Агрохимические и биохимические показатели почв лесостепи Окско-Донской равнины в районе никелевого месторождения

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Воронежский государственный университет

Агрохимические и биохимические показатели почв лесостепи

Окско-Донской равнины в районе никелевого месторождения

Девятова Т.А.

Мозолевский И.В.

Аннотация

С целью выявления и предотвращения возможных негативных экологических последствий разработки никелевого месторождения исследованы агрохимические и биохимические свойства почв на территории месторождения и проведен сравнительный анализ активности почвенных ферментов в доминантных типах местности с целью определения уровня устойчивости ландшафтов. Полученные данные показали, что наибольшей экологической устойчивостью обладает плакорный тип местности. Почвы пойменного и надпойменно-террасовового типов местности характеризуются невысокими показателями ферментативной активности и, как следствие, низкой экологической устойчивостью.

Ключевые слова: ФЕРМЕНТАТИВНАЯ АКТИВНОСТЬ, ГУМУС, АГРОХИМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ, ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ УСТОЙЧИВОСТЬ, ТИП МЕСТНОСТИ, ППК

Введение

Ключевым показателем экологического состояния окружающей природной среды является состояние почв и почвенного покрова [1-4]. Многолетними исследованиями показана значительная эффективность диагностики и мониторинга почвенного покрова биохимическими методами; доказана ведущая роль показателей ферментативной активности почв при оценке их экологического состояния [5-7]. Почвенные ферменты участвуют в важнейших биохимических процессах, лежащих в основе почвообразования и обеспечивающих ее плодородие и буферность. Ферменты как биологические катализаторы белковой природы легко изменяют свою активность под воздействием внешних физико-химических факторов, поэтому изменение ферментативной активности почвы может служить индикатором ее экологического состояния и является показателем быстрого реагирования на меняющиеся параметры системы [5, 8-12].

Целью настоящего исследования явился анализ фонового состояния Южного Битюго-Хоперского эколого-географического района лесостепной провинции Окско-Донской равнины в пределах водораздела рек Савала-Елань (территория медно-никелевого месторождения) для дальнейшего использования полученных данных при ведении экологического мониторинга территории.

Материалы и методы исследований

Объектом исследования являлись почвенные образцы, отобранные в пределах водораздела рек Савала-Елань. Методика отбора проб соответствовала требованиям ГОСТ 28168-89, ГОСТ 17.4.3.01-83, ГОСТ 17.4.4.02-84, ГОСТ Р 53091-2008. Для получения наиболее полных и объективных сведений о биологической активности почв и их агрохимических свойствах было заложено 22 прикопки, расположенных в наиболее типичных фациях, преобладающих в ландшафте по площадям (рис. 1).

Контролем служили стерилизованные почвы (180°, 3 час), повторность в опыте четырехкратная. Лабораторно-аналитические исследования выполнены с использованием общепринятых в почвоведении и биологии почв методов [2, 13]. Инвертазная активность определялась по методу А.Ш.Галстяна, активность уреазы - колориметрическим методом А.Ш.Галстяна в модификации Ф.Х.Хазиева, активность фосфатазы - колориметрическим методом А.Ш.Галстяна и Э.А.Арутюнян, каталазная активность - титрометрическим методом Джонсона и Темпле. В комплексе с активностью ферментов определялись: гумус по Тюрину в модификации Симакова; обменные катионы кальций и магний по Гедройцу, в карбонатных образцах - по Тюрину; рН водной вытяжки потенциометрически; азот легкогидролизуемых соединений в щелочной вытяжке по Корнфилду; проводилось фотоколориметрическое определение легкорастворимых фосфатов по Чирикову, в карбонатных образцах - по Мачигину; обменного калия в некарбонатных почвах по Чирикову с пламеннофотометрическим окончанием, в карбонатных образцах по Протасову

Достоверность результатов обеспечена применением современных методов исследований, методов математической статистики с оценкой точности и достоверности полученных данных [14]. Графики выполнены с помощью программы Microsoft Excel.

Рис. 1. Места и номера отбора почвенных образцов

Результаты и их обсуждение

Ландшафтная структура исследуемого участка разделена на 3 типа местности. Наибольшую часть общей площади занимает склоновый тип местности (40%), включающий наклонные (свыше 20) поверхности, простирающиеся широкими полосами вдоль балки Сухой Дол. Далее идет плакорный тип местности (30%), он объединяет в единое целое ландшафтные урочища хорошо дренированных суглинистых плакоров. В третью группу объединены пойменные и надпойменно-террасовые типы местности (рис. 2).

Рис. 2. Типы местности исследуемого района (процентное соотношение)

Анализ данных по изменению физико-химических свойств черноземов позволил сделать вывод о том, что в почвах, принадлежащих к разным типам местности, происходит трансформация почвенного поглощающего комплекса (ППК). Проведенные нами исследования обнаружили значительные различия физико-химических свойств почв, относящихся к плакорному, пойменному и надпойменно-террасовому типам местности (табл. 1).

Таблица 1. Агрохимические свойства почв

Из полученных результатов видно, что показатели физико-химических и химических свойств исследуемых почв в большинстве случаев уменьшаются при движении вниз по ландшафтному профилю. Так, для аллювиальных почв характерна более кислая реакция почвенного раствора по сравнению с черноземами плакорного и склонового типов местности. Показатель pH водн. (pH KCl) уменьшается на 1,1 (0,5) с 6,8 (5,9) до 5,7 (5,4). Величина гидролитической кислотности, наоборот, увеличивается с 1,5 в черноземах до 2,3 в аллювиальных почвах пойменного и надпойменно-террасового типов местности.

Исследования показали, что наибольшее содержание гумуса отмечено в аллювиально-болотной иловато-глеевой почве, расположенной в притеррасной пойме р. Елань (7,5%). Это можно объяснить, по-видимому, более активным накоплением гумуса в поверхностных горизонтах избыточно увлажненных почв по сравнению с черноземами. В черноземах наблюдается уменьшение содержания гумуса от плакорного к склоновому типу местности. В черноземе выщелоченном с 6,5 до 6,2 %, в черноземе типичном с 6,25 до 5,9 %. Это, в первую очередь, связано с эрозионными процессами в почвах транзитных фаций покатых склонов.

Результаты исследования показывают, что содержание щелочногидролизуемого азота, обменного калия и подвижных соединений фосфора уменьшается от черноземов, расположенных на плато, до аллювиальных почв в пойменном и надпойменно-террасовом типе местности.

В результате исследований катионообменной способности почв было выявлено, что в почвах поймы снижено содержание обменных катионов, по сравнению с почвами плакорного типа местности, в среднем на 17,6 ммоль(экв)/100 г почвы. Так, чернозем выщелоченный, расположенный на плато, содержит в среднем 34,5 Ca2+ и 4,4 Mg2+ ммоль(экв)/100 г почвы, на склоновом типе местности - 31,5 Ca2+ и 4,1 Mg2+ ммоль(экв)/100 г почвы. Чернозем типичный на плато содержит 36,8 Ca2+ и 5,1 Mg2+ ммоль(экв)/100 г почвы, на склоновом типе местности - 34,0 Ca2+ и 4,9 Mg2+ ммоль(экв)/100 г почвы. Аллювиально-болотная иловато-глеевая почва, расположенная в притеррасной пойме р. Елань, содержит Ca2++Mg2+ 21,3 ммоль(экв)/100 г почвы, а аллювиальная дерновая слоистая почва, занимающая прирусловую часть поймы р. Елань, содержит Ca2++ Mg2+ 8,2 ммоль(экв)/100 г почвы.

Вниз по ландшафтному профилю наблюдается тенденция снижения содержания щелочногидролизуемого азота, подвижных соединений фосфора и обменного калия. Максимальные показатели химических свойств почв характерны для плакорного типа местности, содержание щелочногидролизуемого азота выше на 17%, чем в почвах поймы и надпойменной террасы (12,51 мг/100 г почвы против 10,13 мг/100 г почвы), содержание подвижных соединений фосфора на 47% (8,44 мг/100 г почвы против 4,48 мг/100 г), обменного калия - на 51% (15,19 мг/100 г почвы против 7,72 мг/100 г почвы). Химические свойства черноземов склонового типа местности приближаются по значениям к черноземам плакора: 12,01 мг/100 г почвы щелочногидролизуемого азота, 8,10 мг/100 г почвы подвижных соединений фосфора и 14,73 мг/100 г почвы обменного калия.

Ферментативная активность почв затрагивает наиболее важные периодические превращения в биохимическом цикле фосфора, азота, углерода, а также окислительно-восстановительные процессы.

Активность почвенных ферментов можно использовать как диагностический показатель плодородия почв. Это обусловлено тем, что ферментативная активность отражает изменение интенсивности и направленности почвенных процессов под действием антропогенных факторов [1, 2, 15].

Активность фосфатазы в исследуемых почвах колеблется в пределах от 1,8 мг P2O5 на 10 г почвы за 1 ч. в дерново-намытой карбонатной почве, приуроченной к днищу балки Сухой Дол, до 5,2 мг P2O5 на 10 г почвы за 1 ч, в черноземе типичном, взятом с плато южнее п. Башковский (табл. 2). Средняя величина фосфатазной активности составляет 3,8 мг P2O5 на 10 г почвы за 1 ч.

Таблица 2. Ферментативная активность почв исследуемого района

В исследуемых образцах почвы наибольшей фосфатазной активностью обладает чернозем типичный - среднее значение 4,9 мг P2O5 на 10 г почвы за 1 ч. Среднее значение фосфатазной активности чернозема выщелоченного - 3,9 мг P2O5 на 10 г почвы за 1 ч. Наименьшим значением активности фосфатазы обладает дерново-намытая карбонатная почва.

Если сравнивать среднюю активность фосфатазы в зависимости от типа местности, то наибольшая ее активность наблюдается в почвах плакорного типа местности (4,5 мг P2O5 на 10 г почвы за 1 ч), наименьшая - в почвах пойменного и надпойменно-террасового типов местности - 2,6 мг P2O5 на 10 г почвы за 1 ч (рис. 3).

Рис. 3. Средняя активность фосфатазы в почвах различных типов ландшафта

В ходе исследования установлена положительная корелляционная связь активности фосфатазы с агрохимическими свойствами почв (табл. 3).

Таблица 3. Коэффициент корреляции между биологическими и агрохимическими свойствами почв

Инвертазная активность почвы является одним из главных показателей оценки ее общей биологической активности. Уровень инвертазной активности отражает содержание в почве легкогидролизуемых углеводов, которые служат энергетическим материалом для многих почвенных гетеротрофов [2].

Многие исследователи доказали, что инвертазная активность почвы информативнее прочих ферментов отражает уровень плодородия [12, 15].

Активность инвертазы в исследуемых образцах колеблется в пределах от 11,5 мг глюкозы на 1 г почвы за 24 часа в аллювиально- дерновой слоистой почве, расположенной в прирусловой части поймы р. Елань до 23,9 мг глюкозы на 1 г почвы за 24 часа в черноземе типичном, взятом на плато. Средняя величина инвертазной активности в районе исследования составляет 20,2 мг глюкозы на 1 г почвы за 24 часа.

Активность инвертазы уменьшается с плакорного типа местности до пойменного с 22,1 до 14 мг глюкозы на 1 г почвы за 24 часа (рис. 4).

Рис. 4. Средняя активность инвертазы в почвах различных типов ландшафта

Наибольшей инвертазной активностью в исследуемых образцах почвы обладает чернозем типичный - среднее значение 23,0 мг глюкозы на 1 г почвы за 24 часа. Среднее значение инвертазной активности чернозема выщелоченного - 21,5 мг глюкозы на 1 г почвы за 24 часа. Наименьшее значение инвертазная активность проявляет в аллювиально-дерновой слоистой почве - 11,5 мг глюкозы на 1 г почвы за 24 часа.

В ходе исследования установлена положительная корреляционная связь активности инвертазы с агрохимическими свойствами почв (табл. 3).

Уреаза является катализатором разложения азотсодержащих соединений, в том числе и мочевины, которая образуется в почве как промежуточный продукт разложения белков или попадает в почву с азотными удобрениями, растительными остатками или навозом. Аммиак (продукт разложения мочевины) служит непосредственным источником питания азотом высших растений. Уреазная активность является важным диагностическим показателем мобилизации органического азота почвы [2, 10].

Наибольшей уреазной активностью в исследуемых образцах почвы обладает чернозем типичный - среднее значение 1,3 мг аммиака на 1 г почвы за 24 часа. Среднее значение уреазной активности чернозема выщелоченного - 1,1 мг аммиака на 1 г почвы за 24 часа. Наименьшее значение уреазной активности наблюдается в дерново-намытой карбонатной почве с днища балки Сухой Дол - 0,3 мг аммиака на 1 г почвы за 24 часа.

Средняя активность уреазы уменьшается с плакорного типа местности до пойменного с 1,2 до 1,0 мг аммиака на 1 г почвы за 24 часа (рис. 5). Активность чернозема типичного, занимающего плакорный тип местности, составляет 1,3 мг аммиака на 1 г почвы за 24 часа, склоновый - 1,3 мг аммиака на 1 г почвы за 24 часа. Активность чернозема выщелоченного на плато составляет 1,1 мг аммиака на 1 г почвы за 24 часа, на склоне - 1,1 мг аммиака на 1 г почвы за 24 часа.

Рис. 5. Средняя активность уреазы в почвах различных типов ландшафта

В ходе исследования установлена положительная корреляционная связь активности уреазы с агрохимическими свойствами почв (табл. 3).

Каталаза является ферментом класса оксидоредуктаз. Это важная группа почвенных ферментов. Их активность характеризует окислительно-восстановительные условия в почве [16].

Каталаза разрушает токсичную для живых организмов перекись водорода, которая образуется в процессе дыхания, на воду и свободный кислород [2]. Большое влияние на каталазную активность оказывает растительность.

Наибольшая каталазная активность наблюдается в черноземах типичных. Среднее значение каталазной активности для данного типа почв - 1,2 мл 0,1н KMnO4 на 1 г почвы за 20 мин. Каталазная активность черноземов выщелоченных несколько ниже, её среднее значение - 0,9 мл 0,1н KMnO4 на 1 г почвы за 20 мин. Наименьшей каталазной активностью обладает аллювиальная дерновая слоистая почва: 0,1 мл 0,1н KMnO4 на 1 г почвы за 20 мин.

Активность каталазы, так же, как и активность других ферментов, уменьшается с плакорного типа местности до пойменного. Среднее значение каталазной активности, характерной для плакорного типа ландшафта, - 1,0 мл 0,1н KMnO4 на 1 г почвы за 20 мин. Среднее значение каталазной активности, характерной для пойменного и надпоймено-террасового типа, - 0,6 мл 0,1н KMnO4 на 1 г почвы за 20 мин (рис. 6).

Рис. 6. Средняя активность каталазы в почвах различных типов ландшафта

Каталазная активность чернозема типичного, занимающего плакорный тип местности, составляет 1,2 мл 0,1н KMnO4 на 1 г почвы за 20 мин, склоновый тип - 1,1 мл 0,1н KMnO4 на 1 г почвы за 20 мин. Активность чернозема выщелоченного на плато составляет 0,9 мл 0,1н KMnO4 на 1 г почвы за 20 мин, на склоне - 0,9 мл 0,1н KMnO4 на 1 г почвы за 20 мин.

В ходе исследования установлена положительная корелляционная связь активности каталазы с агрохимическими свойствами почв (табл. 3).

Интегральный показатель биологического состояния (ИПБС) почв снижается в ряду: чернозем типичный, расположенный на плато> чернозем типичный, расположенный на склоне>чернозем выщелоченный, расположенный на плато> чернозем выщелоченный, расположенный на склоне > аллювиальные почвы пойм и надпойменно-террасового типа местности. Наиболее информативны данные по ферментативной активности в аллювиальных почвах (табл. 4).

Максимум ИПБС отмечен для чернозема типичного, расположенного на плато (94 - 100 %). У других почв ИПБС равен 64,9-91,3 % от чернозема типичного. Минимальные значения отмечены для аллювиальных почв пойм и надпойменно-террасового типа местности (64,9%) (рис. 7).

Таблица 4. Общая относительная биологическая активность (БА) исследуемых почв, % от max

Рис. 7. Общая относительная биологическая активность (БА) исследуемых почв

Заключение

1. Наблюдается прямая зависимость уровня ферментативной активности и агрохимических свойств почв от типа ландшафта. Наибольшие значения биологической активности и агрохимических свойств характерны для образцов почв черноземов типичных и выщелоченных, относящихся к плакорному типу местности.

2. Ферментативная активность почв проявляет тесную положительную корреляцию с агрохимическими свойствами почв.

3. На основании установленных характеристик биологической активности почв можно сделать выводы об экологической устойчивости доминантных ландшафтов района исследования. Плакорный тип местности обладает потенциальной буферностью к неблагоприятным воздействиям. Склоновый тип местности можно охарактеризовать как относительно стабильный. Почвы, относящиеся к пойменным и надпойменно-террасовым типам местности, характеризуются низкой ферментативной активностью. Это может быть обусловлено высокой способностью пойменных морфоструктур территорий месторождений аккумулировать продукты природно-техногенного характера образования. И, как следствие, эти почвы обладают низкой продуктивностью и экологической устойчивостью.

Список использованных источников

1. Васенев И.И., Валентини Р. Агроэкологический мониторинг и оптимизация сельскохозяйственного производства по выбросам парниковых газов // Перспективы и проблемы размещения отходов производства и потребления в агроэкосистемах: материалы Междунар. науч.-практ. конф. (11-12 дек. 2014 г.). - Н. Новгород. - 2014. - С. 147-151.

2. Даденко Е.В., Казеев К.Ш. Использование: активности ферментов в биомониторинге состояния почв // Материалы Всероссийской конференции «Экология. Почва; Город». - Краснодар. - 2006. - С. 228-230.

3. Добровольский Г.В. Никитин Е.Д. Экология почв. Учение об экологических функциях почв. - М.: МГУ. - 2012. - 413 с.

4. Добровольский Г.В., Никитин Е.Д. Сохранение почв как незаменимого компонента биосферы. - М.: Наука. - 2000. - 185 с.

5. Девятова Т.А. Антропогенная динамика и биодиагностика экологического состояния черноземов ЦЧР: дис. … д-ра биол.наук. - Воронеж. - 2006. - 352 с.

6. Звягинцев Д.Г., Бабьева И.П., Зенова Г.М. Биология почв. - М.: МГУ. - 2005. - 445 с.

7. Хазиев Ф.Х. Системно-экологический анализ ферментативной активности почв. - М.: МГУ. - 1992. - 143 с.

8. Добровольский Г.В. Экологическое значение почв в биосфере и жизни человека // Тр. Института экологического почвоведения. - 2007, вып. 8. - С. 5-23.

9. Казеев К.Ш., Колесников С.И., Вальков В.Ф. Биология почв юга России. - Ростов н/Д. - 2004. - 349 с.

10. Мотузова Г.В., Безуглова О.С. Экологический мониторинг почв. - М.: Академический Проект; Гаудеамус. - 2007. - 237 с.

11. Муравьев А.Г., Каррыев Б.Б., Ляндзберг А.Р. Оценка экологического состояния почвы. Практическое руководство. Изд. 2-е, перераб. и дополн. - СПб: Крисмас+. - 2008. - 216 с.

12. Стахурлова Л.Д., Свистова И.Д., Щеглов Д.И. Биологическая активность как индикатор плодородия черноземов в различных биоценозах // Почвоведение. - 2007, № 6. - С. 769-774.

13. Воробьева Л.А. Химический анализ почв. - М.: МГУ. - 1998. - 272 с.

14. Дмитриев Е.А. Математическая статистика в почвоведении: Учебник. - М.: Изд-во МГУ. - 1995. - 320 с.

15. Девятова Т.А., Крамарева Т.Н. Биодиагностика почв. - Воронеж: Издательско-полиграфический центр Воронежского государственного университета. - 2008. - 140 с.

16. Хазиев Ф.Х. Методы почвенной энзимологии. - М.: МГУ. - 2005. - 252 с.

Размещено на Allbest.ru