоиндикаторов наиболее успешна при применении метода микрокосмов, предполагающего единовременный анализ широкого набора почвенных показателей при благоприятных для почвенной биоты константных значениях темпе-

емпературы и влажности.

Оценка состояния обитающих в почве организмов, их биоразнооб-азия может служить решению ряда задач природоохранной практики: ыделение зон экологического неблагополучия, расчет ущерба, нанесен-ого биогеоценозу деятельностью человека, определение временной ггойчивости "резистентности" экосистемы к воздействию тех или ных антропогенных факторов.

Цель работы: выяснить возможность применения комплекса био-эгических показателей для целей биологической диагностики состояния глинных и антропогенно-измененных почв и почвенных процессов.

Задачи исследования: разработать новые и усовершенствовать су-ествующие методы изучения общей биологической активности (содер-ание нингидринположительных веществ, протеазная и целлюлазная ак-шность, содержание С02 в почвенном воздухе); частной биологической :тивности почв и почвенных растворов (почвенные простейшие - рако-шные амебы, инфузории, водоросли); определить биодиагностическую ачимость каждого из методов для оценки состояния антропогенно-мененных почв; определить общую биологическую активность и ак-вность почвенных простейших - раковинных амеб в ряду дерново-|Дзолистых почв разной степени заболоченности и окультуренности, в не действия металлургических комбинатов и в пределах городских тер-[торий; выявить коррелятивные связи между рассматриваемыми биотическими показателями, физическими и химическими свойствами чв, а также изменение этих показателей в пространственной и времен-й динамике; с помощью модельных опытов уточнить влияние различ-й степени увлажнения, загрязнения тяжелыми металлами и кислотны-[ осадками на общую биологическую активность и состояние фауны ковинных амеб, инфузорий и водорослей, при этом проанализировать учаи раздельного и совместного воздействия изучаемых факторов на ологичсскую активность почв и почвенный раствор; рассмотреть поч-

почвенный раствор как среду обитания "почвенных гидробионтов" (почвенных простейших и водорослей) с использованием их в качестве биоиндикаторов состояния почв опосредованно через почвенный раствор; выявить возможность практического применения биологических методов для целей диагностики свойств почв, подверженных различным формам антропогенной деградации.

Место проведения работы. Изложены результаты многолетних исследований биологической активности почв, проведенных автором в целинных и окультуренных дерново-подзолистых почвах Московской области: на Рузском мелиоративном почвенно-гидрологическом стационаре Мосгипроводхоза (Рузский район), на агробиологической станции Московского университета в Чашниково (Солнечногорский район); целинные лесные почвы автором изучались на Малинской экологической станции ИЭМЭЖ имени А.Н. Северцева АН СССР. Лабораторные опыты по изучению биологической активности в почвах разной степени заболоченности, загрязненности тяжелыми металлами и кислотными осадками, а также разработке новых методов исследования в области микрокосмов и почвенного раствора были проведены на кафедре географии почв. Работы проводились под руководством академика Г.В. Добровольского, профессора Ю.Г. Гельцера.

Полевые наблюдения почв, загрязненных тяжелыми металлами и кислотными осадками, были выполнены автором в составе комплексной экспедиции кафедр химии, географии, биологии почв факультета почвоведения МГУ под руководством профессора Н.Г. Зырина. Исследования проводили на территориях, прилегающих к предприятиям цветной металлургии: на Среднем Урале (г. Ревда), в Закарпатье (г. Хуст), в Киргизии (пос. Хайдаркен), в Сибири (г. Норильск). Городские почвы г. Москвы автор изучал в составе экспедиции кафедры географии почв (руководитель экспедиции доц. М.Н. Строганова). Полевые исследования почв речных пойм выполнены в составе экспедиций той же кафедры по изучению почв речных долин (руководители - академик Г.В. Добро-

Вольский, профессор П.Н. Балабко). Всем вышепоименованным коллегам автор приносит искреннюю благодарность. Особую признательность за постоянную поддержку и помощь в работе автор выражает академику Г.В. Добровольскому, профессору Ю.Г. Гельцеру, профессору С.А. Шо-бе.

Автор благодарен так же коллегам, оказавшим большую помощь в выполнении научно - исследовательской работы: Г.А. Коргановой, A.A. Боброву, Д.А. Алексееву, Г.М. Зеновой, С.М. Решетникову, И.С. Макаровой, Л.О. Егоровой, С.А. Грачевой, E.H. Горяченковой, М.Е. Борисовой, Е.Г. Селиверстовой, H.H. Ивановой, а также всему коллективу кафедры географии почв факультета почвоведения МГУ имени М.В. Ломоносова.

Защищаемые положения. Разрабатывается научная концепция приоритетности показателей биологической активности почв и почвенных растворов для комплексной (интегральной) оценки экологического состояния почв.

1. Биологическая активность почв, подвергшихся антропогенному воздействию, существенно отличается от таковой на ненарушенных фоновых территориях. Автором установлено, что методы биотестирования почв позволяют зафиксировать негативное воздействие стрессирующих факторов на почвенные биосистемы с большей надежностью и раньше, чем многие традиционные методы анализа состояния почв. При этом они не исключают необходимость применения других аналитических подходов, в частности, химических, физических и пр., для оценки и углубленного изучения влияющих на почвенный покров факторов.

2. В зависимости от длительности и глубины внешних воздействий реакция почвенной биосистемы может рассматриваться в 2-х аспектах: :t) к 1-му относятся изменения, характеризующиеся относительно быст-эым ее возвратом в исходное состояние -"функциональные изменения";

5) ко 2-му - глубинными, необратимыми преобразованиями почвенных

зованиями почвенных свойств и почвенной биоты, возникающими при постоянном (хроническом) воздействии на почвенный покров -"структурные изменения".

3. Автором обнаружены как функциональные, так и структурные изменения фауны простейших раковинных амеб в зависимости от степени заболоченности, окультуренности, уплотнения, физической турбации и загрязнения почв; определены наиболее ценные в биодиагностическом отношении генетические горизонты почв; выделены также группы простейших, динамично реагирующих на указанные воздействия, на основании чего разработаны количественные критерии, отражающие соответствующие изменения в состоянии почв.

4. Найден оригинальный способ комплексной диагностики физического, химического и биологического состояния почв с помощью почвенных микрокосмов. Этот метод позволяет проводить как суммарное, так и раздельное определение действия на почвенную биоту группы стрессирующих факторов.

5. Автором предложен специальный метод биодиагностики почвенного раствора с использованием в качестве биоиндикатора "почвенных гидробионтов" (инфузории, водоросли), позволяющий, в конечном счете, непосредственно для целей биодиагностики почв применять отдельные широко известные в гидробиологии методы биодиагностики водных сред.

Научная новизна. Развивается концепция биологической диагностики состояния почв на основании комплексного изучения их биологической активности на фоне физических и химических свойств.

Под биологической диагностикой почв мы понимаем, с одной сто роны, биоиндикацию свойственных почве признаков, т. е. - распознан» состояния почвы по ее биологическим свойствам, с другой стороны прогнозирование динамично развивающихся в ней процессов с опреде лением, как долевого, так и суммарного эффекта воздействия на почвен

ную экосистему факторов естественного и антропогенного происхождения. Такое определение биологической диагностики почв вполне согла-:уется с традиционно принятым в биологии и медицине, где оно изначально зародилось, и раскрывает широкие методические возможности зля решения проблем в области теоретического и практического почво-зедения, и экологии почв.

Из всего многообразия методов диагностики состояния почв при-эритет отдается биологическим подходам. Основанием служит то, что лироко известные химические и физические характеристики почв при зсей их надежности и легкости выявления не дают непосредственного тгвета относительно возможной реакции почвенной экосистемы на то ши иное внешнее воздействие. Эта точка зрения нашла подтверждение в иших исследованиях при оценке эффекта суммарного воздействия на гочвенную экосистему нескольких одновременно действующих антропо-енных факторов: загрязнения почв тяжелыми металлами, кислотными >садками, переуплотнения, турбации почвенного покрова. Каждый из тих факторов может быть оценен с помощью физических и химических 1етодов, тем не менее на основании этого невозможно дать определений ответ - как поведет себя почвенная экосистема в целом при их инди-идуальном и одновременном влиянии. Необходимо отметить, что в ес-ественных условиях совместный (одновременный) тип влияния антро-югенных факторов на почвенный покров становится преобладающим, оответственно биологическая активность почв служит незаменимым [нтегральным показателем этого воздействия.

С целью комплексной диагностики биологического, химического, шзического состояния почв предложен оригинальный метод почвенных гикрокосмов. С применением этого метода стала возможной оценка оздействия стрессирующих факторов на почвенный покров при их ин-ивидуальном и совместном действии, что позволяет вести диагностиче-кий и прогностический мониторинг за состоянием почвенного покрова, рименительно к конкретным типам антропогенного влияния.

Почвенный раствор изучался как среда обитания отдельных почвенных простейших и водорослей. Разработан метод биологической диагностики почвенного раствора. В качестве количественного критерия степени загрязненности почвенного раствора использовали показатель интенсивности размножения "почвенных гидробионтов" (почвенные инфузории, водоросли). Доказывается возможность применения для целей биодиагностики почв широко известных в гидробиологии методов тестирования природных вод. Прослеживается тесная взаимосвязь между интенсивностью перехода загрязняющих веществ из твердой в жидкую фазу почвы и состоянием "почвенных гидробионтов".

Разработана серия модельных опытов по изучению влияния различного увлажнения почв, их загрязнения тяжелыми металлами и кислотными осадками на биологическую активность почв с определением суммарного и долевого воздействия указанных факторов. На основании большого экспериментального материала использован статистический метод определения протеолитической активности.

Определен видовой и количественный состав раковинных амеб в неоглеенных и оглеенных дерново-подзолистых почвах, а также для почв города Москвы и техногенных территорий, прилегающих к предприятиям цветной металлургии. Выведен показатель "эдафичпости" раковинных амеб, характеризующий степень их приспособленности к наиболее жестким почвенным условиям.

Практическая ценность и реализация работы. Комплекс показателей биологической активности ненарушенных и антропогенно измененных почв представляет определенный практический интерес в целях диагностики их состояния, экологического нормирования и мониторинга. Разработанные приемы оценки общей биологической активности могут быть использованы для диагностики свойств и режимов неоглеенных и оглеенных дерново-подзолистых и болотно-подзолистых почв. Четкая реакция свободноживущих простейших - раковинных амеб на изме-

няющиеся внешние условия дает возможность применить сведения о видовом составе, обилии и биомассе клеток, а также сочетании экоморфо-типов при вертикальном и горизонтальном распределении организмов по профилю почв в качестве надежных почвенно-диагностических показателей.

Наиболее важный аспект применения методов биологической ди-1гностики - получение интегральной информации о состоянии почвен-юго покрова при всем многообразии воздействия на него факторов ан-гропогенного и естественного происхождения. Особенную ценность име-гг информация, полученная с помощью комплекса биологических пока-;ателей как общего, преимущественно биохимического, так и частного войства, определяемых по состоянию отдельных групп почвенных про-тейших и водорослей на фоне анализа основных физических и химиче-ких свойств почв.

Предложенный нами метод почвенных микрокосмов предполагает зучение комплекса биологических показателей и позволяет решить эту адачу с выходом на определение суммарного антропогенного воздейст-ия и выявление влияния составляющих его отдельных факторов. Так, далось зафиксировать с помощью предложенных нами показателей аздельное и совместное влияние на почвенную экосистему: загрязнения очв тяжелыми металлами, кислотными осадками, а также функцио-альные и структурные изменения почвенной биты, вызванные этими эздействиями. В практическом плане это позволяет проводить исследо-1ния в области прогностического и диагностического мониторинга ок-/жатощей среды с выходом на определение параметров экологического армирования, что дает возможность в свою очередь применить их в це-[х экологического контроля и экологической экспертизы.

Одна из составляющих комплекса биодиагностических методов -ггод биотестирования почвенного раствора с помощью почвенных юстейших и водорослей (почвенных гидробионтов). Этот метод может ,1ть применен в природоохранной практике при биодиагностике за-язненных почвенных растворов.

Оценка реакции почвенной биоты на разовое (аварийное) загрязнение почв высокими концентрациями тяжелых металлов и кислотными выбросами показывает, что почвенная биота как индикатор, в отличие от ряда традиционных физико-химических показателей, с одной стороны, дает опережающую информацию о начале действия стрессирующего фактора, с другой - демонстрирует определенную временную устойчивость (резистентность) к стрессу, т. е. с помощью биометода определяется период временной устойчивости экосистемы, который, если не освободить почвенную биоту от стресса, оканчивается частичной деградацией или полной гибелью населяющих почву организмов. Длительность этого периода может быть выявлена экспериментальным путем с помощью биотестирования почв и почвенных растворов и использована в практике природопользования как отрезок времени, отпущенный для принятия решений относительно сроков и методов снятия стрессовой ситуации, т.е. рекультивации загрязненной территории.

Материалы исследований использованы в разработке ряда нормативно-методических документов Минприроды России по определению уровней допустимой антропогенной нагрузки на почвенный покров, а также в практическом руководстве "Биологическая диагностика почвы" в спецкурсах: "Биологическая диагностика и индикация почв", "Антропогенная деградация и мониторинг почв" на факультете почвоведения МГУ, в лекциях для слушателей факультета повышения квалификации при МГУ им. М.В.Ломоносова.

Апробация работы. По материалам диссертации автором было сделано 28 докладов на Всесоюзных, Республиканских и Международных съездах и конференциях, в том числе: на Всесоюзном совещании "Проблемы и методы биологической диагностики и индикации почв" (1976), Совещаниях и конференциях, посвященных вопросам почвоведения, биогеоценологии и современным методам исследования почв (1978, 1979, 1983, 1984, 1986, 1988, 1990, 1995), почвенной зоологии и микробиологии (1978, 1981, 1982, 1983, 1984, 1987), VII Делегатском съезде

Общества почвоведов СССР (1985), II съезде Общества почвоведов России (1996), IX Международном коллоквиуме по почвенной зоологии (1985), Международных совещаниях по охране почв от загрязнения (1990, 1995) и Яр-

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав и выводов; она включает33(> страниц машинописного текста, эисунков и таблиц. Список литературы насчитывает ^о£работ, из них иностранных языках.

Автору принадлежат: составление программ исследований, разра-ютка новых и модификация известных методов биологической диагнос-ики почв, сбор значительной части полевого материала и выполнение основной части экспериментальных работ, обобщение литературных дан-[ых, теоретическое обобщение полученной информации и выводы рабо-ы. В работе использовались материалы, полученные лично автором, а акже материалы некоторых работ, выполненных под его руководством ли при непосредственном участии.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Глава 1. БИОЛОГИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА ПОЧВ

Биологическая диагностика почв приобретает в настоящее время все эльшую актуальность как для проведения научных исследований, так и 1я практического применения, в частности, в природоохранной практи-

Давно прослеживался большой интерес к биологическому фактору 1К определяющему в генетическом почвоведении в классических трудах ■сских почвоведов В.В. Докучаева, П.А. Костычева, Г.Н. Высоцкого, .А. Димо, Б.Б. Полынова и других. Однако более широко, в том числе с ¡ходом на решение прикладных задач, биодиагностическое направление щучило развитие в последние десятилетия. В трудах М.С. Гилярова, В. Добровольского, Ю.Г. Гельцера, Б.Р. Стригановой, Д.А. Криволуц-го, И.В. Стебаева, В.Г. Мордковича и других, предложен и продолжает

совершенствоваться метод зоологической диагностики почв. E.H. Ми-шустиным и его учениками введены в практику полевые аппликационные методы определения биохимической активности почв. Под руководством Д.Г. Звягинцева, М.М. Умарова разработаны новые приемы изучения микробиологической и биохимической активности почв. Почвенным водорослям как индикатору состояния почв посвящен целый ряд у сследова-ний, выполненных под руководством Э.А. Штиной. На кафедре географии почв факультета почвоведения МГУ в лаборатории профессора Ю.Г. Гельцера развивается направление биологической диагностики почв с помощью комплекса биологических показателей и, в первую очередь, почвообитающих простейших. В частности, предложен тест для диагностики лесных и окультуренных почв по состоянию группы почвенных простейших - раковинных амеб (тестаций) (Гельцер, Яковлев, 1980). Основные свойства среды обитания, определяющие использование тестаций для биодиагностических целей, - влажность, тип гумуса, pH, пороз-ность почв (Bonnet, 1964; Couteaux, 1975; Корганова, 1979; Алексеев, 1980; Бобров, 1984).

Одновременное проведение зоологических, микробиологических, альгологических, биохимических исследований позволяет широко и всесторонне оценить состояние биологической активности почв. В настоящее время подобный комплексный подход к изучению биологической активности почв с целью их биологической диагностики считается наиболее перспективным. Один из приемов комплексного подхода - метод почвенных микрокосмов, предполагающий целый набор биологических тестов и физико-химических исследований ненарушенного образца почв с проведением биотестирования почвенного раствора (Яковлев, Решетников и др., 1989).

Глава 2. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Перед нами стояла задача, с одной стороны, упрощения и усовершенствования суще твующих методов биологической диагностики почв, с дру-

гой - поиски новых, преимущественно комплексных методов, с ориентацией на уже проложившие себе дорогу в практику экологического контроля за состоянием природной среды, в частности, гидробиологические методы.

Для характеристики биологической активности изучаемых почв определили комплекс биологических показателей. В качестве "общей" биологической активности изучали биохимическую активность почвы аппликационными методами и по интенсивности выделения С02", "частная" биологическая активность определялась на основании качественного и количественного состава населения раковинных амеб и почвенных водорослей. Биотестирование почвенного раствора проводилось по интенсивности размножения почвенных инфузорий и водорослей. Наряду с определением биологической активности изучали физическое и химическое состояние почв и почвенных растворов традиционными методами.

Аппликационные методы (интенсивность разложения целлофана, накопление аминокислот на бязевых полотнах, протеазная активность), разработанные E.H. Мишустиным с сотрудниками (1961, 1963, 1968, 1971, 1977), применяли в нашей модификации, касающейся количественной оценки показателей активности. Так, применен статистический метод расчета протеазной активности почв, позволяющий с известной степенью точности определять долю зон разрушения от общей поверхности желатинового слоя фотобумаги без подсчета площадей этих зон, что намного /прощает работу по количественной оценке протеолитической активности [Яковлев, 1979).

Интенсивность выделения COz "дыхания почвы" определяли мето-1,ом газовой хромотографии (С.А. Абу Эль-Нага и др., 1983).

Для определения видового состава и раздельного учета живых амеб I пустых раковинок применены окрашенные почвенные мазки (Korga-iova, Geltzer, 1977). В качестве вспомогательных методов применяли [рямую разборку почвенного образца и сканирующую микроскопию ра-овин в нашей модификации (Корганова, Яковлев, 1979).

Для того, чтобы охарактеризовать спектр экоморфологических ти-

пов и, следовательно, степень адаптированное™ организмов к почвенным условиям одной количественной оценкой, нами предложен так называемый коэффициент "эдафичности" ( е ). Предварительно оценивали степень приспособленности каждого морфотипа к почвенным условиям. В населении раковинных амеб исследованных почв их 5 (рис. 1), поэтому принята оценка от 1 до 5. Значения 1 -2 соответствуют низкой степени приспособленности, 3-5 - высокой. Ранжирование проведено на основании работ Боннэ (Bonnet, 1964, 1965,1975). Коэффициент рассчитывается по формуле:

n-^jn-k

л-100

где: т -число особей каждого морфотипа, выраженное в процентах к суммарному; к - оценка степени приспособленности морфотипов к почвенным условиям обитания; п - число морфотипов, характеризующих данный выдел.

Дисковвдный Акростомный Глобовдный Плагиостомный Криптостомный Рис. 1. Экоморфологические типы раковинок тестацид

(1-5 увеличение степени приспособленности к почвенным условиям) а - план, б - профиль

С использованием группы почвообитающих инфузорий рода Со1рос1а 5/7. нами впервые было проведено тестирование уровня загрязненности почвенного раствора. В качестве критерия токсичности использовали показатель (коэффициент) размножения А, определяемый по формуле:

где: Л'н и NK - соответственно - начальное и обнаруженное в последующих наблюдениях число клеток (Яковлев, Решетников, 1989).

Почвенные водоросли. Основываясь на разработанных Э.А. Шти-ной (1983, 1990) подходах к оценке изменений, происходящих в почве под влиянием антропогенных факторов с помощью почвенных водорослей, нами изучался состав и численность этих организмов в районах активной деградации и загрязнения почв (городские почвы, окрестности промышленных предприятий). При анализе извлеченного из образцов изучаемых почв почвенного раствора в виде тест-культуры использовали желто-зеленую нитчатую водоросль Heterotrix exilis (Klebs) Pasch. Уровень загрязненности почвенного раствора характеризовали показателем обилия указанной водоросли.

Почвенные микрокосмы. В качестве одного из подходов, позволяющих обеспечить определенную комплексность в оценке экологического состояния почв, нами предложен метод, основанный на многостороннем анализе почвенных образцов с ненарушенной структурой. Чаще всего такой подход зарубежными и отечественными исследователями называется методом почвенных микрокосмов. В нашем случае он позволяет в константных условиях температуры и влажности проводить единовременное исследование образцов почв с применением значительного набора биологических, химических и физических способов оценки экологического состояния почв. Так, изучали образцы (микрокосмы) почв, отобранные в зонах активного антропогенеза, где наряду с определением химизма твердой и жидкой фазы микрокосма определяли как общую (содержание СОг в почвенном воздухе, ферментативная активность, содержание в почве нин-гидринположительных веществ), так и частную (состояние фауны простейших раковинных амеб, почвенных инфузорий и водорослей) биологическую активность почв, оценивали состояние обитателей почвенного рас-

твора - почвенных гидробионтов (отдельных представителей почвооби-тающих инфузорий и водорослей ) по интенсивности их размножения. На рис. 2 представлена лабораторная установка для комплексного изучения почвенных микрокосмов (Яковлев, Решетников, Агапов, 1991).

1 - почвенный монолит, 2 - керамический фильтр, 3 - колба Бунзена, 4 - пробирка для сбора почвенного раствора, 5 -почвенный раствор, 6 - подключение к насосу, 7 -зажим, 8 - шприц для отбора воздуха.

Глава 3. БИОЛОГИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА ЛЕСНЫХ И ОКУЛЬТУРЕННЫХ ПОЧВ РАЗНОЙ СТЕПЕНИ ЗАБОЛОЧЕННОСТИ

Изучение биологической активности дерново-подзолистых и бо-лотно-подзолистых почв в лесном и окультуренном вариантах для выявления степени их заболоченности, особенно на ранних стадиях ее проявления, имеет не только теоретическое, но и большое практическое значение для своевременного регулирования водно-воздушных и окислительно-восстановительных свойств этих почв.

В задачу исследований входило:

1. Определить общую биологическую активность (содержание нингидринположительных веществ - свободных аминокислот и белков, протеазную и (еллюлазную активность), а также видовой состав и оби-

Рис. 2. А. Увлажнение почвенных монолитов (микрокосмов) в эксикаторе: 1 - контемир с почве-ным монолитом, 2 - эксикатор, 3 - фитиль из бязевой ткани, 4 -вода, 5 - полиэтиленовая плен-

Б. Отбор почвенного раствора и воздуха из монолита с помощью керамического фильтра:

лие раковинных амеб в ряду почв разной степени заболоченности и окультуренности.

2. Выявить особенности показателей биологической активности и распределения населения раковинных амеб в ряду изучаемых почв.

3. Сравнить биологическую активность и население раковинных амеб в дерново-подзолистых и болотно-подзолистых почвах разной степени заболоченности и окультуренности.

Наблюдения проводили на Рузском мелиоративном почвенно-гид-рологическом стационаре Мосгипроводхоза, расположенном на западе Московской облает Участки представляют собой последовательный ряд почв с увеличением степени заболоченности. По Ф.Р. Зайдельману (1974): дерново-подзолистая суглинистая, дерново-подзолистая суглинистая глубокооглеенная, дерново-подзолистая тяжелосуглинистая глееватая, дерново-подзолистая тяжелосуглинистая глеевая (в окультуренном и лесном вариантах). Участки расположены на вершине и склонах холма: целинные - во вторичном смешанном елово-лиственном лесу, окультуренные - под пашней и залежью. Заболачивание обусловлено избыточными поверхностными (намывными склоновыми) водами. Степень заболоченности оказывает существенное влияние на химические свойства тяжелых почв подзолистого типа. С нарастанием оглеения уменьшается кислотность водной и солевой вытяжки, сокращается вынос обменных оснований и резко падает гидролитическая кислотность, возрастает процентное содержание гумуса в элювиальных горизонтах почв. Заметный вынос полуторных окислов Ре, Л^ и А1 наблюдается лишь на начальных этапах оглеения (глубокооглеенная почва). Усиление признаков оглеения наиболее четко проявляется во влажные годы. В сухие и средние по влажности годы водный режим участков изучаемого ряда близок к режиму неоглеенных почв (Зайдельман, 1975). Наши наблюдения совпали с влажным и сухим годами. Образцы отбирали весной, летом и осенью.

Биохимическая активность. Рассматриваемые биохимические индикаторы (свободные аминокислоты, целлюлазная и протеазная активность) достаточно сходно реагируют на изменение почвенных свойств. Так, в ряду изучаемых почв с нарастанием оглеения от неоглеенной к глеевой почве биологически активный слой сужается и локализуется в верхней, наиболее обеспеченной кислородом части профиля. Биохимическая активность лесных почв ниже, чем на аналогичных окультуренных участках. Максимальная активность отмечалась в глубоко-оглеенной и глееватой почвах (особенно по показателям целлюлазной и аминокислотной активности), т. е. в почвах, находящихся на начальных стадиях заболачивания (рис. 3). Этим почвам свойственна активизация элювиальных процессов (Зайдельман, 1974), что закономерно как для целинных, так и для окультуренных почв (Кауричев, Ноздрунова, 1960, 1964).

100% 80 60 40 20 0

100% 80 60 -

200 мкг/г ткаки

150

-100

АО

OilO

200 ыкг/г ткани

аминокислоты ——-— активность целлюлазы — — -

150

— активность протеазы ■

-100

-50

Рис. 3. Показатели биохимической активности в почвах разной заболоченности: А - целинная почва (лес), Б - окультуренная (пашня, залежь). Дерново-подзолистые почвы: I - неоглеенная, II -глубоко оглеенная, III -глееватая, IV-глеевая.

III

Раковинные амебы. С увеличением степени заболоченности почв от неоглеенной к глеевой фауна раковинных амеб на разной глубине изменяется неодинаково. В верхних горизонтах А0, А0А, не наблюдалось существенного качественного и количественного изменения. В нижележащем же горизонте численность корненожек и количество видов нарастало (от 2-х до 19 соответственно). Это дает основание считать данные, полученные для горизонта А), наиболее ценными в диагностическом отношении, так как они несут более наглядную информацию о степени заболоченности почв в рассматриваемом ряду.

Раковинки из 73 обнаруженных видов тестаций относятся к пяти экоморфологическим типам (жизненным формам), отличающимся адаптивными особенностями строения (см. рис. 1). В горизонтах А0 и А0А( представлены все экоморфологические типы, для горизонта А, в неоглеенной и глубокооглеенной почвах характерны преимущественно почвенные криптостомные формы, в глееватой и глеевой к ним добавляются дисковидные, акростомные, глобоидные и плагиостомные.

Установлено, что с увеличением увлажнения степень эдафичности (коэффициент "е") и видовое разнообразие (а) в горизонтах А0 и А0А, остаются примерно на одном уровне, в то время как в горизонте А, значение показателя эдафичности заметно убывает, а видовое разнообразие, напротив, увеличивается (рис. 4). В пахотном слое значения показателей существенно не изменялись. Таким образом, большее значение коэффициента эдафичности "е" и меньшее видового разнообразия "а" характеризуют меньшую заболоченность почвы.

Население тестаций лесных, залежных и пахотных почв существенно различается. Максимальное видовое разнообразие тестаций наблюдали в почвах под лесом, минимальное - на пашне. Видовое разнообразие раковинных амеб залежи значительно ближе к таковому в лесу, чем на пашне (см. рис. 4).

е а

2,5 1,0 0 1,2 3,0

Окультуривание

III

Оглеение

Рис. 4. Степень "эдафичности" экоморфологических спектров ( е ) и видовое разнообразие (а) в слоях обитания почв разной заболоченности и окультуренности. I, И, III, IV - см. рис. 3.

Применительно к конкретным почвенным условиям информация о биологической активности обладает разной диагностической ценностью. Так, при оценке заболоченности целинных лесных почв наиболее надежные и устойчивые результаты дает применение зоологических методов, а на пашне - биохимических; при оценке окультуренности почв лучшие результаты показывают зоологические объекты.

Глава 4. БИОЛОГИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА ХИМИЧЕСКИ ЗАГРЯЗНЕННЫХ ПОЧВ

Биологическая диагностика состояния загрязненных почв является одной из наиболее приоритетных и перспективных задач при решении вопросов охраны окружающей среды. Так, в частности, загрязнение почв тяжелыми металлами и часто сопутствующими им кислотными осадками охватывает прак ически все компоненты ландшафта и относится к числу наиболее опасн лх форм деградации почвенного покрова Попадая в поч-

ву из различных источников, тяжелые металлы в дальнейшем не выводятся из круговорота почва-растения - животные-человек. Эти обстоятельства делают проблему диагностики почв, загрязненных тяжелыми металлами, чрезвычайно важной.

До настоящего времени как в нашей стране, так и за рубежом сведения о загрязнении почв тяжелыми металлами и кислотными осадками практически не систематизированы и носят отрывочный характер, отсутствует единая система диагностики и, в первую очередь, биологической диагностики почв.

Основные реакции почвообитающих организмов на загрязнитель выражаются в количественной и качественной перестройке микробиоценоза, выделении наиболее устойчивых видов, появлении Я-стратегов, в цитологической, морфологической адаптации, изменении метаболитиче-ской активности. Оптимальный диапазон действия тяжелых металлов (в частности меди) не является постоянным и абсолютным даже для одного организма и зависит от конкретных условий (Упитие, Пикальне, 1970). Известно, что сообщества, обладающие небольшим набором видов, проявляют меньшую устойчивость (буферность) к воздействию тяжелых металлов (Большаков и др., 1978). Кроме того, уровень воздействия зависит от целого ряда косвенных факторов, прежде всего, от типа почв: так, в менее гумусированных почвах оно наиболее сильное (Умаров, Азиева, 1980); от механического состава почвы - в песчаных почвах оно более выражено, чем в глинистых. Действие тяжелых металлов особенно четко проявляется на границе горизонтов, которая отмечается как граница вертикальной миграции тяжелых металлов (Скворцова и др., 1982). Токсичность тяжелых металлов зависит также от фазового состояния соединений тяжелых металлов. Установлено, например, что плохо растворимые окислы ряда тяжелых металлов более растворимы в биологических жидкостях (Левина, 1972). Соответственно, для определения точности биоиндикационного метода необходимо детальное исследование влияния всех факторов среды на биоиндикаторы, т.е. их комплексное (биохими-

ческое, физиологическое и экологическое) изучение (Израэль и др., 1982).

Полевые наблюдения проводили в окрестности нескольких предприятий тяжелой металлургии, расположенных в различных природно-климатических условиях: на Среднем Урале (СУЗМ) в Закарпатье (ЗРК), в горах Памиро-Алая (ХРК), в Восточной Сибири (НГМИ). Почвенный покров и растительность в изучаемых районах существенно различались. Так, СУМЗ территориально расположен в подзоне южной тайги на дерново-подзолистых почвах под хвойным лесом, ЗРК в зоне широколиственных лесов на бурых лесных почвах разной степени освоенности (целинные участки под буково-грабовым лесом, окультуренные под садом и под пашней), ХРК - в пределах Западно-Тяньшаньской горной провинции на серо-коричневых и горно-луговых почвах под пашней и выпасом. НГМИ в районе плато Путаран на тундровых почвах. Образцы отбирали на разном удалении от источника загрязнения. Отбор образцов производили в пределах зон, визуально выделенных по степени нарушен -ности почвенного и растительного покрова. Выделенные таким образом зоны, как правило, согласуются с изменением концентрации тяжелых металлов в почвах и растительности этих зон.

Изменение количества организмов и видового состава основной группировки раковинных амеб и других химических, физических и интегрально-биологических показателей рассматривали на фоне градиента концентрации меди, ртути и других тяжелых металлов в растениях и почвах на разном удалении от источника загрязнения.

В окрестностях СУМЗа максимальное содержание меди в растениях и почвах отмечено в первой и второй зонах - более 800 мг/кг в почве, около 100 мг/кг в пересчете на воздушно-сухую массу в растениях (рис. 5). Минимальные значения определены на расстоянии более 10 км от источника загрязнения - около 20 мг/кг в почве, 16 мг/кг в растениях.

*) СУМЗ - Среднеуральский металлургический завод ЗРК - Закарпатский ртутный комбинат ХРК - Хайдаркентский ртутный комбинат НГМК - Норильский горно-металлургический комбинат

1всс

ССц(мг/кг)

+тыс.экз/см

Ь800

Рис. 5. Изменение количества раковинных амеб на разном удалении от источника загрязнения почв и растительности медью. 1-Ш -зоны, выделенные по уровню деградации и загрязнения почв и растительного покрова

1 - | - количество раковинных амеб тыс.экз/ см3

- - содержание меди ( Сси ) в мг/кг почвы

— — , - содержание меди ( Сси) в мг/кг в.-с.м. в растениях

Максимальное обилие раковинных амеб зафиксировано на фоновом участке, около 20 тыс.экз/см3. Обилие раковинных амеб в первой и второй зонах на порядок ниже, чем в фоновых условиях, н близко по значению. По мере увеличения загрязнения возрастает число видов, наиболее адаптированных к условиям обитания в гумусированном горизонте почвы (Рк^юрухк. СеМгорухи, Сус1орух&), так как подстилка здесь практически отсутствует.

Анализ образцов почв с помощью предложенного нами метода микрокосмов значительно расширил представление о реакции почвенного покрова на загрязнение тяжелыми металлами и кислотными осадками, прежде всего за счет изучения почвенного раствора и реакции на загрязнение его обитателей - инфузорий Со1ройа зр. с одновременным измерением С02 в воздухе почвенного микрокосма. Характерной особенностью наиболее загрязненной 1-й зоны является то, что при содержании меди в почве выше фоновой концентрации на один порядок в почвенном растворе концентрация металла возрастает на 2 порядка относительно фона, а

кислотность на 3 единицы рН, интенсивность дыхания почвы здесь ниже более чем в 2 раза, коэффициент размножения инфузорий - на порядок. Можно констатировать, что фактором, оказывающим резкое подавление биологической активности в 1-й зоне загрязнения, служит массовый (обвальный) переход тяжелых металлов в почвенный раствор. Для дерново-подзолистой почвы этот эффект отмечен при концентрации меди в почве более чем на порядок выше фоновых значений. Во 2-й зоне биологическая активность почвы значительно выше, чем в первой. Наиболее высока она в ближайшей к фону 3-й зоне загрязнения (табл. 1).

Таблица 1

Показатели состояния дерново-подзолистых почв на разном удалении от источника загрязнения

Зона Фон

1 2 3

Содержание меди в почве, мг/кг 800 150 100 50

Содержание меди в почвенном растворе, мг/л 7,23 0,04 0,05 0,01

рН почвенного раствора 3.8 6.2 6,4 6,8 |

Коэффициент размножения инфузорий (А) 0,1 2,4 4,4 3,1

С О2, % 0,30 0,42 0,99 0,78

В монолитах почв из трех зон загрязнения мы отмечали зависимость между содержанием СОг в почвенном воздухе и интенсивностью размножения инфузорий. Достаточно четко прослеживается сопряженность между биологической активностью и химическими свойствами исследуемых почв и почвенных растворов (кислотность, содержание тяжелых металлов) (Яковлев, Решетников, 1989).

В отличие от территории, прилегающей к Среднеуральскому металлургическому заводу (СУМЗ), в окрестности 3-х других металлургических комбинатов (ЗРК, ХРК, НГМК) не наблюдалось столь контрастного падения биологической активности и видового разнообразия изучаемых организмов. Объяснить это можно отсутствием зон с концентрациями тяжелых металлов в почве более одного - двух порядков выше фона, что не способствует, как в случае СУМЗа, обвальному переходу тяжелых металлов в почвенный раствор и резкому подавлению биологической активности. Тем не менее во всех случаях наблюдается та же тенденция выпадения подстилочных форм раковинных амеб и доминирования в окрестностях заводов педофильных родов Р1а$юрух1.ч, Сеп1горух1$, СусЬрух'м. Вопрос о том, что является первопричиной деградации биологической активности в окрестностях металлургических комбинатов затруднен из-за комплексности воздействия разнородных физических и химических антропогенных факторов. Разрешение его возможно, на наш взгляд, только в рамках планируемого модельного эксперимента, в процессе прогностического мониторинга.

Глава 5. БИОЛОГИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА ГОРОДСКИХ ПОЧВ

Ставилась задача проследить изменение биологической активности в ряду: от естественных ненарушенных дерново-подзолистых почв через почвы подмосковных рекреаций и троп к типичным для города урбано-земам, культуроземам, индустриоземам.

Объектами нашего исследования в Москве были городские почвы разной степени нарушенное™ и загрязненности: территории предприятий (индустриоземы*)), дворовые (селитебные участки), газоны (урбаноземы); почвы городских парков (Филевский, Лосиный остров), старинных монастырей (Рождественский, Ивановский, Зачатьевский) (культуроземы).

*) - Классификация городских почв (Строгонова, Агаркова, 1992).

В заповеднике "Горки Ленинские" и подмосковном стационаре ИЭМЭЖ "Малинки" изучали дерново-подзолистые почвы разной степени нарушенносги под тропами и рекреациями, а также были выбраны фоновые (контрольные) участки для всего ряда рассматриваемых почв.

Рекреации и тропы. Наиболее важными и заметно влияющими на биологическую активность почв рекреационных зон являются следующие химические и физические изменения в состоянии почвы: - снижение кислотности почв, повышение органического углерода (табл. 2), - уменьшение мощности и трансформация обитаемых горизонтов, - повышение плотности скелета почв (объемного веса), которое влечет за собой уменьшение порозности и снижение водопроницаемости почв (табл. 3).

В почвах под тропами, практически лишенных подстилки, основная масса раковинных амеб сосредоточена в горизонте Ai, в то время как в их естественных аналогах наибольшее видовое разнообразие наблюдалось в горизонте Ао.

В горизонте Ai почв под тропами около 30-40% составили мелкие формы рода Plagiopyxis (Р.minuta, Р. intermedia), Trinema lineare, Euglypha ¡aevis. Отличительной чертой комплекса тестаций, обитающих в почвах под тропами, по сравнению с фоновыми, стало смещение вниз в горизонт A1A2 нижней границы расселения тестаций.

Город. Для основной массы наиболее характерных для города почв (урбаноземы, культуроземы, индустриоземы), так же как для почв рекреаций и троп (дерново-подзолистые разной степени нарушенное™), характерно повышение щелочности (pH 8,0-9,0), увеличение твердости, уменьшение порозности, влагопроницаемости. Отличие же от почв рекреакций и троп заключается в очень неоднородном распределении органического вещества как в вертикальном, так и в горизонтальном направлении, причем процент ее может достигать больших значений, до 5-11%, в повышении в 5 - 10 раз относительно фона содержания кальция, фосфора, калия (Строганова, Aï гркова, Жевелева, Яковлев, 1990). Для урбаноземов, куль-туроземов хар' ктерно также повышенное содержание тяжелых металлов

Таблица 2

Химические свойства дерново-подзолистых почв

в условиях фона, рекреаций и троп

разреза гидро- лит. кис-ть, МГ-ЭКВ Сод. обм. кат. степ. Подвижные ]

горизонт глубина гумус. РЦнго ОГ+ МГ-ЭКВ 100 г M¡T МГ-ЭКВ 100 г насыщ основ., % Р205 мг К2 О мг

1 % 100 г 100 г 100 г

Ао 0-2 1 - 5,69 - - - - -

А( 2-16 3,41 5,55 П,4 6,4 2,4 40 3,8 14,0

1 А1А216-24 1,29 4,81 7,9 2,4 1,8 20 0,1 4,7

Аз 24-33 0,49 4,93 6,3 3,5 2,4 43 1,3 4,5

А2В 33-47 0,67 4,95 9,9 8,2 5,5 58 2,0 12,0

В 47-70 0,21 5,01 9,1 12,7 7,9 63 - -

Ао 0-5 I - 4,85 - - - - - -

А1 5-15 4,11 4,45 16,7 Ч 5,7 2,0 17 7,4 9,4

2 АЛ: 15-27 1,25 4,50 9,9 2,0 1,5 20 4,8 7,5

Л2 27-40 0,48 4,05 5,2 2,7 2,5 38 0,8 4,2

АпВ 40-60 0,64 4,90 6,5 6,5 5,0 57 8,4 8,8

В 60- 0,12 5,30 6,3 8,0 7,5 65 10,1 13,2

А<, 0-1 - 6,30 - - - - - -

А, 1-4 4,62 5,27 - 1,8 1,3 - 9,6 18,9

3 АЛ; 4-9 2,01 5,05 - 1,5 1,0 - 7,3 17,3

Аз 9-28 0,82 4,87 - 1,9 1,4 - 1,2 12,8

А;В 28-59 0,85 4,95 - 3,7 3,9 - 8,9 10,5

В 59- 0,22 5,34 - 5,8 4,5 - 11,6 20,1

А„ 0-3 - 5,70 - - - - - -

А, 3-12 3,72 5,31 8,7 7,2 2,2 57 2,5 4,5

4 А,А: 12-28 1,05 4,90 7,2 2,9 1,0 40 0,8 3,8

А: 28-41 0,37 4.53 5,9 2,3 0,5 39 4,5 3,3

В 41-75 0,54 4,86 9,4 9,1 2,3 55 0,8 6,5

А» 0-1,5 - 5,85 - - - - - -

А, 1,5-7 4,84 5,67 - 5,2 2.1 - 4,5 10,2

5 А: 7-23 1,85 5,10 - 0,7 0,7 - 2,1 6,3

А:В 23-41 0,90 4,89 - 1,1 1,4 - 7,5 10.5

В 41-67 0,60 4,97 - 9,7 4,1 - 10,2 14.1

Ао 0-3 5,91 5,96 - 2,7 4,7 - 7,8 12,4

А, 3-10 1,69 5,80 - 0,5 0.9 - 5,1 7,2

6 А;В 10-29 0,54 4,86 - 0,8 1,9 - 9,2 10,6

В 29-58 ) 0,37 4,91 - 9.3 5,6 - 10.4 15,9

*) №-1 - Липняк, ненарушенная (Малинки), МЬ-2 - Ельник, ненарушенная (Малинки), №-3 - Ельник, тропи (Малинки), №-4 - Липняк, ненарушенная (Лосиный остров), №-5 - Липняк, тропа (Лосиный остров), №-6 - Липняк, рекреация (Спорт, площадка, Лосиный остров).

Таблица 3

Физические свойства дерново-подзолистых почв в условиях фона, рекреаций и троп

I №*) разреза Глубина (см) Плотность твердой фазы, с1 г/см3 Плотность сложения почвы, dv г/см3 Пороз-ность, Робщ % Водопроницаемость, мм в.ст./мин

0-5 2,57 0.9 64 17,0

5-10 2,59 1,02 61

2 10-20 2,61 1,22 53 5,0

20-30 2,68 1,37 49 2,0

30-40 2,68 1,48 44 0,5

0-5 2,65 1,21 54 4,0

5-10 2,64 1,23 53

3 10-20 2,67 1,38 48 1,5

20-30 2,68 / 1,40 47 1,2

30-40 2,67 1,48 45 0,5

0-5 2,45 0,7 71 27,0

5-10 2,49 0,88 65

4 10-20 2,47 1,16 53 10,0

20-30 2,51 1,31 47 3,0

30-40 2,56 1,40 45 1,0

0-5 2,50 1,28 48 8,0

5-10 2,51 1,19 52

5 10-20 2,51 1,28 49 4,0

20-30 2,54 1,35 46 2,5

30-40 2,56 1,39 46 1,0

0-5 2,50 1,65 34 0,5

5-10 2,52 1,56 38

6 10-20 2,54 1,43 43 0,5

20-30 2,54 1,41 44 0,7

30-40 2,56 1,42 45 10,0 |

*) 2-6 см. табл. 2.

в среднем от 3 до 5 раз выше ПДК. Для индустриоземов эти значения могут быть еще более высокими.

Фауна раковинных амеб. Полученные данные свидетельствуют о большом различии в распространении тестаций, их видовом разнообразии и обилии. Самое.высокое видовое разнообразие и обилие отмечено в почве на территории Рождественского монастыря. Причем обилие на треть выше, чем на наиболее заселенном раковинными амебами фоновом участке под ельником (рис. 6). Вообще для почв города характерно доминирование определенных групп организмов. Попадая в условия города в особо благоприятную для них среду обитания, они бурно развиваются. Так, следует особо отметить абсолютное доминирование раковинных амеб, относящихся к роду Тппета (60% от общего количества), в почвах под старыми монастырями и дворцами. В целом ряде особенно вытоптанных и загрязненных почв города раковинные амебы совсем не обнаружены.

А, А, А, А,А, А. А, 2 3 I

А, А, 4

А, А,Аг 0-10 10-20 0-10 10-20 гортоты.слоКс») 5 9

/ДОДрюрсзов

Рис. 6. Численность раковинных амеб в почвах фоновых участков, рекреаций, троп и территорий старых дворцов и монастырей Москвы. Малинки: I -липняк, ненарушенная; 2- ельник, нарушенная; 3-ельник, тропа. Лосиный остров: 4-липняк, ненарушенная; 5 - липняк, тропа. Москва: 7 - Рожденственский монастырь (сквер), 9 - Юсуповский дворец (сквер).

Большинство же обнаруженных видов - космополиты, однако выделены виды, например, Tracheleuglypha accola, присутствие которых может быть индикатором щелочной реакции среды.

Водоросли городских почв. Водорослевые группировки городских почв существенно отличаются от таковых в естественных зональных дерново-подзолистых почвах (табл. 4). В фоновых почвах широко представлены зеленые и желто-зеленые формы; большое разнообразие сине-зеленых, с преобладанием видов порядка Nostocales; значительна роль диатомовых, преимущественно мелкоклеточных видов, что подтверждается данными Э.А. Штиной (1959). Все исследованные городские почвы характеризуются доминированием сине-зеленых с преобладанием порядка Oscillatoriales и меньшим разнообразием зеленых; среди диатомовых преобладают крупные формы; желто-зеленые водоросли в городских почвах встречаются достаточно редко.

Градиент изменения видового разнообразия в рассматриваемом ряду почв описывается формулами, отражающими видовое соотношение почвенных водорослей. Если для фоновых участков заповедника "Горки Ленинские" оно соответствует (15с, 20з, 6ж, 14д)*^ а переходным от фона почвам Филевского лесопарка и Юсуповского дворца - (Юс, Юз, 2ж, 8д), то индустриоземы в районе автозавода им. Лихачева ЗИЛ характеризуются значениями (5с, 4з, Зд).

Таким образом, состав водорослевых группировок может характеризовать тип урбанофитоценоза. В парках и скверах альгогруппировки наиболее близки к зональным со значительным развитием всех отделов, в том числе и желто-зеленых; на газонах и бульварах домииируют устойчивые представители одноклеточных зеленых; незначительно представлены сине-зеленые и диатомовые; желто-зеленые отсутствуют, во дворах, загрязненных бытовым мусором, хорошо развиваются сине-зеленые и зеленые;

*) - Цифры соответствуют количеству видов водорослей: с - сине-зеленых, з - зеленых, ж - желто-зеленых, д-диатомных.

Таблица 4

Число видов почвенных водорослей в почвах фона и загрязненных территорий г. Москвы

№ точек Местоположение Сине-зеленые Зеленые нитчатые Зеленые одноклеточные Желто-зеленые нитчатые Желто-зеленые одноклеточные Диатомовые Общее число видов

1 Заповедник "Ленинские горки"(фон) 15 2 18 2 4 14 55

2 Биостационар в Малинках (фон) 1 4 23 2 2 5 37

3 Филевский лесопарк (относительно ненарушенный участок) 10 2 8 - 2 8 33

4 Филевский лесопарк (утоптанная дорожка) 2 - 6 - - 2 9

5 Сквер перед Юсуповс-ким дворцом 8 2 10 - 2 8 30

6 Детская площадка с большим количеством строительного мусора 12 1 8 - - 2 21

7 Газон, загрязненный бытовыми отходами 12 - 4 - - 3 20

8 Газон рядом с автозаводом (ЗИЛ) 5 - 4 - - 3 12

9 Газон на разделительной полосе, шоссе 8 1 5 - - 6 20

10 Территория автозаправочной станции 8 I 4 - - 6 19

желто-зеленые, как правило, отсутствуют. Водорослевые группировки в почвах, подверженных интенсивному загрязнению тяжелыми металлами и другими элементами (на разделительной полосе, на автозаправочной станции, около автозавода), характеризуются незначительным видовым разнообразием всех отделов, отсутствием желто-зеленых форм, преобладанием наиболее устойчивых представителей из рода Phormidium, Lyngbya, Plectonema, Chlorococcum, Chlorella, Chlomydomortas.

Почвенные водоросли и биотестирование почвенного раствора. Для биотестирования образцов почвенного раствора, отобранных из городских почв изучаемого ряда, была взята желто-зеленая нитчатая во-

доросль - НеХетоихх ехИя - чувствительная к загрязнению почв. Наиболее заметной была реакция желто-зеленых водорослей на образцы, отобранные в районе автозавода, разделительной полосы шоссе, свалки бытового мусора, автозаправочной станции (рис. 7), участков, отличающихся повышенной загрязненностью, в частности, тяжелыми меггал-

Рис. 7. Реакция желто-зеленых водорослей Не1его1т ехИ'и на загрязненность почвенного раствора (1 - 10 см. табл. 4).

Номера точек отбора проб: -■--1, —а--2,

- - -о- - ■ - 7,........- 8,

¡2 3 456789 ¡оДии--9,-*--10.

Целлюлазная активность как показатель антропогенной деградации городских почв. Антропогенное воздействие на почвенный покров города носит, как правило, комплексный характер; при этом приоритетное воздействие того или иного фактора установить достаточно сложно. Тем не менее мы высказываем предположение, что, несмотря на заметную роль в угнетении почвенной биоты химического загрязнения почв, ведущим на основных территориях города является их физическая деградация, в частности, уплотнение, уменьшение порозности и водопроницаемости почв (Яковлев, Строгонова, Агаркова, 1990). Подтверждением может служить изменение целлюлазной активности в зависимости от степени уплотнения почв на наиболее характерных для города участках:

лами: цинком, медью, свинцом (табл. 5).

Таблица 5

Химический состав почвенных растворов Москвы

точки рН К мг/л Иа мг/л Си мг/л РЬ мг/л мг/л Сй мг/л

1 6,2 4 2 - - - -

1 2 5,8 160 11 — _ 2,31 0,031

3 6,5 6 3 0,058 — 5,76 0,051

4 6,7 15 3 0,035 _ 3,30 0,031

5 7,0 22 4 0,056 0,030 4,12 0,026

1 6 7,4 10 10 - _ 2,56 0,036

7 6,7 9 9 - — 7,76 0,040

1 8 6,8 20 8 0,230 0,050 26,77 0,061

, 9 7,3 6 35 0,058 0,110 7,57 0,040

10 7,3 10 16 0,052 - 6,46 0,042

1 - 10 см. табл. 4.

% разложившейся ткани от исходной

25" 20

10 { 1 Г }__

Контроль (фон) Парки Газоны Полисадники Дворы

Рис. 8. Целлюлазная активность почв г. Москвы в слое 0-10 см.

дворы, палисадники, газоны, парки (за контроль (фон) принимали целинные участки дерново-подзолистой почвы под хвойным лесом) (рис. 8). Так, для поверхностного слоя 0-10 см наибольшая целлюлазная ак-

тивность (26%) зафиксирована в почвах фоновых территорий с объемным весом 0,9 г/см3. И наоборот, в пределах московских двориков биологическая активность значительно подавлена (12%), что соответствует и наибольшему их уплотнению 1,4-1,6 г/см3. Почвы городских парков и газонов отличались промежуточными значениями представленных показателей 17-18% и 1,1-1,3 г/см3 соответственно.

Полученные на основании достаточно большой выборки данные свидетельствуют об обратной зависимости между биологической активностью почв и степенью их уплотнения.

Глава 6. БИОЛОГИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА И МОНИТОРИНГ СОСТОЯНИЯ ПОЧВ

В своих исследованиях в области мониторинга состояния почв по их биологическим свойствам мы руководствовались основными принципами биодиагностики, разработанными академиками М.С. Гиляровым (1949, 1965), Г.В. Добровольским (1958, 1976) и их учениками. Отправным моментом в этих принципах служит определение соответствия экологических стандартов почв и почвообитающих организмов (рис. 9).

Экологическим стандартом почвообитающих организмов М.С. Гиля-ров (1965) называл сочетание основных факторов среды: температуры, влажности, питательных веществ и т. д., обеспечивающих их жизнедеятельность. С позиции экологии почв под экологическим стандартом почвы можно, очевидно, понимать "экологическую нишу", рассматриваемую как часть пространства, на которой в результате совокупного действия факторов формируется данный почвенный объект (Соколов, 1985).

Если говорить о диагностике ареала почвы по организму, или организмам, то задача будет заключаться в поисках сходства между экологией изучаемого ареала почвы и экологией животных-индикаторов, обитающих в пределах этого ареала.

Разделение на функциональный и структурный тип изменений возможен в процессе мониторинга почв.

Мониторинг, согласно принятому определению биологической диагностики почв делится на диагностическую и прогностическую составляющие.

Рис. 9. Биологическая диагностика и мониторинг состояния почв. Соотношение экологических стандартов почв (А) и организмов-индикаторов (В -стенобионтных, С - эврибионтных видов), их функциональные ( •*—»■) и структурные (-«-)типы изменений.

Для решения этого вопроса необходимо иметь представление о ширине экологического стандарта почвообитающих организмов и почвы. Широту экологического стандарта М.С. Гиляров (1965) определял как амплитуду колебаний факторов среды, в пределах которой возможно существование вида (сохранность ряда преемственных поколений). Причем вид с большой широтой экологического стандарта называется эври-бионтным, с небольшой - стенобионтным (см. рис. 9). Чем более стено-бионтны почвенные животные, тем больше их значение как показателя почвенного режима, тем выше возможность использовать их в качестве индикаторов тех или иных особенностей почвы или почвенного режима в целом. Под широтой экологического стандарта почвы можно, очевидно, понимать предложенное И.А. Соколовым (1965) понятие "экологический диапазон почвы", т. е. диапазон действия фактора (или факторов), в пределах которого возможно существование почвенных объектов.

Таким образом, широта экологического стандарта организмов, выбранных в качестве индикаторов, должна совпадать, либо быть уже экологического диапазона почвы.

В естественных условиях рассматриваемая система экологических стандартов почв и их обитателей находится под постоянным воздействием внешних факторов как природного, так и антропогенного происхождения. В зависимости от интенсивности и длительности воздействия этих факторов могут быть рассмотрены два типа изменений этой системы (см. рис.9).

Первый тип изменений назван функциональным и предполагает возврат, обратимость системы в исходное состояние после краткосрочных стрессорных воздействий, (т. е. речь идет об изменении функции во времени, отсюда соответствующее название).

Второй тип предполагает устойчивые, необратимые изменения структуры почвенно-биологической системы, вызванные стабильными "хроническими" воздействиями, что определяет его название -структурный тип изменений.

Разделение изменений, происходящих с почвенными биосистемами, на функциональные и структурные возможно только в результате наблюдений, длящихся во времени, иными словами, мониторинга этих систем. Исходя из принятого нами определения биологической диагностики почв, такой мониторинг может быть разделен на "диагностический мониторинг", отвечающий за опознание почв по состоянию их биоты в естественных природных условиях в настоящий момент времени, и "прогностический мониторинг", дающий представление о перспективе развития намечающихся в почве процессов и выполняемый преимущественно в рамках планируемого эксперимента.

Диагностический мониторинг и биологическая диагностика заболачивания, турбации (вспашка), уплотнения и загрязнения почв. В рамках принятой схемы структурных и функциональных изменений рассматривали преобразование изучаемых сообществ организмов в условиях воздействия на почвенный покров набора антропогенных факторов.

Заметные структурные изменения наблюдали в сообществе раковинных амеб в ряду дерново-подзолистых почв с нарастанием их заболачивания и постоянной вспашки. Максимальные значения коэффициента эдафичности отмечались в наименее заболоченных почвах. Вызвано это прежде всего нарастанием доли наиболее приспособленных к типично почвенным условиям формам {Plagiopyxis, Сешгорухя, Сус1орух1я) по мере уменьшения заболачивания. При постоянном действии вспашки структурные изменения выражаются в уменьшении обилия и видового состава тестаций примерно на порядок с преобладанием тех же групп педофилов. Структурные преобразования в данном случае вызваны, прежде всего, нарушением подстилочного слоя, нарастанием обезвоживания, изменением гумусового состава почвы, ее порозности.

Функциональные изменения можно проиллюстрировать на примере кратковременной вспашки территории, наблюдая переход почвенных эиогеоценозов в ряду: лес-пашня-залежь-лес (рис. 10).

Лес Пашня Залежь (20 лет) Лес

Рис. 10. Структурные и функциональные изменения сообщества раковинных амеб в ряду лес - пашня - залежь - лес: плотность (а), количество видов (б) и видовое разнообразие а раковинных амеб (в).

Кратковременная вспашка в данном случае рассматривается как пример турбации почвенного покрова, сходный с нарушениями, вызванными, например, прокладкой трубопровода, при строительных работах и т. д. В конкретном случае рассматривали ослабление и снятие воздействия стрессирующего фактора, в частности, физического нарушения почвенного покрова, имевшего место в результате вспашки целинных почв под лесом.

При переходе от пашни к лесу через залежь отмечается любопытная особенность, которая проявляется в нарастании обилия раковинных амеб в залежныу почвах как относительно целинных почв под лесом, так и относите.! ьно пахотных почв. Нарастание происходит за счет от-

дельных групп раковинных амеб, склонных к обитанию в жестких условиях и не испытывающих конкуренции со стороны других групп, жизнедеятельность которых подавлена в результате вспашки. При этом видовое разнообразие на залежных почвах ниже, чем на фоновых участках. |

Сходная картина в области функциональных и структурных преобразований наблюдается в зонах рекреаций, городов, в окрестностях промышленных предприятий цветной металлургии. Наблюдения показывают, что постоянно длящиеся хронические воздействия в условиях непрерывно работающих предприятий вызывают структурные изменения сообщества простейших, близкие к тем, которые мы наблюдали при физической деградации почв, что может быть проиллюстрировано изменением коэффициента эдафичносги, значения которого нарастают по мере приближения к территориям активного антропогенеза (рис. 11).

'ис. 11. Коэффициент "эдафичности" (стрессорности) в зонах действия комп-[скса антропогенных факторов в районе металлургических производств. .....ЗРК, - СУМЗ,---ХРК, - НГМК.

Уровень структурных изменений сообщества почвенных водорос-ей, обитающих на территории г. Москвы, зависит от характера урба-офитоциноза (рис. 12). Среди обитателей почв парков и скверов струк-урные преобразования относительно невелики, тем не менее уже намеча-гся тенденция спада активности зеленых водорослей, приоритет которых тносительно других групп так характерен для целинных аналогов

Количество видов

Фон

Сквер Юсуповского дворца

Газон завода ЗИЛ

сзжд сзжд сзжд

Рис. 12. Число видов почвенных водорослей отдельных территорий г. Москвы, с - сине-зеленые, ж - желто-зеленые, д-диатомовые.

городских почв. Более значительный масштаб структурная перестройка приобретает в почвах городских дворов и загрязненных участков вокруг промышленных предприятий. На этих участках наблюдается низкое видовое разнообразие, практическое отсутствие желто-зеленых и доминирование сине-зеленых форм почвенных водорослей.

Прогностический мониторинг и планируемый эксперимент. В рамках прогностического мониторинга с применением лабораторных и полевых модельных опытов решались следующие вопросы:

1. Определение скорости и уровня реакции почвенной биоты на воз действие разного по интенсивности затопления территории, загрязнения тяжелыми металлами, кислотными осадками.

2. Определение приоритетности (долевого участия) воздействия рассматриваемых антропогенных факторов на биологическую активность почв.

3. Оценка возможности экстраполяции результатов прогностического мониторинга в пространственной и временной динамике с целью прогнозирования состояния почвенного покрова и почвенной биоты при различных уровнях антропогенной нагрузки.

Биологическая активность дерново-подзолистых почв разной степени увлажнения ("лабораторный опыт). При проведении лабораторного опыта ставили задачу выяснить, позволяют ли применяемые нами методы биодиагностики зафиксировать колебание биологической активности при резкой смене влажности в каждой из рассматриваемых дерново-подзолистых почв, изначально обладавших разными гидрологическими режимами неоглеенной, глубокооглеенной, глееватой, глеевой; происходит ли нивелирование показателей биологической активности из разных по степени заболоченности и окультуренности участков рассматриваемой катены в условиях постоянной температуры и влажности; для каких почв (в пределах рассматриваемого ряда) смена режимов влажности наиболее сильно влияет на изменение уровня биологической активности, т. е. какие почвы обладают наибольшей "биологической реактивностью" на резкую смену режима увлажнения.

Анализ результатов опыта показал, что применяемые нами биотесты фиксируют резкое изменение влажности в различных вариантах модельного опыта. Так, спустя две недели с начала эксперимента прослеживается нарастание биохимической активности в верхней части профиля и уменьшение в нижней от варианта с минимальным увлажнением к варианту с полным обводнением. В целом же наблюдается относительное нивелирование показателей в изучаемом ряду почв.

Наиболее чутко на смену водного режима отзывается население гестаций глееватой почвы, где происходит ощутимое нарастание доли живых организмов по мере увеличения увлажнения. Таким образом, можно предположить, что при резкой смене водного режима глееватая почва демонстрирует наибольшую чувствительность или "биологическую реактивность" в отличии от других почв рассматриваемого ряда.

Реакция биоты дерново-подзолистых почв на загрязнение нитратами свинца. В рамках полевого эксперимента проверяли существующие гипотезы о возможности возврата почвенных биосистем в исходное состояние после загрязнения дерново-подзолистых почв свинцом в дозах от 125 до 2000 мг/кг почвы (Яковлев, Гельцер, Егорова, Обухов, 1986).

В существующей литературе приводятся достаточно разн >речивые сведения об уровнях и длительности влияния свинца на почвенную био-ту. Известно, например, что после внесения свинца в дозах от 50 до 1000 мг на кг почвы биологическая активность почвы восстанавливается до первоначального состояния через 4-11 недель (Вгиппег I., БсЫппет Б., 1984). По другим данным действие аналогичных доз металла проявляется спустя более чем через год (Раськова и др., 1983).

В условиях полевого опыта определение биологической активности почвы мы проводили спустя два года после внесения металла. Установлено, что на контрольных незагрязненных участках общая биологическая активность выше, чем на загрязненных. В то же время загрязнение почвы свинцом в дозах, превышающих 500 мг на кг почвы, оказывает наиболее заметное воздействие на общую биологическую активность почвы (рис. 13). Все примененные нами биоиндикаторы демонстрируют устойчивые изменения биологической активности почв в пределах всего ряда испытуемых концентраций тяжелых металлов. Таким образом, даже при разовом (аварийном) загрязнении почв тяжелыми металлами можно с большой вероятностью говорить не о функциональном, а о структурном типе изменений почвенной биосистемы.

Моделирование загрязнения дерново-подзолистых почв тяжельп, металлами и кислотными осадками. В задачу планируемого эксперимен входило определение уровня раздельного и суммарного воздействия тяж лых металлов и кислотных осадков на биологическую активность дерн во-подзолистых почв, а также скорости реакции почвенной биоты на э-воздействие.

мкг/

■ткани

% мкг ССУГ почвы час

тыс.орг./г почвы

ИДЯ — гошгидринголожительные вещества, мкг/г ткани | | —- целлюлазная активность % ЦЦ — С02 (дыхание почвы), мкг ССуг почвы час Е:; ^ — раковинные корненожки, тыс.орг./г почвы

'ис. 13. Изменение биологической активности дерново-подзолистых почв, агрязненных нитратами свинца.

Согласно схеме лабораторного опыта монолиты почв с разным ровнем загрязнения располагали в системе координат (рис. 14.1). Гори-энтальный ряд монолитов расположен по градиенту нарастания загряз-ения тяжелыми металлами от фонового до экстремально высокого, вер-икальный ряд аналогично, но с увеличением кислотности атмосферных садков; по диагонали координатной сетки размещены монолиты, под-грженные одновременному воздействию тяжелых металлов и кислотных садков. При выборе объемов загрязняющего вещества за основу прини-али полевое зонирование по степени загрязнения почв вокруг Средне-эальского металлургического завода (СУМЗа) (Яковлев, Решетников и з., 1992).

Анализ результатов модельного опыта (рис. 14. ^-У!) показал, что шболее чутко на загрязнение реагировали инфузории. Так, в зоне экс->емального загрязнения (г, е, з) коэффициент их размножения был равен лпю. В этой же зоне падение доли живых раковинных амеб достига-

а 4,5 О

д 3,0 о

е 2,0 0

4,5

3,01 5

в 4,5

0,8

г 4,5 9,5

3,0 0,8

з 2,0 9,5

а 5,2 1 1

5,9 25

в 4,8 600

6,3 3365

д 5,0 12

ж 5,8 I 1 20

е 4,7 68

4,7

5820

6,3 3,005

6,5

3,00 5

д 6,2 3,005

3,6 0,01

5,8 3,008

6,7 25,4

6,2 3,01 5

4,5 50,2

Рис. 14. Варианты опыта по загрязнению дерново-подзолистой почвы (монолиты почв а-з): оксидом меди-(а, б, в, г); кислотными осадками -(а, д, е); одновременно оксидом меди и кислотными осадками-(ж, з). 1-схема внесения кислотных осадков и оксида меди (верхняя цифра-рН осадков, нижняя-количество внесенного оксида меда в кг/м2); по уровню загрязнения вариант а близок к фону; б, в, д, ж-к среднему; г, е, з-к экстремальному загрязнению. II-почва: кислотность (рН-водный-верхняя цифра), содержание меди (мг/кг почвы-нижняя цифра). III - почвенный раствор: кислотность (рН почвенного раствора - верхняя цифра) и содержание меди (мг/л-нижняя цифра). IV -коэффициент размножения инфузорий в почвенном растворе. У-доля живых клеток от общего количества учтенных раковинок раковинных амеб. VI - интенсивность выделения из почвы СОг, %. Уровни значений биологической активности по вариантам опыта относительно фоновых величин иллюстрируются долей затемнения прямоугольников.

ло 80% относительно фона, содержание СО2 в почвенном воздухе - 70%. В переходной зоне (б, в, д, ж) падение активности по всем показателям колебалось от 0 до 60 %, относительно фоновых значений.

По итогам опыта можно констатировать:

1. Не отмечалось эффекта удвоения в подавлении биологической активности почв при одновременном воздействии тяжелых металлов и кислотных осадков.

2. Отмечен пороговый эффект активного (массового) перехода тяжелых металлов в почвенный раствор. Он зафиксирован на границе концентраций меди более полутора порядков выше фона, что привело к резкому (обвальному) падению биологической активности почвы.

3. Наблюдения за динамикой биологических показателей позволили констатировать, что даже при самых высоких концентрациях загрязняющего вещества имеет место определенная временная устойчивость (резистентность) биоты на это загрязнение. Период такой временной устойчивости для дерново-подзолистой почвы при загрязнении экстремально высокими дозами тяжелых металлов и кислотных осадков соответствует 2-3 неделям с момента загрязнения. Для почв другого типа период замедленной реакции, очевидно, будет иным. Так, опираясь на литературные данные (Глазовская, 1984; Обухов и др. 1989), можно предположить, что для более гумусированных почв, например черноземов, он будет более длительным.

Данные проведенных экспериментов свидетельствуют о том, что загрязнение почв в экстремальных зонах, расположенных в непосредственной близости от предприятий цветной металлургии, действует необратимо по своей губительности на почвенные гидробионты - инфузории. В то же время отдельные группы раковинных амеб и почвенных водорослей - одни из немногих, которые склонны к выживанию в экстремальных условиях и вносят свою лепту в рекультивацию загрязненных земель.

Мониторинг состояния почв по их биологической активности и вопросы практической экологии.

Изучение реакции почвенной биоты на стрессорные ситуации как в естественных полевых условиях, так и в модельных опытах позволяет приблизиться к решению ряда проблем практической экологии. В частности, экстраполяции реакции почвенной биоты в пространстве и во

времени при различных уровнях загрязнения и деградации почв. Так, речь может идти об определении и прогнозе активного подавления биологической активности почв на территориях, прилегающих к источникам загрязнения, вызванного массированным переходом тяжелых металлов в почвенный раствор. Для крупных предприятий, аналогов Средне-уральского металлургического завода, зона интенсивного подавления биоты дерново-подзолистых почв прогнозируется в радиусе 2-3 километров вокруг предприятия и соответствует уровню загрязнения почв тяжелыми металлами, превышающему фоновые значения более чем 1,5 порядка.

Острая необходимость прогнозирования изменения функционального состояния почв во времени проявляется при планировании и проведении спасательно-реабилитационных работ при деградации и загрязнении почв, носящих аварийный характер. Так, в нашем случае может быть определен для дерново-подзолистой почвы период временной устойчивости или резистентности почвенной биосистемы к загрязнению тяжелыми металлами. Он соответствует, при высоких уровнях загрязнения (более одного порядка выше фона), двухнедельному сроку, по прошествии которого возможна обвальная гибель живого населения почвы. Опыт с аварийным затоплением дерново-подзолистых почв показывает аналогичную закономерность, согласно которой заметное подавление биологической активности почв наступает не сразу, а спустя несколько недель с момента их затопления.

В то же время установлено, что естественная реабилитация антропогенно измененных почв идет достаточно медленно. Наши опыты показали, что спустя более 2-х лет с момента загрязнения дерново-подзолистой почвы свинцом во всех вариантах неизменно отмечалось подавление биологической активности. Может быть так же оценен уровень возврата почвенной биосистемы к изначальному состоянию после того, как она подверглась физическому нарушению. Так, нами установлено, что даже 20-ти летний период пребывания бывшей пахотной почвы под залежью,

при отчетливо выраженных признаках возврата почвы в исходное целинное состояние, не позволяет ранее распаханному почвенному участку в полной мере соответствовать своему целинному аналогу.

Таким образом, для обоснования управленческих решений в области практической экологии могут быть в первую очередь привлечены следующие аспекты биодиагностики состояния почв:

1) Возможность интегральной оценки и прогноза состояния почв, подверженных комплексному воздействию природных и антропогенных явлений, особенно на этапе предварительных рекогносцировочных работ по обследованию территорий, что значительно увеличивает вероятность обнаружения трудноуловимых с помощью традиционных методов факторов, негативно влияющих на почву.

2) На основании определения характера изменений почвенных эиосистем во времени могут быть приняты следующие практические ре-ления:

а) при функциональном типе изменений можно ориентироваться на :пособность почв к самовосстановлению;

б) при структурном типе изменений, когда самовосстановление ючв в обозримой перспективе нереально, возможно решение по консер-:ации и рекультивации поврежденного почвенного покрова;

в) при выявлении периода резистентности (времени сопротив-яемости почвенной биоты аварийному стрессорному воздействию) мо-:ет быть определен лимит времени, в рамках которого должны быть роведены срочные рекультивационные работы, которые должны быть авершены до наступления обвальной гибели живых обитателей почвы.

Полученные результаты рассматриваются нами как некоторое при-пижение к решению вопросов, стоящих в настоящее время перед приро-эохранной практикой. Они могут быть использованы для совершенст-эвания отдельных аспектов экологического нормирования, применены в зтодиках расчета экологического ущерба, разработке мер по реабили-

тации подверженных антропогенному воздействию территорий. Важным следствием работы может быть переход от природного к технологическому экологическому нормированию и соответствующему расчету и прогнозу допустимых уровней выброса и сброса загрязняющих веществ в окружающую природную среду, а также физической нагрузки на почвенный покров, имеющих место в результате эпизодического (аварийного) или хронического антропогенного влияния, что, в свою очередь, способствует развитию эффективного диагностического и прогностического экологического мониторинга и контроля за состоянием почв.

ВЫВОДЫ

1. На основании принятого нами определения биологической диагностики почв применена известная в экологии модель мониторинга с разделением его на диагностическую и прогностическую составляющие. Диагностический мониторинг предполагает биоиндикацию состояния почвы в конкретном месте и в конкретное время. Прогностический, выполняемый с помощью планируемого эксперимента, позволяет прогнозировать происходящие в почве процессы. Выявляемые в процессе мониторинга изменения почвенной биосистемы делили на два типа: функциональные и структурные. При функциональных, обратимых изменениях, вызванных краткосрочным воздействием, предполагается возврат почвенной биосистемы к состоянию, близкому к исходному. При структурных - наблюдаются устойчивые, необратимые изменения ее свойств в результате воздействий хронического характера.

2. В целях реализации поставленных в работе задач по биологической диагностике заболоченных, загрязненных, турбированных, уплотненных почв в рамках изложенной теоретической схемы нами разработаны новые, адаптированы и усовершенствованы известные подходы и методы оценки состояния почв по их биологической активности, в сочетании с комплексом традиционных (физических, химических и др.) методов

шализа почв. Впервые разработаны методы биологической диагностики точвенных растворов с помощью простейших Со\рос1а со\ройшт и желто-¡еленых нитчатых водорослей }1е1еготх ехШ.ч\ для количественной оценен степени адаптированности почвенных раковинных амеб (Тех1аск!а., ргоюгоа) к почвенным условиям предложен показатель «эдафичности» и формула его расчета. Разработана серия модельных опытов для ком-шексной оценки и прогнозирования биологической активности почв в 'словиях различного увлажнения, загрязнения тяжелыми металлами и :ислотными осадками.

3. Комплексный методический подход показал, что для определена степени заболоченности (оглеения) почв фауна раковинных амеб -юлее чуткий индикатор в целинных и залежных условиях. Аппликацион-¡ые методы (биохимические показатели) применимы как на целинных, ак и на окультуренных участках, но отличаются менее точной диагнос-ической информацией. Степень физической нарушенности почв успеш-о характеризуется состоянием сообществ раковинных амеб и почвенных одорослей. Загрязненность почв достаточно значимо может быть опре-елена как биохимическими, так и зоологическими методами. В свою чередь повышенное содержание в почвах подвижных форм тяжелых ме-зллов может быть зафиксировано по интенсивности размножения в поч-гнном растворе "почвенных гидробионтов"- инфузорий, водорослей.

4. С нарастанием заболачивания в ряду от неоглеенной почве к геевой зафиксировано изменение структуры фауны раковинных амеб и ятенсивности биохимической активности, что выражается в увеличении эли гидрофильных форм простейших и максимальных значениях био-шической активности в почвах начальной стадии заболачивания -[убоко-оглеенной и глееватой.

При создании одинаковых условий увлажнения во всех почвах ряда юдельный опыт) в течение 2-х недель значения биохимической актив->сти в изучаемом ряду почв выравниваются, в то время как сообщество

раковинных амеб достаточно долго сохраняет первоначальную тенденцию распределения.

5. Установлено, что длительное антропогенное воздействие на почвенный покров (более 40 лет непрерывной деятельности металлургических предприятий) приводит к заметным нарушениям биологической активности почв, в частности, к структурным изменениям сообщества раковинных амеб.

6. Прогностический мониторинг, выполняемый с помощью планируемого эксперимента, показал, что в результате кратковременного "аварийного" загрязнения почв тяжелыми металлами структурные нарушения почвенной биоты наблюдаются значительное время. Не отмечали коммулятивного эффекта в подавлении биологической активности при одновременном загрязнении почв тяжелыми металлами и кислотными осадками.

7. Зафиксирована временная сопротивляемость (резистентность) почвенной биосистемы как при загрязнении высокими концентрациями тяжелых металлов, так и при резкой смене водного режима почв. Время устойчивости к такого рода "стрессу" для дерново-подзолистых почв составляло примерно 2-3 недели.

8. Фактором, оказывающим практически тотальное подавление биологической активности почв является массовый (обвальный) переход тяжелых металлов в почвенный раствор. Для дерново-подзолистых почв этот эффект отмечен при концентрации меди в почвенном покрове более чем на порядок выше ПДК.

9. Существенным структурным преобразованиям подвергаются почвенные биосистемы рекреационных, городских и промышленных территорий. Выражается это прежде всего в перераспределении биологической активности почв в пределах почвенного профиля в более глубокие слои; доминировании в рекреационных почвах простейших из группы террибионтов и формировании специфической фауны тестацид со значительной долей кальциефилов в пределах старых городских застроек; по-

давлении в пределах городских территорий группы почвенных желто-зеленых водорослей, широко представленных в почвах целинных аналогов.

10. Предлагаемые приемы биологической диагностики почв применимы для решения вопросов практической экологии, в частности: при интегральной оценке состояния почв, экологическом нормировании и связанных с этим работ в области экологической экспертизы, принятии решений по срокам и интенсивности рекультивационных работ, прогнозировании анропогенного воздействия на окружающую среду, государственного экологического контроля и расчета экологического ущерба.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

1. Сравнительная оценка биологической активности черноземно-луговых и типично-черноземных почв // Проблемы и методы биологической диагностики и индикации почв, М. Наука, 1976, с. 323-325 (в соавторстве).

2. Динамика биологической активности окультуренных почв разной степени оглеения II Сезонная динамика почвенных процессов, Таллин, 1979, с. 40-43 (в соавторстве).

3. Фауна раковинных амеб минеральных гидроморфных почв // Проблемы почвенной зоологии, Минск, "Наука и техника", 1978, с. 288. 7

4. Влияние окультуривания на биологическую активность дерново-подзолистых почв разной степени оглеения // Структурно-функциональные особенности естественных и искусственных биогеоценозов, Днепропетровск, ДГУ, 1978, с. 204-205 (в соавторстве).

5. Изменение некоторых биологических свойств при окультуривании дерново-подзолистых почв II Проблемы взаимодействия общества и природы, Изд=во. Моск. ун-та, 1978, с. 135 (в соавторстве).

6. Изучение простейших методом сканирующей электронной мик роскопии // "Зоол. ж.", 58, вып. 3,1979, с. 419-423 (в соавторстве).

7. Определение биологической активности дерново-подзолисты) заболоченных почв аппликационными методами // "Вестник Москов ского университета", сер. Почвоведение, 2, 1979, с. 63-67.

8. Биологическая активность луговых почв Тамбовского стациона ра // Почвы и продуктивность растительных сообществ, Изд=во Моск. ун-та, вып. 4, 1979, с. 169-188 (в соавторстве).

9. Раковинные корненожки (Testacida) почв И Почвенные простей шие, сер. Протозоология, вып. 5, Л, Наука, 1980, с. 108-142 (в соавтор стве).

10. Влияние окультуренности на сообщества почвенных тестадид // Проблемы почвенной зоологии, 3 кн., Тез. докл. VII-го Всесоюзн. со-вещ., Киев, 1981, с. 267-268.

11. Раковинные корненожки в связи с диагностикой целинных и окультуренных болотных и заболоченных почв // Структура и функции микробных сообществ почв с разной антропогенной нагрузкой, Тез. докл. республ. конф., 17-21 мая 1982 г. Чернигов. Киев, "Наукова думка", 1982, с. 62-64 (в соавторстве).

12. Биологическая активность дерново-подзолистых почв II Микроорганизмы как компонент биогеоценоза, Матер. Всесоюзн. симпозиума. Алма-Ата, 27-29 сентября 1982 г., Каз ГУ, 1982, с. 85.

13. Влияние окультуренности почв на фауну раковинных корненожек (Protozoa, Testacida)H Фауна и экология почвенных беспозвоночных Московской обл., М., Наука, 1983, с. 156-162 (в соавторстве).

14. Почвообитающие простейшие раковинные амебы (Testacida Protozoa)как индикатор загрязнения почв тяжелыми металлами // Роль подстилки в лесных биогеоценозах, Тез. докл. Всесоюзн. совещ. Красноярск, 14-16 сентября 1983 г., М., Наука, 1983, с. 230 (в соавторстве).

15. Применение биологических методов для диагностики почв // Современные методы исследования почв, Тез. докл. Всесоюзн. конф. Язд=во. Моск. ун-та, 1983, с. 81 (в соавторстве).

16. Индикация загрязнения почв тяжелыми металлами с помощью ючвенных простейших (раковинных амеб) // Проблемы почвенной ¡оологии. Тез. докл. VIIl-го Всесоюзн. совещ., книга I, Ашхабад, 1984,

171 (в соавторстве).

17. Почвенные простейшие (раковинные амебы) как возможный шдикатор загрязнения почв тяжелыми металлами // Антропогенное ¡оздействие на окружающую среду, Пущино, 1984, с. 19 (в соавторстве).

18. Тяжелые металлы в почвах и растительности в районах меде-лавильного производства // Влияние промышленных предприятий на кружающую среду, Тез. докл. Всесоюзн. школы, Пущино, 1984, с. 813 (в соавторстве).

19. Распространение тяжелых металлов в почве и растительности в районе предприятий тяжелой металлургии // Тез. докл. VII-го Делегатского съезда Всесоюзн. Общества почвоведов, том 2, Ташкент, 1985, с. 164 (в соавторстве).

20. Исследование раковинных амеб в бурых лесных почвах, загрязненных ртутью // Тез. докл. IX-го Междунар. коллоквиума по почвенной зоологии, Москва, МГУ, 16-20 августа 1985 г., с. 311.

21. Биологическая активность как показатель состояния и плодородия почв: биологическая диагностика почв // Тез. докл. совещания по Биологическим основам управления биопродуктивностью аг-роценозов и плодородием почв, Пущино, 1986, с. 8 (в соавторстве).

22. Биологические индикаторы почвенных условий // Ландшафтная индикация для рационального использования природных ресурсов, Тез. докл. Всесоюзн. совещ., Изд=во. Моск. ун-та, 1986, с. 77-79 (в соавторстве).

23. Изменение биологической активности дерново-подзолистой почвы, загрязненной свинцом // Общие проблемы биогеоценологии, II часть, М., 1986, с. 47-48 (в соавторстве).

24. Почвы природных зон европейской части СССР // Практическое руководство по учебной зональной практике по маршруту Москва - Крым - Молдавия, часть I, Москва, Изд=во. Моск. ун-та, 1986, 102 с. (в соавторстве).

25. Раковинные амебы (Protozoa, Testacida) /I Биогеоценозы альпийских пустошей, М., Наука, 1987, с. 45-46.

26. Морфологическая адаптация раковинных амеб в условиях антропогенных ландшафтов // Проблемы почвенной зоологии. Матер, докл. XI-го Всесоюзн. совещ., Тбилиси, "Мацниараба", 1987, с. 348349.

27. Почвы и растительность природных зон СССР // Практическое руководство по учебно-зональной практике по маршруту Москва -Крым - Молдавия, часть II, Москва, Изд=во. Моск. ун-та, 1987, 95 с. (в соавторстве).

28. Использование фауны раковинных амеб // Современные проблемы протозоологии. Тез. докл. IV-ro Всесоюзн. съезда ВОПР, Ленинград, февраль 1987 г., Л., Наука, 1987, с. 80 (в соавторстве).

29. Влияние загрязнения ртутью на фауну раковинных амеб серо-коричневых почв // Тез. докл. Всесоюзн. школы по вопросам экоток-сикологии и охране природы, Рига, 1988, с. 222-224 (в соавторстве).

30. Фауна раковинных амеб тундровых почв в районе металлургического производства // Тяжелые металлы в окружающей среде, Тез. докл. 2-й Всесоюзн. конф., часть II, М., 1988, с. 390 (в соавторстве).

31. Биологическая индикация почвенного раствора как метод почвенного мониторинга II ж. Биологические науки, № 9, 1989, с. 68-72 (в соавторстве).

32. Влияние залповых выбросов меди в условиях атмосферных осадков разной кислотности на биологические и химические свойства почв 'модельный опыт) // Proceedings from the International Conference Struc-:ure and Function of Soil Organisms-Communities with the Influence of \ntropogenous Factors in Ceske Budejovice, 1990, c. 143 (в соавторстве).

33. Биотестирование почвенного раствора // там же, с. 144 (в соавторстве).

34. Экологическое состояние почвенного покрова урбанизирован-1ых территорий (на примере Москвы и Пущино) // Экологические ис-ледования в Москве и Московской области, М., 1990, с. 127-148 (в со-вторстве).

35. Биологическая активность почв города Москвы // Методология кологического нормирования, Тез. докл. Всесоюзн. конф., ч. II, Харь-ов, 1990, с. 107 (в соавторстве).

36. Влияние оксида меди и кислых осадков на биологические и хи-ические свойства почв // Методология экологического нормирова-ия, Тез. докл. Всесоюзн. конф., ч. I, Харьков, 1990, с. 124-125 (в соав-эрстве).

37. Определение СО2 почвенного воздуха с помощью вакуумных «иметров // ж. "Вестн. Московского университета". Сер. 17, Почво-:дение, 1991, № 2, с. 39-42 (в соавторстве).

38. Влияние оксида меди и растворов серной кислоты на свойства дерново-подзолистых почв (модельный опыт) // ж. "Почвоведение", № 6,1992, с. 92-100 (в соавторстве).

39. Почвообитающие простейшие как индикатор состояния почвенного раствора//ж. "Цитология",т. 34, 1993, с. 170.

40. Порядок определения размеров ущерба от загрязнения земель химическими веществами // Минприроды России, Роскомзем., Москва, 1993,38 с. (в соавторстве).

41. Состояние научно-исследовательских работ и разработка нормативно-правовых основ охраны почв в Российской Федерации // Результаты совместной работы в области охраны почв, Тез. докл. Российско-Германский симпозиум Москва, 1995, с. 16.

42. Методологические рекомендации по выявлению деградированных и загрязненных земель // Минприроды России, Москва, 1995, с. 50 (в соавторстве).

43. Подход к комплексной характеристике почв антропогенных ландшафтов // Биология почв антропогенных ландшафтов, Тез. докл. науч. конф., Днепропетровск, октябрь, 1991 г., Днепропетровск ДГУ, 1995, с. 36.

44. Временный регламент приемки нарушенных и загрязненных нефтью и сопутствующими пластовыми водами земель после проведения восстановительных работ для Усинского района Республики Коми, Сыктывкар, 1995, 13 с. (в соавторстве).

45. Охрана почв // Сб. нормативных актов, вып. 2, под общ. ред. проф. Н.Г. Рыбальского, Изд. РЭФИА Минприроды России, Москва, 1996,241 с. (в соавторстве).

46. Значение биоразнообразия для диагностики почв // ж. "Почвоведение", № 6, 1996, с. 735 - 742 (в соавторстве).

47. Методические указания по оценке городских почв при разработке градостроительной и архитектурно-строительной документации, Москва, 1996, 36 с. (в соавторстве).

Информация о работе

Яковлев, Александр Сергеевич
доктора биологических наук
Москва, 1997
ВАК 03.00.27

Автореферат

Похожие работы

Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему Биологическая диагностика целинных и антропогенно измененных почв ВАК РФ 03.00.27, Почвоведение

Автореферат диссертации по теме "Биологическая диагностика целинных и антропогенно измененных почв"

Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему
Биологическая диагностика целинных и антропогенно измененных почв
ВАК РФ 03.00.27, Почвоведение