Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Влияние загрязнения тяжелыми металлами на биологическую активность черноземов обыкновенных Северного Приазовья и Западного Предкавказья

ВАК РФ 11.00.11, Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Автореферат диссертации по теме "Влияние загрязнения тяжелыми металлами на биологическую активность черноземов обыкновенных Северного Приазовья и Западного Предкавказья"

РОСТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

_ ¡¿о —г .....

На правах рукописи

V

КОЛЕСНИКОВ СЕРГЕЙ ИЛЬИЧ

ВЛИЯНИЕ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ НА БИОЛОГИЧЕСКУЮ АКТИВНОСТЬ ЧЕРНОЗЕМОВ ОБЫКНОВЕННЫХ СЕВЕРНОГО ПРИАЗОВЬЯ И ЗАПАДНОГО ПРЕДКАВКАЗЬЯ

11.00.11 - охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

Ростов-н а-Дону 1998

Работа выполнена на кафедре экологии и природопользования Ростовского гос} дарственного университета.

Научный руководитель: доктор биологических наук,

профессор В.Ф.Вальков.

Официальные оппоненты: доктор географических наук,

профессор Ю.А. Федоров;

доктор биологических наук, профессор О.С.Безуглова.

Ведущая организация: Южный научно-исследовательский и

проектный государственный институт по землеустройству "ЮжНИИгипрозем"

Защита состоится " " //ал о р -Л 1998 г. в часов на заседание

Диссертационного Совета К 063.52.17 в Ростовском государственном университете по адресу: 344090, Ростов-на-Дону, ул. Зорге, 40, геолого-географический факультет, ауд. 210.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке РГУ по адресу: 344006, Ростов-на-Допу, ул. Пушкинская, 148.

Автореферат разослан " Л-Ь " сы >п лЪр -Л 1998 г.

Ученый секретарь Диссертационного Совета, к.г.н., доцент

Т.А.Смагина

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследований. В настоящее время загрязнение почв тяжелыми металлами (ТМ) приняло глобальный характер. Поступая в почву в больших количествах, ТМ в первую очередь влияют на биологические свойства почвы: снижается общая численность микроорганизмов, сужается их видовой состав (разнообразие), изменяется структура микробоценозов, падает интенсивность основных микробиологических процессов и активность почвенных ферментов и т.д. Кроме того, ТМ способны изменять и более консервативные признаки почв, такие как гумусное состояние, структура, рН и др. Все это в итоге ведет к частичной, а в некоторых случаях к полной утрате плодородия почв.

Учитывая то, что почва является экологическим узлом связей биосферы, обеспечивает сопряжение биологического и геологического круговоротов, нарушение микробиологических и биохимических процессов в ней неизбежно отражается на функционировании экосистемы в целом. Это выражается в падении продуктивности сообществ, снижении скорости микробной деградации органического вещества и т.д. В отдельных случаях значительные территории превращаются в техногенную пустыню.

Устойчивость почвы к загрязнению во многом определяет устойчивость всего ландшафта. Мерой воздействия ТМ на почву и в целом на ландшафт может служить степень снижения биологической активности почвы. Ее показатели следует широко использовать при мониторинге и диагностике загрязнения почв и ландшафтов ТМ.

Среди почв черноземы обладают высокой степенью устойчивости к загрязнению вообще и ТМ в частности. Однако и они не всегда способны противостоять юздействию загрязняющих веществ на их свойства.

Цели и задачи исследований. Главная цель исследований - установить зако-юмерности и географические особенности влияния тяжелых металлов на биологи-гескую активность и другие свойства черноземов обыкновенных Северного При-ьзовья и Западного Предкавказья.

В соответствии с целью были поставлены следующие задачи:

1.Изучить влияние тяжелых металлов на численность основных групп починных микроорганизмов, состав и структуру почвенных микробоценозов, интен-ивностъ основных микробиологических процессов, ферментативную активность, умусное состояние, содержание в почве доступных для растений форм азота и юсфора, фитотоксичность почвы и другие свойства чернозема обыкновенного.

2.Изучить зависимость изменения биологической активности от природы металла, содержания его в почве, химической формы соединения, срока от момента загрязнения, а также оценить разницу раздельного и совместного действия ТМ.

3.Установить взаимосвязь показателей биологической активности между собой и содержанием в почве ТМ.

4.0пределить наиболее информативные показатели биологической активности для мониторинга и диагностики загрязнения почв ТМ.

5.Исследовать географические закономерности устойчивости почв к загрязнению тяжелыми металлами внутри подтипа черноземы обыкновенные и черноземов по сравнению с другими почвами.

Материалы и методы исследований. В основу диссертации положены материалы, полученные лично автором или под его руководством в результате полевых, модельных и лабораторно-аналишческих исследований (1993-1998 гг.). В работе также использованы литературные и фондовые материалы по данной теме.

В настоящей работе объектами исследования выступают ландшафты, почвы, растения, микроорганизмы, их свойства и взаимодействие с ТМ, а также географические особенности этого взаимодействия. Исследование является комплексным, на стыке многих наук - почвоведения, агрохимии, микробиологии, биохимии, экологии, геохимии, географии.

В основу исследований был положен системный подход к познанию природных объектов и явлений, разработанный основателем генетического почвоведения - В.В. Докучаевым. Анализировался комплекс природных объектов и процессов, определяющий биологические свойства почвы и их устойчивость к антропогенным нагрузкам. В исследовании также использованы сравнительно-географический и профильно-генетический методы, методы полевых и лабораторных исследований, метод моделирования, метод районирования и др.

Подробная характеристика материалов и методов исследования приведена ниже, в главе "Объекты и методы исследований".

Личный вклад автора. Все полевые, модельные и лабораторно-аналитические исследования проведены лично автором или под его руководством. По результатам исследований автором или научным коллективом с участием автора написан ряд научных работ, где, отчасти, проанализирован полученный материал и определены основные результаты диссертации.

Научная новизна работы. Впервые выполнено подробное комплексное исследование влияния ТМ на биологическую активность и другие свойства черноземов Северного Приазовья и Западного Предкавказья. Впервые одновременно ис-

следован большой комплекс микробиологических и биохимических показателей биологической активности почвы и их динамика, набор нескольких металлов и их различных химических форм, широкий диапазон содержания, металлов в почве. Предложен набор наиболее информативных показателей биологической активности 'ШЯ мониторинга и индикации загрязнения почв ТМ. Предложен интегральный метод оценки изменения биологической активности почвы. Проанализированы географические закономерности изменения устойчивости к загрязнению ТМ внутри годтипа черноземы обыкновенные и чернозема по сравнению с другими почвами.

Практическая значимость. Материалы исследований могут быть исполь-юваны и уже используются при мониторинге и диагностике биологической актив-юсти почв и их загрязнения ТМ природоохранными и научными организациями, а акже при преподавании дисциплин по биологии, экологии, географии почв и ох->ане окружающей среды в ВУЗах соответствующего профиля.

Основные защищаемые положения:

•Загрязнение высокими дозами ТМ в большинстве случаев ведет к сниже-1иго биологической активности чернозема обыкновенного. Однако в ряде случаев [аблюдается увеличение некоторых отдельных ее показателей.

•На основе набора наиболее информативных показателей биологической ак-ивности почвы следует определять суммарное изменение последней. Среднее зна-ение выбранных показателей при загрязнении чернозема ТМ, как правило, снижа-тся, в то время как отдельные показатели биологической активности почвы могут величиваться.

•По отношению к средним значениям биологической активности чернозема быкновенного ТМ образуют следующий ряд токсичности: Н^>=01>7п=Си>=РЬ. [аиболее, токсичными являются и С&

•Биологическая активность почв Северного Кавказа снижается в следующем яду. чернозем обыкновенный (предкавказский) > чернозем обыкновенный :евероприазовский) > чернозем выщелоченный слитый > серая лесостепная почва бурая лесная почва. Данная закономерность определяется, прежде всего, измене-ием содержания и запасов в почве гумуса.

•В географическом аспекте устойчивость биологических свойств почвы к за-шнению ТМ внутри подтипа черноземы обыкновенные при прочих схожих гене-(ческих свойствах детерминируется содержанием в почве гумуса.

•Географическое положение черноземов обусловило формирование таких ге-пических свойств этих почв (высокое содержание гумуса, высокая емкость початого поглощающего комплекса, окислительные условия, нейтральная рН и др.,

способствующих переводу ТМ в неподвижные и нетоксичные для микроорганизмов формы), которые определяют их высокую устойчивость к загрязнению ТМ пс сравнению с большинством других почв.

Апробация работы. Материалы диссертации были представлены на Научных конференциях аспирантов и соискателей РГУ (Ростов н/Д, 1994; 1996), на Объединенных научных сессиях биолого-почвепного факультета, НИИ НК и НИБИ Ростовского государственного университета (Ростов н/Д, 1995; 1996), на Международных студенческих научных конференциях "Экология и регион", "Город и экология", "Экология и здоровье человека" (Ростов н/Д, 1995; 1996, 1997), на Международной научно-практической конференция "Экология и современность" (Ростов н/Д, 1995), на II Всероссийском съезде общества почвоведов РАН (Санкт-Петербург, 1996), на I Всероссийском совещании "Проблемы почвенной зоологии" (Новороссийск, 1996), на IV Всероссийской студенческой конференции "Экология и проблемы защиты окружающей среды" (Красноярск, 1997), на Международной студенческой конференции "Кризис почвенных ресурсов: причины и следствия" (Санкт-Петербург, 1997), на Всероссийской научной конференции "Микробиология почв и земледелие" (Санкт-Петербург, 1998), на Всероссийской научной конференции "Антропогенная деградация почвенного покрова и меры ее предупреждения" (Москва, 1998), на Международной научной конференции "Слитые почвы: генезис, свойства, социальное значение" (Майкоп, 1998), на 16 Международном конгрессе по почвоведению (Франция, Монтпелье, 1998).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 29 работ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 208 страницах машинописного текста; состоит из введения, 6-та глав, выводов, списка литературы и приложения; содержит 17 таблиц, 24 рисунка и 47 приложений. Список литературы включает 315 источников, из них 65 на иностранных языках.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

ГЛАВА 1. СТЕПЕНЬ ИЗУЧЕННОСТИ ВОПРОСА И ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 1.1 Загрязнение почв тяжелыми металлами

Незамкнутость в большинстве случаев техногенного круговорота приводит к загрязнению окружающей среды различными химическими веществами.

К тяжелым металлам (ТМ) относят более 40 химических элементов периодической системы Д.И. Менделеева, масса атомов которых составляет свыше 50-ти атомных единиц (а. е. м.). Сложившееся понятие "тяжелые металлы" не является строгим. Среди ТМ многие являются микроэлементами, биологически важными

для живых организмов. Однако избыточное содержание ТМ в различных объектах биосферы оказывает токсическое действие на живые организмы.

Почва - это весьма специфический комплекс биосферы, так как она не только геохимически аккумулирует компоненты загрязнений, но и выступает как природный буфер, контролирующий перенос химических элементов и соединений в атмосферу, гидросферу и живое вещество. Большая часть ТМ закрепляется в гумусовых горизонтах почвы. Продолжительность пребывания загрязняющих компонентов в почве значительно больше, чем в других частях биосферы, и загрязнение почвы, особенно ТМ, практически вечно.

Сложен вопрос нормирования содержания ТМ в почве. В основе его решения должно лежать признание полифункциональности почвы. В процессе нормирования почва может рассматриваться с различных позиций: как естественное природное тело, как среда обитания и субстрат для растений, животных и микроорганизмов, как объект и средство сельскохозяйственного и промышленного производства, как природный резервуар, содержащий патогенные микроорганизмы. Нормирование содержания ТМ в почве необходимо проводить на основе почвенно-экологических принципов, которые отрицают возможность нахождения единых значений для всех почв.

1.2 Биологическая активность почвы Под биологической активностью почвы следует подразумевать интенсив-гость протекающих в ней биологических процессов. Биологическая активность ючвы обусловлена сум мари им содержанием в почве определенного запаса ферментов.. - . . , ■ ' , --■ '•' •

В. качестве, показателей биологической активности почв используются: чис-генность и биомасса .разных групп почвенной-биоты; их продуктивность, фермен-:ативная активность почв, активность основных процессов, связанных с круговорота элементов, некоторые энергетические данные, количество и Скорость накопле-шя некоторых продуктов жизнедеятельности почвенных организмов.

Важной, особенностью показателей биологической активности почв является [х значительное пространственное и временное варьирование. < 1

1.3 Влияние загрязнешш тяжелыми металлами на биологическую активНОСТЬ ПОЧВЫ- :

Небольшие концентрации ТМ могут стимулировать развитие тех или иных гикроорганизмов. При увеличении концентрации ТМ начинает проявляться их оксическое действие, которое заключается в ингибировании их метаболизма:

ТМ оказывают значительное влияние на общую численность, видовой состав и активность почвенной микрофлоры, активность биохимических процессов в почве.

ГЛАВА 2. УСЛОВИЯ ПОЧВООБРАЗОВАНИЯ, ГЕОГ РАФИЯ И СВОЙСТВА ЧЕРНОЗЕМОВ ОБЫКНОВЕННЫХ 2.1 Физико-географические условия района исследований

Северную часть Азово-Кубанской низменной равнины, соответствующую ареалу черноземов обыкновенных, занимает лёссовая эрозионно-аккумулятивная равнина. Почвообразующие породы исследуемого района представлены преимущественно карбонатными лёссовидными глинами и суглинками. Наиболее характерные черты климата: умеренная контииенталыюсть; мягкая, малоснежная, с частыми оттепелями зима, умеренно жаркое лето н значительная продолжительность безморозного и вегетационного периодов, высокая сумма положительных температур. В недавнем прошлом северная часть Азово-Кубанской равнины была занята преимущественно бобовниково-разнотравно-злаковой степью с высоким густым травостоем. В настоящее время степень распаханности территории достигает 90 %.

2.2 Географическое расположение черноземов обыкновенных

В настоящей работе исследованы черноземы обыкновенные южноевропейской фации. Согласно почвенно-геофафическому районированию страны они относятся к Предкавказской провинции. По географическому положению основные массивы исследуемых почв расположены в юго-западной и южной частях Ростовской области и северной части Краснодарского края. В классификациях 30-60-х годов черноземы обыкновенные, расположенные в Западном Предкавказье, назывались черноземы предкавказские, а расположенные в Северном Приазовье - черноземы североприазовские. В настоящее время эти почвы включены в подтип черноземы обыкновенные.

2.3 Генетические особенности и свойства чернозема обыкновенного

Черноземы Предкавказской почвенной провинции отличаются существенным своеобразием. Относительно влажный и теплый климат определяет длительность биологических процессов, не затухающих в течение года. Формирование этих почв протекало под буйной степной растительностью. В процессе почвообразования продуцировалось значительное количество органического вещества. Благоприятные физические свойства почв обусловливают глубокое проникновение корневых систем и глубокую гумусность профиля.

Для черноземов обыкновенных характерно образование и накопление гумат-ного насыщенного кальцием гумуса, миграция карбонатов с образованием карбонатного иллювиального горизонта, выщелачивание (вымывание) легкорасгвори-мых солей, оглинивание.

Черноземы обыкновенные Северного Приазовья, характеризуясь принципиальным сходством с одноименными черноземами Западного Предкавказья, обладают отличительными особенностями, главная из которых уменьшение мощности гумусового профиля.

Для черноземов обыкновенных южно-европейской фации характерно наличие карбонатов с поверхности или в пределах верхних 30 см, появление обильной карбонатной плесени в гумусовом горизонте, а ниже белоглазки, тяжелосуглнни-стый или легкоглинистый гранулометрический состав, содержание гумуса в пахотном горизонте в среднем 4 %, проникновение гумуса на большую глубину и, как следствие, большие запасы гумуса в почве, нейтральные или слабощелочные условия, высокая емкость почвенного поглощающего комплекса.

Высокая поглотительная способность предопределяет прочное закрепление в почвенной массе металлических катионов, в том числе металлов-загрязнителей. Их миграция по профилю практически исключается. Почвенный профиль и, особенно, его верхние горизонты становятся для них геохимическим барьером.

Благоприятные климатические условия и большое количество поступающего в почву органического вещества обусловливают высокую биологическую активность черноземных почв. Это выражается в большой численности почвенных микроорганизмов, их высокой активности, накоплении больших запасов гумуса и т.д.

ГЛАВА 3. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ 3.1 Методика полевых и модельных нсследовмшй

В качестве объекта исследования был использован чернозем обыкновенный южноевропейской фации. Полевые исследования и отбор почвы для модельных эпытов были проведет,! на территории Ростовской области и Краснодарского края [опытный участок кафедры почвоведения и агрохимии РГУ в Ботаническом саду г. Ростова-на-Дону, опытно-полевое хозяйство РГУ в с. Недвиговка, опорный пункт Краснодарского НИИ Агрохимии и почвоведения в с. Газьгрское Краснодарского срая, Абинская станция ВИТИМ НПО "Табак" в п. Черноморский Краснодарского фая). Почва для модельных экспериментов была отобрана из горизонта А^х.

В настоящей работе большое значение было уделено модельным опытам, по-жольку только таким методом было возможно решение поставленных задач. Для лодельных опытов в качестве загрязняющих веществ были выбраны Си, 7м, С(1, Нц,

Pb. В почву ТМ вносились в форме различных химических соединений: оксидов, ацетатов, хлоридов, нитратов, сульфатов. Изучалось действие разных концентраций ТМ в почве: 1, 2, 5, 10, 100 ПДК и другие значения. Каждый металл вносился отдельно в количестве, доводящем его содержание в почве до исследуемого значения. Кроме того, изучалось совместное действие ТМ, доя чего почва загрязнялась смесью из пяти металлов. При этом исходили из литературных данных (Орлов и др., 1991), что ПДК для Си составляет 100 мг/кг почвы, Zn - 300 мг/кг, Cd - 3 мг/кг, Hg - 2 мг/кг, РЬ - 100 мг/кг. Модельные опыты проводились в трехкратной повторно-сти. Для изучения динамики изменения биологической активности образцы почвы для анализов отбирались через различные промежутки времени от момента загрязнения: 3, 7, 15,30,45, 180, 360 суток.

В ходе полевых исследований на территории ОПХ "Газырское" не было произведено специального загрязнения почвы ТМ, а было исследовано их распределение по полям хозяйства и влияние на биологическую активность чернозема. В Ботаническом саду РГУ были проведены микроделяночные полевые опыты по изучению влияния ТМ на свойства почвы и растения. В полевых исследованиях изучали те же металлы, что и в модельных опытах, но более низкие их концентрации.

3.2 Методика использования тяжелых металлов В настоящем исследовании в основном изучали следующие ТМ: Си, Zn, Cd, Hg, Pb. Последние три считаются наиболее опасными. В то же время медь и цинк являются относительно хорошо изученными.

Для того чтобы сопоставить силу воздействия различных ТМ на биологическую активность почвы за систему отсчета количества ТМ в почве была принята их предельно допустимая концентрация (ПДК), а не количество элемента в мг/кг почвы. Это было сделано из соображения, что разные металлы содержатся в почве в различных, несопоставимых, если их выражать в мг, количествах, различающихся на два порядка, а кроме того, обладают различной степенью токсичности.

В исследовании предпринята попытка проанализировать весь диапазон высоких концентраций ТМ, встречающийся в почве.

3.3 Методы определения биологической активности Лабораторно-аналитические исследования проведены с использованием общепринятых в почвоведении и биологии методов.

Численность бактерий, актиномицетов и микроскопических грибов учитывали методом посева почвенной суспензии на плотные питательные среды. На МПА (мясо-пептонный агар) выделяли бактерии, использующие органический азот, на КАА (крахмало-аммиачный агар) - бактерии, использующие минеральный азот, и

актиномицеты. Численность спорообразующих бактерий учитывали на МПА из предварительно пастеризованной суспензии. Численность грибов учитывали на кислой среде Чапека. Бактерии p. Azotobacter учитывали методом комочков обрастания на среде Эшби. О структурных изменениях комплекса почвенных микромице-тов судили по изменению радиальной скорости роста колоний. Численность бактерий в почве также учитывали методом прямого люминесцентного микроскопиро-вания по Звягинцеву и Кожевину (1978). Микроскопироваиие велось на микроскопе Л ЮМ АМ-И1.

"Дыхание" почв определяли по Макарову в модификации Галстяна (1961). Целлюлозолитическую способность определяли по степени разложения хлопчатобумажного полотна. Интенсивность накопления свободных аминокислот фиксировали по их количеству на хлопчатобумажном полотне. С помощью экспресс-метода Аристовской и Чугуновой (1989) измеряли скорость разложения в почве мочевины.

О ферментативной активности почв судили по активности каталазы, инвер-тазы, фосфатазы и уреазы. Активность каталазы и уреазы измеряли по методикам Галстяна (1978), инвертазы и фосфатазы - по методам Галстяна в модификации Хазиева (1990).

Общий гумус определяли по методу И.В. Тюрина в модификации Орлова-Гриндель со спектрофотометрическим окончанием. Углеводы учитывали по методу Дюбуа в модификации Артемьева. По методу И.В. Тюрина в модификации В.В. Пономаревой и Т.А. Плотниковой (1968) определяли содержание гуминовых и фульвокислот первой фракции и их отношение.

Содержание в почве аммиачного азота определяли с использованием реактива Несслера, нитратного азота - по Грандвалъ-Ляжу, подвижных соединений фосфора - методом Мачигина.

О фитотоксичности почв судили по изменению показателей прорастания семян (всхожесть, энергия прорастания, дружность прорастания, скорость прорастания) и интенсивности начального роста проростков (длина корней, длина зеленых проростков, масса корней, масса зеленых проростков). В качестве тест-объектов использовали озимую пшеницу, редис и другие культуры.

рН и Eh почв определяли потенциометрическим методом.

В настоящем исследовании использовали широкий набор показателей биологической активности почвы, поскольку каждый из них отражает лишь какую-то одну сторону биологических процессов в почве. Для их объединения применили модифицированный метод оценки различных свойств почвы, предложенный итальянским ученым Д. Ацци (1959). Данный метод позволяет определить биологические показатели в совокупности. Для этого значение каждого из показателей на контроле

(в незагрязненной почве) принимали за 100 и по отношению к нему выражали в процентах значения в остальных вариантах опыта (в загрязненной почве). Затем суммировали относительные значения многих показателей, абсолютные значения которых не могут быть суммированы. Итог выражали в процентах по отношению к контролю.

3.4 Статистическая обработка результатов

Статистическая обработка данных была проведена с помощью определения показателей вариации, дисперсионного и корреляционного анализов. Результаты дисперсионного и корреляционного анализов были использованы при исследовании взаимосвязи и взаимообусловленности происходящих в почве процессов.

ГЛАВА 4. ВЛИЯНИЕ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ НА РАЗЛИЧНЫЕ

ПОКАЗАТЕЛИ БИОЛОГИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ ЧЕРНОЗЕМА ОБЫКНОВЕННОГО 4.1 Изменение микробиологической активности чернозема обыкновенного

По данным люминесцентной микроскопии при загрязнении ТМ численность бактерий в исследуемых черноземах снизилась в подавляющем большинстве случаев.

В тоже время, по данным учета численности микроорганизмов на плотных питательных средах установлено, что ТМ способны оказывать неоднозначное воздействие на общую численность как бактерий, так других групп почвенных микроорганизмов. Они могут, как снижать, так и увеличивать численность микроорганизмов.

Наиболее чувствительными к загрязнению почвы ТМ были бактерии (особенно спорообразующие), в меньшей степени актиномицеты и наименее чувствительными - микроскопические грибы.

Максимальный токсический эффект ТМ на почвенные микроорганизмы проявился в первое время после загрязнения, когда в большинстве случаев их численность существенно упала. Однако по истечении некоторого времени значения численности во многих вариантах опыта резко возросли и превысили контрольные значения, иногда на 2-3 порядка. При этом свою численность в большей степени увеличивали более толерантные к загрязнению ТМ группы микроорганизмов.

Существенным последствием загрязнения почвы ТМ явилось изменение структуры почвенного микробоценоза. При высоких концентрациях в почве ТМ возрастала доля микроскопических грибов и, иногда, актиномицетов.

Изменения произошли и внутри сообществ разных групп почвенных микроорганизмов. Изменения структуры почвенного микробоценоза сопровождались со-

кращением видового разнообразия исследуемых групп микроорганизмов, и особенно микроскопических грибов, с увеличением содержания металлов. Все высокие шачсния численности, превышающие контроль на 1 -3 порядка, были обусловлены развитием узкой группы микроорганизмов, толерантных к действию ТМ.

Загрязнение ТМ в подавляющем большинстве случаев привело к снижению деллюлозолшической способности чернозема обыкновенного и содержания в почве :вободных аминокислот. Результаты влияния ТМ на дыхание почвы отличались )чень значительным варьированием.

При загрязнении чернозема обыкновенного ТМ скорость разложения моче-шны снижалась во всех случаях в большей или меньшей степени в зависимости от удержания металла в почве и формы его химического соединения. С увеличением сонцентрации ТМ скорость разложения уменьшалась.

4.2 Изменение ферментативной активности чернозема обыкновенного

Воздействие ТМ на каталазу, ийвертазу, уреазу и фосфатазу было принципи-[льно похоже. ТМ в подавляющем большинстве случаев ингибировали действие [сследуемых ферментов. Ингибирование внутриклеточных и почвенных ферментов :вляется характерным свойством ТМ (Левин и др., 1989; Трошин, Уделыюва, Яго-дан, 1990). Только в редких случаях было отмечено усиление каталазной и инвер-азной активности и только при содержании 1 ПДК металлов в почве.

Значения активности каталазы и уреазы отличались меньшим варьированием ю сравнению с фосфатазой и, особенно, инвертазой. В связи с этим, при измерении кгавности двух последних ферментов следует соблюдать большую повторность пыта.

4.3 Изменение гумусного состояния чернозема обыкновенного

Загрязнение чернозема обыкновенного ТМ в ряде случаев приводит к изме-ению содержания как относительно лабильной составляющей органического ве-|сстаа почвы - углеводов, так и консервативного признака почвы - общего содер-гания гумуса. Кроме того, загрязнение ТМ существенным образом изменяет соот-ошение гуминовых и фульвокислот в I фракции гумуса. ТМ могут, как увеличи-ать, так и снижать значения исследованных показателей. Загрязнение почвы ТМ ызывает увеличение алифатизации гумуса (Гришина, 1990), что ведет к увеличе-ию содержания углеводов и повышению степени окисляемости гумуса и соответ-гвенно значений

4.4 Влияние тяжелых металлов на содержание подвижных форм азота и фос-

фора

Загрязнение чернозема обыкновенного ТМ может, как значительно умень шать, так и значительно увеличивать содержание в нем подвижных форм азота ] фосфора. Загрязнение чернозема ТМ оказывает большое влияние на содержание динамику И:, соотношение таких важных показателей эффективного плодороди: почвы, как доступные формы азота и фосфора, что необходимо учитывать при воз делывании сельскохозяйственных культур. ■ '

4.5 Влитше тяжелых металлов на фнтотоксич!гость чернозема обыкновен-

ного

Содержание в почве в больших количествах даже тех металлов, чья физиоло гнческая роль к настоящему времени не установлена, может не только не оказывап фитотоксического воздействия, но и стимулировать рост и развитие растений. Этс явление может объясняться косвенным влиянием тяжелых металлов, например, че рез воздействие их на некоторые биохимические и микробиологические процессы i почве, в результате чего, возможно, улучшение питательного режима растений. С другой стороны, это может быть связано с уменьшением токсичности почвы, обусловленной деятельностью почвенных микроорганизмов, в результате снижения и> численности при загрязнении почвы тяжелыми металлами.

Наиболее информативными из исследованных показателей являются показатели интенсивности начального роста семян (особенно, длина или масса корней). Показатели прорастания семян (всхожесть, энергия, дружность и скорость прорастания) целесообразно использовать в случае высокой фитотоксичности почвы.

4.6 Влияние тяжелых металлов на кислотно-щелочные и окислительно-восстановительные условия в черноземе обыкновенном

Оксиды металлов (за исключением высоких концентраций оксида цинка) практически не влияли на рН среды. При поступлении ТМ в почву в форме солей существенную роль играл вид аниона. Ацетаты и нитраты металлов, если и изменяли рН, то в значительно меньшей степени по сравнению с хлоридами и сульфатами, которые существенно подкисляли среду в результате гидролиза.

При загрязнении ТМ изменение Eh почвы практически полностью определяется изменением рН. Загрязнение ТМ не сказывается существенным образом на окислительно-восстановительном балансе чернозема обыкновенного и на доминирование в нем окислительных процессов.

ГЛАВА 5. ЗАВИСИМОСТЬ ИЗМЕНЕНИЯ БИОЛОГИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ ЧЕРНОЗЕМА ОБЫКНОВЕННОГО ОТ РАЗЛИЧНЫХ ФАКТОРОВ ЗАГРЯЗНЕНИЯ 5.1 Динамика изменения биологической активности

Принято, что характерным признаком незагрязненных почв является широкая просгранственная и временная вариабельность изменения всех основных микробиологических параметров, обусловленная естественными причинами 'Звягинцев, Голимбет, 1983), в то время как при загрязнении почв ТМ эта вариабельность значительно снижается (Левин и др., 1989). Нами зафиксирована значительная (до 100-1000 раз и более) временная вариабельность общей численности гсследуемых групп микроорганизмов, а точнее узкой группы доминирующих микроорганизмов, в сильно загрязненной почве (10-100 ПДК) во временном интервале >т 3 суток до 6 месяцев от момента загрязнения. (В незагрязненной почве числен-юсть микроорганизмов изменялась лишь в 2-3 раза.) Менее сильное, но тоже зна-штелыгое временное варьирование было отмечено в загрязненной ТМ почве и для (ругих показателей биологической активности. Причина усиления варьирования, »чевидно, заключается в существенной перестройке микробоценоза почв, вызван-юго ТМ и растянутого во времени. Видимо, усиление природного временного 1арьирования характерно при однократном поступлении ТМ в почву. При равно-icpiroM регулярном поступлении ТМ почвенный микробоценоз стабилизируется и 1арьирования, вызванного этой причиной, не происходит.

5.2 Построите рядов металлов по степени их токсичности Для изучения влияния на биологическую активность почвы природы метал-;а-загрязнителя можно построить ряд металлов в зависимости от степени их влия-[ия на тот или иной показатель. Содержание металла в почве можно выразить в аб-олютных значениях (мг/кг почвы) или в относительных (ПДК металла в почве). 1оследний способ целесообразно использовать для сравнения элементов с различим кларком в почве, нормой содержания и соответственно различным порогом онцентрации, за которым проявляются его токсические свойства. Поэтому можно остроитъ два ряда токсичности ТМ: с единицей измерения содержания металла в очве - мг/кг почвы и с единицей измерения - ПДК.

Не одинаковы ряды металлов, полученные при различном содержании ме-1лла в почве, разных сроках экспозиции металла в почве, разных формах химиче-ких соединений металлов. Это свидетельствует о том, что влияние ТМ на биологи-ескую активность почвы зависит от вышеперечисленных факторов. Кроме того, азличные показатели биологической акгавности по-разному реагируют на одни и

те же параметры загрязнения. В связи с этим, возможно несовпадение рядов ток сичности металлов, полученных различными исследователями.

Следуя сути ДДК, ряд, основанный на' нем, должен иметь знаки равенств; между элементами, что было получено крайне редко. Это лишний раз подтверждав! огромную сложность проблемы разработки ПДК для почвы и несовершенство существующих ПДК.

5.3 Использование различных показателем биологической активности в це-

лях мониторинга и биодиагностики почв

Для мониторинга и диагностики загрязнения почв ТМ следует использован определенные показатели, т.к. не все они одинаково реагируют на внешнее воздействие. В первую очередь следует определять биохимические показатели как более чувствительные и менее варьирующие по сравнению с микробиологическими. Из изученных в настоящем исследовании показателей рекомендуются показатели изменения ферментативной активности (каталазы, уреазы, инвертазы, фосфатазы), скорости разложения мочевины, целлюлозоразрушающен активности, интенсивности накопления свободных аминокислот. Хорошие результаты дало использование отношения численности бактерий по данным микроскопии к численности по посеву (к = М / Р) как показателя сукцессионных процессов в почве.

Малопригодными для мониторинга и биоиндикации загрязнения черноземов ТМ являются показатели общей численности основных групп почвенных микроорганизмов без определения их видового состава или структуры микробоценоза, в связи с их значительным пространственным и временным варьированием.

Не следует использовать какой-либо один показатель. Необходимо определение суммарного изменения биологической активности почвы.

5.4 Определс1ше суммарного изменения биологической активности почвы

На основе набора наиболее информативных биологических показателей, рекомендуемых к использованию в целях мониторинга и биодиагностики влияния загрязнения ТМ на биологическую активность почв, можно определить суммарное изменение последней.

На основе результатов исследования можно сравнить влияние на биологическую активность почвы различных ТМ, построив ряд металлов в зависимости от степени их воздействия. Если выразить содержание ТМ в почве в относительных значениях, т.е. в ПДК металла в почве, можно построить 3 ряда токсичности, различных для 1, 10 и 100 ПДК: 1 ПДК: гп=Си=Сс1=РЬ>Н£ 10 ПДК: гп>РЬ>Си>С(1>^; 100 ПДК: гп>Си>РЬ>Н^СМ. Результирующий ряд токсичности

юсле некоторого обобщения можно представить следующим образом:

^п>си>=рь>са>=н&

Если выразить содержание ТМ в почве в абсолютных значениях, т.е. в мг/кг точвы, образуемый ряд будет выглядеть следующим образом: Н{»=С(1^п=Си>=РЬ. Следует учитывать, что этот ряд справедлив только в случае содержания металлов в гочве порядка 100-300 мг/кг.

При содержании в почве 1 ПДЬС ТМ между элементами в ряду токсичности южно поставить знак равенства, т.е. степень их влияния на суммарную биологическую активность достаточно близка, в то время как отдельные показатели биологи-[еской активности почвы могут значительно варьировать. Таким образом, сущест-|ующие ПДК ТМ в почве сравнительно хорошо соотносятся между металлами (по грайней мере, для черноземов). Однако при содержании в почве 1 ПДК ТМ часто [роисходит снижение биологической активности на 10-20 % и более. Если прово-;ичъ нормирование содержания ТМ в почве как природном теле или среде обита-[ия живых организмов, такое снижение биологической активности почвы недопус-имо. Следовательно, существующие значения ПДК с этой позиции слишком высо-и.

ГЛАВА 6. ГЕОГРАФИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ИЗМЕНЕНИЯ БИОЛОГИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ ЧЕРНОЗЕМА ОБЫКНОВЕННОГО

ПРИ ЗАГРЯЗНЕНИИ ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ 6.1 Географические закономерности изменения биологической активности основных почв Северного Кавказа

Сравнительно-географическому анализу были подвергнуты почвы степных айонов равнин (черноземы обыкновенные североприазовские и предкавказские), гсостепи предгорий (черноземы выщелоченные слитые и серые лесостепные поч-ы) и лесов низких гор (бурые лесные почвы). Черноземы обыкновенные :евероприазовские), черноземы обыкновенные (предкавказские), черноземы выще-эченные слитые, серые лесостепные и бурые лесные почвы на территории Север-ого Кавказа располагаются последовательно с севера на юг. При этом наблюдается Зратная равнинной последовательность расположения почв (почвы степей — поч-л лесостепи — лесные почвы), обусловленная нарастанием количества осадков по ере приближения к Большому Кавказу.

Результаты расчетов показали, что наивысшей биологической активностью I изученных почв обладает чернозем обыкновенный (предкавказский). Биологиче-сая активность пахотного горизонта почв Северного Кавказа убывает в следую-ем ряду: чернозем обыкновенный (предкавказский) (100 %) > чернозем обыкно-

венный (североприазовский) (63 %) > чернозем выщелоченный слитый (60 %) > се рая лесостепная почва (53 %) > бурая лесная почва (22 %). Данная закономерности определяется прежде всего, изменением содержания в почве гумуса.

Оценка суммарной биологической активности почвы близка к оценке уровш плодородия. То есть, по изменению биологической активности почвы можно судить об изменении ее плодородия. Эхо дает возможность рекомендовать показатель суммарной биологической активности для широкого использования при мониторинге и биоиндикации почв, в том числе при изучении антропогенных воздействий, в частности загрязнении почв ТМ.

Снижение содержание гумуса в исследованных почвах при их распашке влечет за собой снижение их биологической активности и устойчивости к загрязнению ТМ.

6.2 Географические закономерности изменения биологической активности внутри подтипа черноземы обыкновенные

Специфической географической особенностью пространственного распространения черноземов обыкновенных Северного Приазовья и, особенно, Западного Предкавказья является однородность структуры почвенного покрова и наличие огромных крупноконтурных элементарных почвенных ареалов (Вальков и др., 1996). Однородность структуры почвенного покрова этих районов определяется относи-тельнрй однородностью условий почвообразования: климата, растительности, рельефа и почвообразующих пород.

Почисшшпуюкров данной территории представлен в основном черноземами обыкновенными, приуррченным,,к ведущим,;элементам ландшафта. Различия в рельефе выразилось,в формировании, лугово-черноземных, пойменных и других почв,, образование которых связано р. депрессиями и речными долинами; Различия в климатических условиях данной территории привело к.видовому, различию внутри подтипа черноземов обыкновенных до содержанию гумуса и мощности гумусовых горизонтов. Нескольку.более,рладный,и .теплый климат Западного Предкавказья обуслов ил формирование здссь^мощных и сверхмощных, черноземов, в то время как в Северном Дриазовье получили, распространение среднемощные виды. Различия в гранулометрическом и минералогическом составах почвообразующих пород и черноземов обыкновенных на. исследуемой территорий незначительны.

Таким образом, несмотря на некоторые различия в условиях почвообразования, формирование крупных массивов черноземов обыкновенных в Северном Приазовье и Западном Предкавказье шло по пути интеграции генетических свойств

почв, а не их дифференциации, что часто характерно для черноземов Средней полосы России.

Несмотря на некоторые различия в гумусном состоянии черноземов обыкновенных Приазовско-Предкавказской почвенной провинции, они обладают близкими биологическими свойствами. Предкавказский чернозем характеризуется несколько большей биологической активностью по сравнению с североприазовским. Эчевидно, это определяется более высоким содержанием в нем гумуса.

Устойчивость биологических свойств почвы к загрязнению ТМ внутри под-гипа черноземы обыкновенные при прочих схожих генетических свойствах опреде-тяется содержанием в почве гумуса.

(>.3 Географические особешюсти биологической устойчивости черноземов по сравнению с другими почвами

Результаты настоящего исследования и многочисленные литературные данное свидетельствуют о том что, устойчивость почвы к загрязнению вообще, и ТМ в [астности, обусловлено генетическими свойствами данной почвы, которые форми->уются под воздействием конкретных факторов почвообразования, соответствую-цих географическому положению почвы.

Географическое положение черноземов обусловило формирование таких ге-сетических свойств этих почв, которые определяют их высокую устойчивость к за-рязнению ТМ. Благодаря таким свойствам черноземов как высокое содержание умуса, высокая емкость почвенного поглощающего комплекса, окислительные ус-ювия, нейтральная рН и др., способствующим переводу ТМ в неподвижные и не-оксичные для микроорганизмов формы, загрязнение высокими дозами ТМ вызы-ает не столь значительное снижение биологической активности черноземов по равнению с большинством других почв.

6.4 Прогноз ухудшения биологических свойств чернозема обыкновенного в результате загрязнении тяжелыми металлами

Однородность почвенного покрова и свойств чернозема обыкновенного Се-ерного Приазовья и Западного Предкавказья позволяет перенести результаты мо-ельных опытов и полевых исследований на весь массив этих почв. На основе кар-ограммы содержания в исследуемых почвах гумуса и результатов настоящего ис-ледования построены прогнозные карты снижения биологической активности чер-оземов обыкновенных южно-европейской фации Ростовской области и Красноярского края в случае их загрязнения 1, 10 и 100 ПДК какого-либо металла.

ВЫВОДЫ

1.Загрязнение высокими дозами ТМ в большинстве случаев ведет к сниже нию биологической активности чернозема обыкновенного. Однако в ряде случае1 наблюдается увеличение некоторых отдельных ее показателей. Действие ТМ зави сит от природы элемента, содержания его в почве, формы химического соединения срока от момента загрязнения.. Совместное действие нескольких ТМ отличается от воздействия отдельных металлов и даже может носить противоположный , характер Зависимость степени воздействия ТМ на биологическую активность от их содержания в почве часто имеет нелинейный характер. ,

2.По степени толерантности к загрязнению чернозема ТМ изученные группы микроорганизмов располагаются следующим образом: микроскопические грибы > акгганомицеты > бактерии > спорообразующис бактерии. В основном максимальный токсический эффект ТМ на почвенные микроорганизмы проявляется в первое время после загрязнения, когда их численность существенно падает. Однако по истечении некоторого времени значения численности во многих случаях могут резко возрастать, превышая контрольные значения, иногда на 2-3 порадка. При этом свою численность в большей степени увеличивают более толерантные к загрязнению ТМ группы микроорганизмов.

3.По степени устойчивости к загрязнению чернозема ТМ изученные ферменты располагаются следующим образом: каталаза > инвертаза > уреаза = фосфатаза.

4.0днократное загрязнение почвы ТМ часто значительно усиливает природное временное варьирование показателей биологической активности, в то время как регулярное поступление в почву ТМ, напротив, снижает вариабель.нреть признака.

5.На основе набора наиболее шгформатвш.гх показателей биологической активности почвы можно определить суммарное изменение последней. Среднее значение выбранных показателей при загрязнении чернозема ТМ, как правило, снижается, в то время как отдельные показатели биологической активности почвы могут увеличиваться. Снижение среднего значения биологической активности для всех металлов в большинстве случаев находится в прямой зависимости от содержания ТМ в почве.

6.Для сравнения влияния на биологическую активность почвы различных ТМ можно построить ряд металлов в зависимости от степени их воздействия на тот или иной показатель. При этом содержание металла в почве можно выразить в абсолютных значениях (мг/кг почвы) или в относительных (ПДК металла в почве). Последний способ целесообразно использовать для сравнения элементов с различным кларком в почве, нормой содержания и соответственно различным порогом

сонцентрации, за которым проявляются его токсические свойства. По отношению к :редним значениям биологической активности почвы можно построить следующие >яды токсичности ТМ:

1ПДК: Zn=Cu=Cd=Pb>Hg 10 ПДК: Zn>Pb>Cu>Cd>Hg

100 ПДК: Zn>Cu>Pb>Hg=Cd

1-100 ПДК: Zn>Cu>=Pb>Cd>=Hg

мг/кг: Hg=Cd>Zn=Cu>=Pb

Таким образом, наиболее сильное снижение биологической активности чер-юзема обыкновенного вызывает загрязнение ртутью и кадмием.

7.При содержании в почве 1 ПДК ТМ между элементами в ряду токсичности южно поставить знак равенства, т.е. степень их влияния на суммарную биологиче-кую активность достаточно близка, в то время как отдельные показатели биологи-еской активности могут значительно" варьировать. Таким образом, существующие начения ПДК ТМ в почве сравнительно хорошо соотносятся между металлами.

8.При содержании в почве 1 ПДК любого из исследованных металлов уже роисходит снижение биологической активности на 10-20 %. Если проводить нор-[ирование содержания ТМ в почве как природном теле или среде обитания живых рганизмов, то такое снижение биологической активности почвы недопустимо. Следовательно, существующие значения ПДК, с этой позиции, слишком высоки.

9.При сравнении рядов металлов по степени их токсичности или рядов пока-1телей биологической активности по степени их устойчивости к загрязнению поч-[>i ТМ, построенных разными исследователями, часто наблюдаются значительные иличия и противоречия. Причины этого заключаются в том, что в разных иссле-званиях часто используются разные концентрации металла в почве, химические ормы металла, сроки экспозиции металла в почве, методы определения показатели биологической активности и, наконец, разные типы почв. Кроме того, различия огут определяться тем, получены данные в лабораторном опыте или полевом ис-гедовании.

10.Биологическая активность почв Северного Кавказа снижается в следую-ем ряду: чернозем обыкновенный (предкавказский) > чернозем обыкновенный евероприазовский) > чернозем выщелоченный слитый > серая лесостепная почва бурая лесная почва. Данная закономерность определяется, прежде всего, измене-г(ем содержания и запасов в почве гумуса.

11 .Географическое положение черноземов обусловило формирование таких нсгических свойств этих почв (высокое содержание гумуса, высокая емкость поч-

венного пох'лощающего комплекса, окислительные условия, нейтральная рН и др способствующих переводу ТМ в неподвижные и нетоксичные для микрооргани: мов формы), которые определяют их высокую устойчивость к загрязнению ТМ п сравнению с большинством других почв.

12.В географическом аспекте устойчивость биологических свойств почвы загрязнению ТМ внутри подтипа черноземы обыкновенные при прочих схожих п нетических свойствах определяется содержанием в почве гумуса.

13.В качестве научно-методических рекомендаций предлагается следующее:

•В целях мониторинга и диагностики загрязнения почв ТМ следует испол!

зовать строго определенные показатели, т.к. не все они одинаково реагируют н внешнее воздействие. В первую очередь следует определять биохимические показа тели как более чувствительные и менее варьирующие по сравнению с микробиолс гическими показателями. Из изученных в настоящем исследовании рекомендуют показатели изменения ферментативной активности (уреазы, каталазы, инвертазы фосфатазы), скорости разложения мочевины, целлюлозоразрушакяцей активности интенсивности накопления свободных аминокислот.

•Малопригодными для мониторинга и биоиндикации загрязнения чернозс мов ТМ являются показатели общей численности основных групп почвенных мик роорганизмов без определения их видового состава или структуры микробоценоза в связи с их значительным пространственным и временным варьированием. В тож( время хорошие результаты дает использование отношения численности бактерий п< данным микроскопии к их численности по посеву в качестве индикатора сукцесси онных процессов в почве.

•О биологической активности почвы не следует судит по какому-либо одно му показателю. При мониторинге и индикации почв, загрязненных ТМ, необходи мо применение комплексного подхода и определение суммарного изменения био логической активности почвы.

По теме диссертации опубликовано 29 работ, основные го которых следующие:

1.Изменение микробиологической активности чернозема обыкновенного по/ влиянием загрязнения тяжелыми металлами // Экология и современность. Материалы международной научно-практической конференции. Ростов-на-Дону. 1995. С. 145.

2.Влияние загрязнения тяжелыми металлами на микрофлору чернозема обыкновенного // Тезисы докладов II съезда общества почвоведов. Санкт-Петербург. 1996. Том 1. С. 263-264.

3.Биологическая характеристика почв Краснодарского края // Проблемы поч-енной зоологии: Материалы докладов I Всероссийского совещания. Ростов н/Д: 1зд-во облИУУ, 1996. С. 50-51. (Соавтор Казеев К.Ш.).).

4.Влияние загрязнения тяжелыми металлами чернозема на прорастание се-1ян и развитие проростков // Город и экология. Материалы II Международной на-чной студенческой конференции. Ростов-на-Дону. 1996. С. 68.

5.Влияние загрязнения тяжелыми металлами на фитотоксичность чернозема ' Агрохимия. 1997. № 6. С. 50-55. (Соавторы: Вальков В.Ф., Казеев К.Ш.).

6.Влияние загрязнения тяжелыми металлами на микроскопические грибы и izotobacter чернозема обыкновенного // Экология. 1997. № 5. С. 388-390. Соавторы: Вальков В.Ф., Казеев К.Ш., Тащиев С.С.).

7.Проблема нормирования загрязнения почв тяжелыми металлами // Эколо-яя и здоровье человека. Материалы III Международной научно-практической сту-гнческой конференции. Ростов-на-Дону. 1997. С. 65-66. (Соавтор Казеев К.Ш.).

8.1nfluence of heavy metal pollution on microscopic fungi and Azotobacter of com-ЮП chernozem// Russian Journal of Ecology. 28 (5). Sept-oct. 1997. P. 345-346. (Valkov .F., Kazeev K.Sh., Taschiev S.S.).

9.Биологическая диагностика почв. Микробиологические методы // Методи-;ские рекомендации для научно-исследовательской работы студентов. Ростов-на-ону: РГУ УПЛ. 1998. 19 с. (Соавтор Казеев К.Ш.).

Ю.Биологическая диагностика почв. Биохимические методы // Методические жомендации для научно-исследовательской работы студентов. Ростов-на-Дону: ГУ УПЛ. 1998. 23 с. (Соавтор Казеев КШ.).

11.Микрофлора почв предгорий Северо-Западного Кавказа // Микробиология >чв и земледелие. Тезисы докладов Всероссийской научной конференции. Санкт-етербург. 1998. С. 64. (Соавтор Казеев К.Ш.).

12.Использование показателей биологической активности при мониторинге и гагностике почв, загрязненных тяжелыми металлами // Антропогенная деградация >чвенного покрова и меры ее предупреждения. Тезисы и доклады Всероссийской мференции. Москва. 1998. Том 1. С. 49-50. (Соавтор Казеев К.Ш.).

13.Гумусовое состояние почв предгорий Северо-Западного Кавказа // Почво-дение. 1998. № 7. С. 848-853. (Соавторы: Казеев К.Ш., Вальков В.Ф.)

14.Change of biological properties North-West Caucasus soils by agricultural use // tmmaries of 16th World Congress of Soil Science. Montpellier. France. 1998. Volume I. 208. (Kazeev K.Sh.)

Текст научной работыДиссертация по географии, кандидата географических наук, Колесников, Сергей Ильич, Ростов-на-Дону

/ } ' < ,

РОСТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

КОЛЕСНИКОВ СЕРГЕЙ ИЛЬИЧ

ВЛИЯНИЕ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ НА БИОЛОГИЧЕСКУЮ АКТИВНОСТЬ ЧЕРНОЗЕМОВ ОБЫКНОВЕННЫХ СЕВЕРНОГО ПРИАЗОВЬЯ И ЗАПАДНОГО ПРЕДКАВКАЗЬЯ

11.00.11 - охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата географических наук

Научный руководитель д. б. н., профессор Вальков В.Ф.

Ростов-на-Дону 1998

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ....................................................................................................................4

1. СТЕПЕНЬ ИЗУЧЕННОСТИ ВОПРОСА.......................................................9

1.1 Загрязнение почв тяжелыми металлами...............................................9

1.2 Биологическая активность почвы.........................................................15

1.3 Влияние загрязнения тяжелыми металлами на биологическую

активность почвы......................................................................................25

2. УСЛОВИЯ ПОЧВООБРАЗОВАНИЯ, ГЕОГРАФИЯ И СВОЙСТВА

ЧЕРНОЗЕМОВ ОБЫКНОВЕННЫХ............................................................40

2.1 Физико-географические условия района исследований................40

2.2 Географическое расположение черноземов обыкновенных..........47

2.3 Генетические особенности и свойства чернозема обык-

новенного.....................................................................................................49

3. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ....................................................................58

3.1 Методика полевых и модельных иследований................................58

3.2 Методика использования тяжелых металлов...................................62

3.3 Методы определения биологической активности............................65

3.4 Статистическая обработка результатов...............................................71

4. ВЛИЯНИЕ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ НА РАЗЛИЧНЫЕ ПОКАЗА-

ТЕЛИ БИОЛОГИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ ЧЕРНОЗЕМА ОБЫКНОВЕННОГО......................................................................................................73

4.1 Изменение микробиологической активности чернозема

обыкновенного............................................................................................73

4.2 Изменение ферментативной активности чернозема обыкно-

венного..........................................................................................................89

4.3 Изменение гумусного состояния чернозема обыкновенного.........93

4.4 Влияние тяжелых металлов на содержание в черноземе

обыкновенном подвижных форм азота и фосфора............................99

4.5 Влияние тяжелых металлов на фитотоксичность чернозема

обыкновенного..........................................................................................103

4.6 Влияние тяжелых металлов на кислотно-щелочные и окис-

лительно-восстановительные условия в черноземе обыкновенном....................................................................................................106

5. ЗАВИСИМОСТЬ ИЗМЕНЕНИЯ БИОЛОГИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ ЧЕРНОЗЕМА ОБЫКНОВЕННОГО ОТ РАЗЛИЧНЫХ ФАКТОРОВ ЗАГРЯЗНЕНИЯ..................................................................................108

5.1 Динамика изменения биологической активности ............................108

5.2 Построение рядов металлов по степени их токсичности...............109

5.3 Использование различных показателей биологической активности в целях мониторинга и биодиагностики почв...............111

5.4 Определение суммарного изменения биологической активности

почвы...........................................................................................................113

6. ГЕОГРАФИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ИЗМЕНЕНИЯ БИОЛОГИ-

ЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ ЧЕРНОЗЕМА ОБЫКНОВЕННОГО ПРИ ЗАГРЯЗНЕНИИ ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ.......................................116

6.1 Географические закономерности изменения биологической активности основных почв Северного Кавказа..............................116

6.2 Географические закономерности изменения биологической активности внутри подтипа черноземы обыкновенные.................123

6.3 Географические особенности биологической устойчивости

черноземов по сравнению с другими почвами.................................134

6.4 Прогноз ухудшения биологических свойств чернозема

обыкновенного в результате загрязнения тяжелыми металлами 134

ВЫВОДЫ...................................................................................................................136

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.....................................................................................140

ПРИЛОЖЕНИЕ.......................................................................................................169

ВВЕДЕНИЕ

Работа является итогом цикла научных исследований, выполненных как лично автором на кафедре экологии и природопользования Ростовского государственного университета, так и совместно с сотрудниками университета, в период с 1993 года по настоящее время.

Актуальность темы

В настоящее время загрязнение почв тяжелыми металлами (ТМ) приняло глобальный характер. Поступал в почву в больших количествах, ТМ в первую очередь влияют на биологические свойства почвы: снижается общая численность микроорганизмов, сужается их видовой состав (разнообразие), изменяется структура микробоценозов, надает интенсивность основных микробиологических процессов и активность почвенных ферментов и т.д. Кроме того, ТМ способны изменять и более консервативные признаки почв, такие как гумусное состояние, структура, рН и др. Все это в итоге ведет к частичной, а в некоторых случаях к полной утрате плодородия почв.

Учитывая то, что почва является экологическим узлом связей биосферы, обеспечивает сопряжение биологического и геологического круговоротов, нарушение микробиологических и биохимических процессов в ней неизбежно отражается на функционировании экосистемы в целом. Это выражается в падении продуктивности сообществ, снижении скорости микробной деградации органического вещества и т.д. В отдельных случаях значительные территории: превращаются в техногенную пустыню.

Устойчивость к загрязнению почвы во многом определяет устойчивость всего ландшафта. Мерой воздействия ТМ на почву и в целом на ландшафт может служить степень снижения биологической активности почвы. Ее показатели следует широко использовать при мониторинге загрязнения почв и ландшафтов ТМ.

Среди почв черноземы обладают высокой степенью устойчивости к загрязнению вообще и ТМ в частности. Однако и они не всегда, способны противостоять воздействию загрязняющих веществ на их свойства. Черноземы играют значительную роль в производстве сельскохозяйственной продукции в регионе и в целом в стране, поэтому снижение их плодородия в результате загрязнения ТМ крайне опасно.

Цель и задачи исследования

Главна,я цель исследований — установил» закономерности и географические особенности влияния тяжелых металлов на биологическую активность и другие свойства черноземов обыкновенных Семерного Приазовья и Западного Предкавказья.

В соответствии с целью были поставлены следующие задачи:

1.Изучтъ влияние тяжелых металлов на численность основных групп почвенных микроорганизмов, состав и структуру почвенных микробоценозов, интенсивность основных микробиологических процессов, ферментативную активность, гумуеное состояние, содержание в почве доступных для растений форм азота и фосфора, фитотоксичность почвы и другие свойства чернозема обыкновенного.

2.Изучить зависимость изменения биологической активности от природы металла, содержания его в почве, химической формы соединения, срока от момента загрязнения, а также оценшь разницу раздельного и совместного действия ТМ.

3.Установить взаимосвязь показателей биологической активности между собой и содержанием в почве ТМ.

4.0предеяитъ наиболее информативные показатели биологической активности для мониторинга и диагностики загрязнения почв ТМ.

5,Исследовать географические закономерности устойчивости почв к загрязнению тяжелыми металлами внутри подтипа черноземы обыкновенные и черноземов по сравнению с другими почвами.

Основные защищаемые положения

•Действие ТМ на биологическую активность чернозема обыкновенного зависит от природы элемента,, содержания его в почве, формы химического соединения, срока от момента загрязнения. Совместное действие нескольких ТМ отличается от воздействия отдельных металлов и даже может носить противоположный

характер.

«На основе набора наиболее информативных показателей биологической активности почвы следует определять суммарное изменение последней. Среднее значение выбранных показателей при загрязнении чернозема ТМ, как правило, снижается, в то время как отдельные показатели биологической активности почвы могут увеличиваться.

®По отношению к средним значениям биологической активности чернозема обыкновенного ТМ образуют следующий рад токсичности: Н§^<Л41>/'в==Си>^РЬ. 'Наиболее токсичными являются и С&

•Биологическая активность почв Северного Кавказа снижается в следующем ряду: чернозем обыкновенный (нредкавказекий) > чернозем обыкновенный (североприазовский) > чернозем выщелоченный слитый > серая лесостепная почва > бурая лесная почва. Данная закономерность определяется, прежде всего, изменением содержания и запасов в почве гумуса.

•В географической! аспекте устойчивость биологических свойств почвы к загрязнению ТМ внутри подтипа черноземы обыкновенные при прочих схожих генетических свойствах детерминируется содержанием в почве гумуса.

©Географическое положение черноземов обусловило формирование таких генетических свойств этих почв (высокое содержание гумуса, высокая емкость почвенного поглощающего комплекса, окислительные условия, нейтральная рН и др., способствующих переводу ТМ в неподвижные и нетоксичные для микроорга-

i-шзмов формы), ко'дарые определяю!' их высокую устойчивость к загрязнению I'M по сравнению с большинством других почв.

Настоящая работа является составной частью комплексного исследования биологических свойств почв Северного Кавказа к их изменения в результате антропогенного воздействия, Диссертационная работа написана по материалам исследований влияния загрязнения тяжелыми метилами на биологическую активность почв,

В настоящей работе объектами исследования выступают ландшафты^ почвы, растения, микроорганизмы, их свойства и взаимодействие с ТМ, а также географические особенности этого взаимодействия. Исследование является комплексным, на с'шке многих наук — почвоведения, агрохимии, микробиологии, биохимии, экологии, геохимии, географии.

В основу исследований был положен системный подход к познанию природных объектов и явлений, разработанный основателем генетического почвоведения .....- В.В, Докучаевым. Анализировался комплекс природных объектов и процессов, определяющий биологические свойства почвы и их устойчивость к антропогенным нагрузкам. В исследовании также использованы сравннтельно-географический и профилыю-генешческий методы, методы полевых и лабораторных исследований, метод моделирования, метод районирования и др.

Основные нолевые исследования и отбор почвы для модельных опытов проведены на территории Ростовской области и Краснодарского края (опытный участок кафедры почвоведения и агрохимии РГУ в Ботаническом саду г. Ростова-на-Дону, опытно-полевое хозяйство РГУ в с. Недвиговка, опорный пункт Краснодарского НИИ Агрохимии и почвоведения в с. Газырекое Краснодарского края, Абни-ская станция ВИТИМ НПО "Табак" в к. Черноморский Краснодарского края). Модельные эксперименты и лабораторио-аналитические исследования проведены

на кафедре экологии и природопользования РГ'У, а также на кафедре почвоведения и агрохимии РГУ при сотрудничестве специалистов вышеназванных кафедр.

Автор глубоко признателен своему учителю доктору биологических наук, заведующему кафедрой экологии и природопользования РГУ профессору В.Ф. Валькову за организацию, постоянную поддержку и внимание к работе, а также доценту С.С. Тащиеву и всем сотрудникам кафедры экологии и природопользования РГУ за. помощь в проведении исследований, ценные советы и консультации. Искренне благодарен за сотрудничество работникам кафедры почвоведения и агрохимии PIT доценту В.Д. Коваленко, доценту O.A. Бирюковой, ассистенту И.В. Морозову; кафедры физической географии, экологии и охраны природы РГУ профессору IO.II. Хрусталеву, доценту Т. А. Смагиной; кафедры оценки состояния окружающей среды и техногенных месторождений РГУ профессору Л.Я. Кизиль-штейну. Особую благодарность за неоценимую помощь на всех стадиях работы автор выражает ассистенту кафедры экологии и природопользования РГУ К.Ш.Казееву.

1= степень изученности: вопроса и обзор

ЛИТЕРАТУРЫ'

1.1 загрязнение почв тяжелыми металлами

Во второй половине XX века стал особенно заметен вклад человека в общий баланс природных процессов. Помимо ранее существовавших на Земле основных круговоротов вещества и энергии — геологического и биологического — становится все более мощным третий основной круговорот, вызванный производственной деятельностью человека. Он может быть назван антропогенным или техногенным. От прежних круговоротов последний отличается тем, что включает в себя компоненты, ранее в природе не существовавшие. Кроме того, в отличие от прежних, естественных круговоротов, антропогенный носит замкнутый характер только в отдельных циклах, а в целом он разомкнут, хаотичен и неупорядочеи. Поэтому он нарушает устойчивость природных процессов — круговоротов, расшатывает их сбалансированность (Бондарев, 1976).

Незамкеутость в большинстве случаев техногенного круговорота приводит к загрязнению окружающей среды различными химическими веществами, которое приобретает в настоящее время поистине катастрофические масштабы. Важная роль в этом загрязнении принадлежит избыточному поступлению в биосферу тяжелых металлов.

К тяжелым металлам (ТМ) относят более 40 химических элементов периодической системы Д.И. Менделеева, масса атомов которых составляет свыше 50-ти атомных единиц (а. е. м.) (Ильин, 1991; Орлов и др., 1991). Это РЬ, 2п, Сй, Н& Си, Мо, Мп, М, 8.п, Со и др. Сложившееся понятие «тяжелые металлы» не является строгим, т.к. V ТМ часто относят элеменш-неметашхц, например, М, 8е, а иногда, даже Р, Вс в др. элементы., чья атомная масса, меньше 50 а, е.. м.

Среди ТМ многие являются микроэлементами, биологически важными для живых организмов. Они являются необходимыми и незаменимыми компонентами биокатализаторов и биорегуляторов важнейших физиологических процессов (Остроумов, 1986; Островская, 1987). Однако избыточное содержание ТМ в различных объектах биосферы оказывает угнетающее и даже токсическое действие на живые организмы.

Источники поступления ТМ в почву делятся на природные и техногенные. Природными источниками является выветривание горных пород и минералов, эрозионные процессы, вулканическая деятельность. К техногенным источникам относятся добыча и переработка полезных ископаемых, сжигание топлива, влияние автотранспорта, сельского хозяйства (Бондарев, 1976; Алексеев, 1987; Ильин, 1991; Орлов и др., 1991). Пахотные земли, помимо загрязнения через атмосферу, загрязняются еще и специфически, при применении пестицидов, удобрений и использовании сточных вод (Торшин и др., 1990).

Одна из важнейших особенностей техногенеза металлов заключается в переводе их в неустойчивые геохимические формы, такие как свободные металлы. Они подвергаются окислению, их растворимость резко возрастает. Растворимые соединения вовлекаются в биологическую миграцию. В биологической миграции антропогенные химические элементы не включаются в процесс самоочищения. Их концентрации могут лишь разбавляться в ходе миграции. Они подвергаются всем типам миграции и биологическим круговоротам, загрязняя жизнеобеспечивающие среды: воду, воздух, пищу (Торшин и др., 1990).

Почва — специфический компонент природной среды, так как она не только геохимически аккумулирует компоненты загрязнений, но и выступает как природный буфер, контролирующий перенос химических элементов и соединений в атмосферу, гидросферу и живое вещество. Химические элементы, поступающие из различных источников, попадают в конечном итоге на поверхность почвы.

На поверхность почвы ТМ поступают в различных формах. Это оксиды и различные соли металлов, как растворимые, так и практически нерастворимые в воде (сульфиды, сульфаты, арсеииты и др.). В составе выбросов предприятий но

переработке руды и предприятий цветной металлургии .....- основного источника

загрязнения окружающей среды ТМ -.....основная масса металлов (70-80 %) находится в форме оксидов (Горбатов, 1983; Цаплина, 1994).

Большая часть ТМ закрепляется в гумусовых горизонтах почвы. ТМ сорбируются на поверхности почвенных частиц, связываются с органическим веществом почвы, в частности в виде элементно-органических соединений, аккумулируются в гидроксвдах железа, входят в состав кристаллических решеток глинистых минералов, дают собственные минералы в результате изоморфного ^ ^ % находятся в растворимом состоянии в почвенной влаге, и газообразном состоянии в почвенном воздухе, являются составной частью почвенной биоты (Александрова, 1980; Г лазовская, 1988; Кул магов, 1988; Ильин, 1991; Орлов и др., 1991; Добровольский, 1997; Вгаштег е1а1., 1983). С составляющими твердой фазы почвы ТМ связаны как прочными хемосорбционными связями, так и связями, допускающими катионный обмен. Обменные формы мета�