Экологические основы формирования продуктивных и устойчивых агросистем на Кольском севере

Устойчивость сельскохозяйственных культур к экстремальным условиям произрастания

Территория России включает различные климатические зоны. Значительная их часть приходится на районы неустойчивого земледелия. К ним относится и Мурманская область, для которой характерны неравномерное выпадение осадков в течение короткого вегетационного периода, низкие летние температуры, закисленность почв и др. В этих условиях урожайность сельскохозяйственных культур во многом определяется их устойчивостью к неблагоприятным факторам среды.

В большинстве случаев растения и посевы сельскохозяйственных культур, испытывая действие тех или иных неблагоприятных факторов, проявляют устойчивость к ним в результате филогенетической и онтогенетической адаптации к условиям экотопа. Оперативное приспособление растений к экологическим факторам окружающей среды обеспечивается преимущественно за счет физиологических механизмов. У каждого вида и сорта растения диапазон такой адаптации контролируется его генотипом. Чем больше способность растения изменять метаболизм в зависимости от вариаций условий окружающей среды, тем шире норма реакции данного генотипа и тем лучше его способность к физиологической адаптации. Этим свойством отличаются устойчивые сорта сельскохозяйственных культур. Как правило, несильные и кратковременные изменения факторов внешней среды не приводят к существенным нарушениям физиологических функций растений, что обусловлено их способностью сохранять относительно стабильное состояние (гомеостаз) при незначительных изменениях условий экотопа. Однако резкие или длительные возмущающие воздействия (естественного и антропогенного происхождения) приводят к нарушениям многих функций растения, а часто и к его гибели. Если выход за пределы «нормальной физиологии» не сопровождается необратимыми модификациями процессов метаболизма, систем регуляции и других жизненно важных функций растительного организма, то растения активно используют различные физиологические механизмы приспособления к неблагоприятным условиям среды.

Мурманская область является одним из наиболее развитых в промышленном отношении регионов за Полярным кругом. В связи с этим, возникла потребность определения влияния отдельных загрязнителей на почву и кормовые растения. Для оценки фитотоксичности тяжелых металлов (ТМ) использовали наиболее общую ответную реакцию растений - снижение их биопродуктивности под влиянием поллютантов. Поскольку в реальных условиях загрязнение растений ТМ имеет комплексный характер, то наиболее корректное описание их фенотипических модификаций достигается при использовании системного подхода.

В модельном опыте исследовали влияние меди, цинка и марганца на всхожесть семян и продуктивность 10-дневных проростков овса посевного сорта Хибины 2 с использованием различных методов многомерного статистического анализа (Дубров и др., 2003).

Трехфакторный лабораторный опыт проводили по схеме 15-ти вариантного плана Бокса-Бенкена (Маркова, Лисенков, 1979) в пластмассовых вазонах, заполненных 0,3 кг приозерного песка с низким (0,06%) содержанием гумуса. Испытывали следующие концентрации металлов (в виде их сульфатов): медь - 0-6-12 мг элемента/кг песка, цинк - 0-14-28 мг/кг, марганец - 0-16-32 мг/кг субстрата. Во всех вариантах опыта в качестве поддерживающего питательного фона применяли азофоску - N₂₀₀P₂₀₀K₂₀₀ мг д.в./кг песка.

Матрица планирования эксперимента и исходные экспериментальные данные, отражающие характер влияния различных доз ТМ на основные компоненты биопродуктивности растений овса, представлены в табл. 6.

Таблица 6

Влияние тяжелых металлов на морфометрические показатели

растений овса

Вариант опыта	Дозы элементов, мг/кг песка	Компоненты продуктивности, мг
	Cu	Zn	Mn	МЛ	МС	МК
1	0	0	16	9,1	3,3	6,4
2	12	0	16	7,2	3,7	1,5
3	0	28	16	8,3	3,3	4,6
4	12	28	16	7,1	3,3	2,3
5	0	14	0	8,0	2,4	4,6
6	12	14	0	6,8	3,1	1,1
7	0	14	32	9,7	3,6	4,9
8	12	14	32	7,1	3,5	1,0
9	6	0	0	9,0	3,8	2,9
10	6	28	0	8,7	3,5	2,0
11	6	0	32	8,3	3,4	2,0
12	6	28	32	7,7	3,1	2,1
13	6	14	16	8,2	3,5	1,9
14	12	28	32	6,4	2,8	1,2
15	0	0	0	9,0	3,3	6,7
Выборочные статистические оценки	X	8,0	3,3	3,0
	S	1,0	0,4	1,9
	V	12,0	10,7	63,8

Примечание: Х - средняя арифметическая, S - стандартное отклонение, V - коэффициент вариации, %.

Статистическая обработка исходных данных показала, что в условиях искусственного металлопрессинга у проростков овса наиболее сильно изменялась масса корней, а наименьший диапазон модификационной изменчивости был характерен для массы стеблей.

Максимальное ингибирование роста надземных и подземных органов у овса наблюдалось под влиянием возрастающих доз меди. Действие других металлов на габитуальную структуру тест-объекта оказалось менее выраженным.

Дополнительную информацию о структуре связей исходных данных можно получить с помощью факторного анализа (табл.7).

Таблица 7

Результаты факторного анализа исходных экспериментальных данных

с использованием метода главных компонент

Факторы, показатели	Главные компоненты
	1	2
Медь	0,96*	0,00
Цинк	0,28	0,70*
Марганец	0,39	0,01
Масса листьев	- 0,79*	- 0,48
Масса стеблей	0,18	- 0,91*
Масса корней	- 0,94*	-0,04
Собственное значение вектора	2,87	1,39
Доля общей дисперсии, %	47,8	23,1

Примечание: 1. Способ вращения осей - варимакс нормализованный; 2. Собственные значения векторов и доли общей дисперсии относятся к ситуации до вращения осей; 3. Звездочкой (*) отмечены наиболее существенные факторные нагрузки, равные или превышающие по модулю 0,7.

Из общего вида матрицы факторных нагрузок следует, что первая главная компонента, объясняющая 47,8% суммарной дисперсии переменных, наиболее тесно связана с медью, массой листьев и массой корней. В состав этой же компоненты входит, правда в «резидентном» режиме, и марганец. В структуре второй главной компоненты, объясняющей 23,1% общей вариабельности тестовых переменных, самыми высокими значениями факторных нагрузок выделяются цинк и масса стеблей. Выявленные закономерности свидетельствуют о том, что формирование ассимилирующих органов и корневой системы у проростков овса находилось преимущественно под контролем меди. На формирование стеблей основное влияние оказывал цинк, тогда как роль других элементов была минорной. На фоне применения N₂₀₀P₂₀₀K₂₀₀ мг д.в./кг песка наилучшее развитие проростков овса отмечено при внесении в субстрат только одного элемента - марганца в дозе 32,0 мг/кг песка.

Содержание биологически аккумулированных форм тяжелых металлов в фотоавтотрофной (надземной) части проростков овса прямо коррелировало с их дозами в песчаном субстрате (табл.8). Наиболее тесная корреляция между содержанием ТМ в корнеобитаемой среде и в растениях наблюдалась для Mn (r = 0,93), а самая низкая - для Cu (r = 0,84). Это позволяет предполагать, что Cu и Zn аккумулировались преимущественно в корнях растений овса (эффект «задержания», обусловленный существованием поясков Каспари, деятельностью фитохелатинов, наличием вакуолярных депо и т.д. (Черных, Сидоренко, 2003), а Mn отличался более высокой подвижностью и легко передвигался в надземные органы тест-объекта. Таким образом, по степени физиологической мобильности изученные металлы можно расположить в следующий ранжированный ряд: Mn > Zn > Cu.

Таблица 8

Корреляционная матрица, отображающая силу и направленность линейных эффектов влияния тяжелых металлов на экспрессию морфометрических и физиологических показателей у растений овса

Показатели	Управляющие факторы
	Cu	Zn	Mn
рНводн. субстрата	- 0,49	- 0,31	- 0,31
рНKC? субстрата	0,37	- 0,29	0,22
Всхожесть семян, %	- 0,59	- 0,22	0,14
Масса листьев, г	- 0,90	- 0,34	- 0,01
Масса стеблей, г	- 0,49	- 0,32	- 0,15
Масса корней, г	- 0,89	- 0,17	- 0,05
Общая масса растения, г	- 0,92	- 0,26	- 0,05
Медь, мг/кг сух. массы раст.	0,84	0,19	- 0,01
Цинк, мг/кг сух. массы раст.	- 0,28	0,90	- 0,09
Марганец, мг/кг сух. массы раст.	- 0,22	0,00	0,93
Содержание воды, %	- 0,52	- 0,39	- 0,14
Коэффициент поврежд. мембран, %	- 0,88	0,15	0,16
Содержание МДА, отн.ед.	0,03	0,45	0,05

Во всех изученных ситуациях не выявлено заметных статистических эффектов взаимодействия ТМ в процессах их аккумуляции растениями овса, хотя поглощение каждого из них в отдельности в той или иной степени зависело от фоновых концентраций остальных металлов.

Проведенные опыты показали, что биоаккумуляция исследованной группы ТМ ювенильными растениями овса определялась преимущественно концентрацией металлотоксикантов в эдафической среде и сравнительно слабо зависела от конкурентных взаимоотношений между ними. Основными морфоструктурными мишенями для ТМ оказались корневая система и фотосинтезирующие органы (листья) проростков овса. На габитуальном уровне самой высокой фитотоксичностью характеризовалась медь, а антагонистом по отношению к ней выступал цинк. В условиях металл-индуцированного окислительного стресса ионы цинка и марганца усиливали процессы свободно-радикального окисления липидов и неспецифическую ионную утечку в тканях листьев овса, а медь, напротив, стабилизировала интегральную целостность клеточных мембран на фоне применения поддерживающих доз минеральных удобрений, что можно рассматривать как проявление одного из альтернативных путей сохранения физиологического гомеостаза.

Оптимизация корневого питания растений является многоцелевой задачей, реализация которой зависит от обеспечения рационального соотношения в почве макро- и микроэлементов (Ринькис, Ноллендорф, 1982). Для решения этой задачи очень часто используют методологию активных многофакторных экспериментов (Литвак, 1990).

Эксперимент осуществляли по схеме 18-вариантного латинского прямоугольника для шести факторов при варьировании каждого из факторов на трех уровнях (Бродский и др., 1982). Азот (N) вносили в дозах 0-120-240 мг д.в./кг песка, фосфор (P₂O₅) - 0-1000-2000 мг/кг, а калий (K₂O) - 0-150-300 мг/кг субстрата.

Максимальные дозы макроэлементов приблизительно соответствовали их содержанию в хорошо окультуренных старопахотных почвах Мурманской области (Елсаков, 1990).

Медь вносили в количестве 0-4-8 мг элемента/кг песка, цинк - 0-7-14 мг/кг, а марганец - 0-4-8 мг/кг субстрата. Заметим, что среднее содержание подвижных форм данных элементов в пахотном слое (0-20 см) песчаных и супесчаных почв сельскохозяйственного назначения в Мурманской области находится в следующем диапазоне: Cu - 4,8-6,0, Zn - 2,6-2,7, Mn - 29-72 мг/кг (Елсаков, 1997).

Подбор оптимальных доз и соотношений макро- и микроэлементов, наиболее благоприятных для формирования надземной и подземной фитомассы растений овса, является достаточно сложной многофакторной задачей.

Для ее аналитического решения мы использовали алгоритмы статистической процедуры "профили отклика/желательности", входящие в модуль "Планирование эксперимента" программы STATISTICA. Результаты оптимизации питания растений овса приведены в табл. 9. Кроме статистики R², в ней представлены расчетные (ожидаемые) значения габитуальных характеристик тест-объекта и значения частных функций желательности (ФЖ, %) для этих показателей, полученные при использовании соответствующих статистических моделей.

Сравнительный анализ материалов этой таблицы показывает, что влияние микроэлементов на формирование надземной, подземной и общей фитомассы проростков овса выражено гораздо сильнее, чем влияние макроэлементов.

Таблица 9

Результаты статистической оптимизации питания растений овса

Показатели	Вари-анты	R2 х 100%	Yрасч.	ФЖ, %	Дозы элементов, мг д.в./кг песка
					N	P2O5	K2O	Cu	Zn	Mn
Надземная масса растения, мг	1	51,3	110,1	84,1	120	889	167	-	-	-
	2	65,3	117,7	98,0	-	-	-	0	14,0	0
	3	95,9	118,8	100,0	120	889	167	0	13,2	8,0
Маса корней растения, мг	4	38,7	40,7	73,1	0	1111	0	-	-	-
	5	74,1	53,2	96,1	-	-	-	0	14,0	0
	6	91.4	55,3	100,0	0	1000	217	0	14,0	7,6
Общая масса растения, мг	7	38,1	139,9	72,2	80	1111	167	-	-	-
	8	74,7	168,9	100,0	-	-	-	0	14,0	0,4
	9	93,4	168,8	100,0	80	1111	200	0	14,0	7,1
Всхожесть семян, %	10	55,1	90,0	100,0	147	667	67	-	-	-
	11	34,2	91,3	100,0	-	-	-	1.3	14,0	8,0
	12	54,7	90,1	100,0	120	889	217	2.2	14,0	8,0

Примечание: 1. Варианты 1,2,4,5,7,8,10,11 - результаты расчетов с использованием квадратичных моделей; варианты 3,6,9,12 - с применением моделей главных эффектов.

2. R² - коэффициент множественной детерминации статистических моделей; Y_расч. - расчетные значения показателей для каждого вида аппроксимирующих уравнений; ФЖ - функция желательности для данных уравнений.

Приведенные в табл. 9 оптимальные расчетные дозы макро- и микроудобрений для показателя «общая масса растений овса», представляют собой компромисс между физиологической потребностью автотрофных и гетеротрофных органов растений овса в элементах питания. Среди макроэлементов в этой сбалансированной системе питания целостного растения доминирующую роль играет фосфор, а среди микроэлементов - цинк. Оптимальное соотношение между N : P : K для общей массы растений овса, найденное по результатам вычислительного эксперимента - N₈₀ : P₁₁₁₁ : K₂₀₀ или 1 : 14 : 2.5, хорошо согласуется с результатами исследований В.В. Церлинг (1990). По ее данным (полученным методом листовой диагностики), оптимальный баланс валового содержания макроэлементов (N : P : K) составляет, например, для зерновых культур 1 : 12 : 1,2, для картофеля - 1 : 15 : 1,2, а для огурцов - 1 : 15 : 1,4.

В полевом опыте проводили также подбор наиболее рациональных доз минеральных удобрений для культуры овса на основе применения методов многофакторной и многокритериальной статистической оптимизации (Грачев, Плаксин, 2005). В качестве объекта для проводившегося опыта, использовали овес посевной сорта Хибины 2.

Решение задачи оптимизации минерального питания полевой культуры овса включало два этапа: а) построение регрессионных моделей для каждой целевой переменной и частных функций желательности для них; б) построение общего профиля желательности для всей совокупности откликов. На первом этапе реализации оптимизирующей процедуры строили квадратичные модели, включающие в свою структуру линейные и квадратичные эффекты влияния удобрений, а также эффекты их двухфакторных взаимодействий. С целью оценки аппроксимирующих «качеств» построенных моделей использовали коэффициенты детерминации (R² 100 %) и частные функции желательности (ЧФЖ), отображающие степень согласованности расчетных и реальных экстремумов анализируемых показателей (табл. 10). Для расчета ЧФЖ натуральные значения результативных признаков трансформировали в безразмерную шкалу желательности, имеющую интервал от 0,0 до 1,0 (Адлер и др., 1976). Высший уровень желательности (1,0) присваивали максимальным значениям габитуальных и физиолого-биохимических показателей, а низший (0,0) - наибольшей концентрации нитратов в листостебельной массе растений овса. Для всех них (кроме содержания нитратов) вычисляли дозы удобрений, способствующие их максимизации, а для нитратов - минимизации.

Из материалов этой таблицы 10 видно, что дозы минеральных удобрений, оптимизирующие основную (биопродуктивность растений овса) и вспомогательные целевые функции (качественные характеристики урожая), являются различными, а порою даже взаимоисключающими. В ходе построения общего профиля желательности для совокупности рассматриваемых откликов установлено, что при использовании минеральных удобрений в количестве N₁₃₀P₉₀₀K₂₀₀ формируется сравнительно высокий урожай овса с хорошим химическим составом (все показатели включали в анализ с весовыми коэффициентами, равными 1,0). Выход массы листьев овса на этом фоне питания составляет 1,04, массы стеблей - 5,38, а общей фитомассы - 6,42 кг/м². Содержание сухого вещества в листостебельной массе овса достигает 22,9, сырого белка - 14,2, водорастворимых углеводов - 27,6 %, аскорбиновой кислоты - 2,65, хлорофиллов - 5,69 и каротиноидов - 0,77 мг/г сухой массы тест-объекта. Одновременно наблюдается существенное уменьшение концентрации нитратов - до 4,78 мг/г. В целом, о целесообразности практического использования данной комбинации удобрений свидетельствует сравнительно высокое значение обобщенной функции желательности для агрегированного отклика - 0,60.

Таблица 10

Результаты однокритериальной оптимизации минерального питания овса сорта Хибины 2

Показатель	Размах (min-max)	Среднее значение показателя	Коэффициент вариации, %	R2, %	ЧФЖ	Расчетное значение экстремума	Дозы удобрений, мг д.в./кг почвы
							N	P2O5	K2O
Общая масса растений, кг/м2	2,62 - 7,18	5,28	25,2	86,0	1,00	7,22	220	430	350
Масса листьев, кг/м2	0,68 - 1,38	0,92	22,8	87,6	0,79	1,32	30	1600	230
Масса стеблей, кг/м2	1,90 - 5,88	4,35	26,4	85,0	1,00	5,99	220	850	350
Сухое вещество, %	18,6 - 23,9	22,1	6,3	56,6	1,00	24,8	230	1600	50
Сырой белок, %	9,3 - 17,2	13,8	17,4	98,8	1,00	17,7	230	1600	110
Водорастворимые углеводы, %	18,2 - 32,1	25,5	14,9	95,1	0,90	31,8	30	200	160
Нитраты, мг/г	2,1 - 15,5	6,9	58,7	94,7	1,00	1,9	30	290	110
Аскорбиновая кислота, мг/г	2,02 - 2,90	2,55	9,4	34,1	0,72	2,76	130	1600	280
Хлорофилл, мг/г	3,5 - 8,0	5,4	22,7	92,4	1,00	8,4	230	200	330
Каротиноиды, мг/г	0,54 - 1,12	0,84	20,2	58,3	0,81	1,08	30	1600	50

Резюмируя результаты натурного опыта и вычислительных экспериментов, отметим, что подобранные нами оптимальные дозы минеральных удобрений для полевой культуры овса, подтверждают известную концепцию А.И. Коровина (1972) о необходимости применения в районах Заполярья так называемых «северных доз» минеральных удобрений, характерной особенностью которых является доминанта фосфатов по отношению к азоту и калию.

В Мурманской области при рекультивации селитебных и техногенно-нарушенных территорий, а также при создании кормовых угодий с.-х. назначения нередко используются трехкомпонентные злаковые травосмеси, в состав которых входят верховые, полуверховые и низовые злаки. Достаточно часто применяется комбинация из лисохвоста лугового, овсяницы луговой и овсяницы красной, позволяющая создавать фитоценоз среднего долголетия (5-7 лет хозяйственного пользования). Лисохвост луговой в таком фитоценозе обладает недостаточно пролонгированной конкурентоспособностью, что обусловливает практическую необходимость в подборе более жизнеспособного аналога.

В предварительных краткосрочных экспериментах нами было установлено, что данный вид с успехом может быть замещен лисохвостом тростниковым (ЛТ) местного происхождения (Терское побережье Белого моря), отличающимся высокой интегральной адаптацией к холодному гумидному климату Кольского полуострова. По кормовым качествам он не уступает лисохвосту луговому, а по экологической пластичности и биологической продуктивности превосходит его.

Была изучена была зимостойкость этого вида. Выяснилось, что на первом году жизни она существенно зависит от режима минерального питания, детерминирующего общий габитус и физиологическое состояние фотоавтотрофных органов данного экотипа.

Ключевым условием успешной перезимовки ЛТ в экстремальных почвенно-климатических условиях Кольской Субарктики является применение биогенных макроэлементов с доминантой фосфорного компонента в их составе - например, N₃₀P₉₀₀K₃₅₀ мг д.в./кг субстрата. На этом фоне минерального питания повышение зимостойкости растений ЛТ происходит за счет оптимизации фосфат-зависимых адаптивных процессов на разных уровнях организации ассимиляционного аппарата, а также за счет формирования экологически рациональной архитектуры целостного растительного организма.

Основной вывод состоит в том, что ЛТ, обладающий достаточно высокой конкурентной мощностью и экотопической толерантностью, может вполне обоснованно вводиться в состав травосмесей для создания среднесрочных луговых фитоценозов.

Однако он является перспективным не только для лугопастбищного травосеяния в северных регионах, но и для решения фиторекультивационных задач. Данный вид может применяться для садово-паркового строительства, задернения промышленных отвалов, хвостохранилищ и т.д., то есть использоваться в качестве рекультиванта на техногенно-нарушенных территориях.

Для целей фиторекультивации суммарная норма высева изученных видов трав (овсяница луговая и красная, лисохвост тростниковый) должна быть увеличена на 30-40% по сравнению с с.-х. нормативами, что позволит им в полной мере реализовать свой конкурентный потенциал в условиях искусственного фитоценоза.

В целом можно заключить, что при соблюдении оптимальной агротехники все изученные культуры могут быть основой для получения высоких и качественных урожаев на Кольском севере.

Агроэкологическая характеристика городских почв

В России до сих пор сохраняется много препятствий на пути создания здоровой, экологичной городской среды. Территории многих городов и число их жителей постоянно растут, из мегаполисов урбанизированные территории превращаются в урбоареалы (Тетиор, 2006). В Мурманской области, где доля городского населения составляет 92% (Доклад о социально-экономическом развитии Мурманской области, 2009 г.), проблемы создания благоприятных условий для проживания стоят достаточно остро и требуют постоянного внимания специалистов для их разрешения. В условиях техногенного кризиса природа отступает под техногенным давлением. Для восстановления экологического равновесия между застроенной и природной средами необходима экологизация урбанизированных территорий, включающая реконструкцию мест расселения и реставрацию нарушенных ландшафтов. Важнейшей составляющей частью таких ландшафтов являются городские почвы. Проведено комплексное изучение городских почв, включающее не только общепринятые агрохимические показатели, но и радиоэкологические исследования тех же почвенных образцов.

Антропогенные глубоко преобразованные почвы образуют группу собственно городских почв - урбанозёмов, в которых горизонт урбик имеет мощность более 50 см. Они подразделяются на 2 группы:

1. Физически преобразованные почвы, в которых произошла физико-механическая перестройка профиля (урбанозём, культурозём, некрозём, экранозём);

2. Химически преобразованные почвы, в которых произошли значительные хемогенные изменения свойств и строения профиля за счёт интенсивного химического загрязнения как воздушным, так и жидкостным путём, что и отражается на их разделении (индустризём, интрузём).

Для городских почв характерен диагностический горизонт "урбик" (от слова urbanus - город), как специфический горизонт городских почв. Присутствие горизонта "урбик" является основным отличием собственно городских почв от естественных. Городские почвы выполняют разнообразные экологические функции. Главными функциями городской почвы являются: продуктивность, т.е. ее пригодность для произрастания зеленых насаждений; способность сорбировать в толще загрязняющие вещества и удерживать их от проникновения в почвенно-грунтовые воды, а также от поступления пыли в городской воздух. В соответствующей главе представлены морфологические описания 17 урбанозёмов городов Мурманска, Кировска и Апатитов. Показано, что городские почвы заметно отличаются по морфологии от зональных почв. В первую очередь это относится к самому верхнему горизонту, обычно уплотненному, который в большинстве случаев образован в результате перемешивания остатков естественных горизонтов, как правило, иллювиально-гумусовых почв, последующего привнесения комков торфа, посторонних включений (остатки стекла, камни, бытовой мусор и т.д.). Такой внешний вид заранее предполагает определенную загрязненность почв, это позволяют выявить соответствующие агрохимические анализы на водно-физические и химические свойства.

При изучении агрохимических свойств исследовали два верхних слоя почвы, в которых сконцентрирована основная масса корней растений. Данные, полученные в результате физико-химических анализов образцов почв г.Апатиты, приведены в таблице 11.

Урбанозёмы г. Апатиты по уровню кислотности преимущественно относятся к нейтральным, но присутствуют образцы, которые относятся к слабощелочным или даже кислым. Потеря при прокаливании показывает заметную пестроту почв по содержанию органического вещества - как между отдельными точками отбора, так и по слоям (5,8-40,4%). Состав обменных катионов, во многом определяющий физические свойства почв, свидетельствует, что их содержание, как правило, ниже, чем в естественных почвах.

Показатель гидролитической кислотности колеблется от 0,2 до 4,1 мг-экв/100г. С емкостью катионного обмена связана устойчивость почв к антропогенным воздействиям. Для большинства образцов этот показатель невысок - от 5,0 до 9,8 , но на одном из участков он достигает 39-61 мг-экв/100г. По насыщенности почв основаниями этот участок нуждается в известковании, в отличие от остальных, где в этом нет необходимости, и насыщенность составляет выше 80%. В целом, эти городские участки имеют удовлетворительные физико-химические свойства, что позволяет выращивать на них растения с целью озеленения.

Таблица 11.

Физико-химическая характеристика почв г.Апатиты

Обра-зец	Глубина, см	ППП %	рН вод.	Нг	Сa2+	Mg2+	Сумма погл. оснований	ЕКО	Насыщенность, %
				мг-экв/100г
1-07	0-27	20,9	6,7	0,4	9,1	0,3	9,4	9,8	96
	27-47	9,9	6,7	0,2	6,2	0	6,2	6,5	96
2-07	0-9	10,5	6,2	0,7	4,8	0,2	5,1	5,8	87
	9-15	13,1	6,2	0,9	5,9	0,4	6,4	7,3	87
3-07	0-9	40,4	6,6	1,7	14,2	5,9	20,1	21,8	92
	9-30	9,8	6,3	0,3	4,1	0,4	4,5	4,8	93
4-07	0-10	20,3	6,1	1,4	6,7	0,8	7,5	8,9	84
	10-18	18,4	6,1	1,3	5,8	0,4	6,2	7,5	82
5-07	0-9	39,9	5,0	25,0	12,5	1,2	13,6	38,7	35
	9-20	40,0	4,8	49,0	11,2	1,1	12,3	61,3	20
6-07	0-12	8,9	7,3	4,1	5,0	0,1	5,1	9,2	55
	12-20	5,8	7,4	0,2	4,8	0	4,8	5,0	96

В таблице 12 представлены данные о содержании некоторых элементов питания растений в исследуемых почвах. Хорошо заметны различия по содержанию фосфора в исследуемых слоях, где преобладает тенденция его накопления ближе к поверхности почвы. По содержанию фосфора почвы можно отнести к мало- (< 25) и среднеобеспеченным (25-50 мг/100 г) этим элементом (по классификации Кирсанова).

Таблица 12

Содержание элементов питания растений в почвах г.Апатиты

Образец	Глубина, см	Р2О5	К2О	Подвижная S, мг/кг	Микроэлементы,мг/кг
		мг/100г		Cu	Zn	B
1-07	0-27	19,6	15,9	16,2	13,8	9,7	0,8
	27-47	26,4	8,4	10,4	7,9	3,4	0,4
2-07	0-9	34,8	43,3	12,7	16,5	7,8	0,5
	9-15	31,8	32,9	8,6	20,0	8,5	0,7
3-07	0-9	81,1	113,0	17,6	13,6	13,2	5,8
	9-30	37,9	38,2	22,0	19,1	11,2	0,5
4-07	0-10	27,2	40,3	18,2	17,0	9,1	1,4
	10-18	14,3	23,4	13,9	21,4	3,4	0,8
5-07	0-9	27,0	34,2	24,8	17,5	8,9	1,6
	9-20	22,6	13,4	28,8	15,7	5,9	1,3
6-07	0-12	20,5	11,7	21,7	9,8	5,7	0,4
	12-20	31,8	8,0	16,5	8,0	0,6	0,7

Просматривается четкая закономерность уменьшения содержания калия в нижележащих слоях этих почв. По классификации Кирсанова почвы имеют низкое содержание подвижного калия (за исключением одного образца со 113 мг-экв/100г) и относятся к 1-й и 2-й группам по обеспеченности им. Сравнивая данные содержания фосфора и калия в городских почвах с аналогичными в естественных, можно сделать вывод, что почвы в городе более обогащены этими элементами.

Колебания в содержании подвижной серы в образцах составляют от 8,6 до 28,8 мг/кг почвы и их значения близки в каждом из исследованных слоев. Такие показатели обусловлены, вероятно, техногенным загрязнением и при дальнейшем увеличении содержания подвижной серы могут привести к угнетению городской растительности.

Недостаток микроэлементов в почве значительно снижает вегетативную массу растений и её качество, вызывает серьезные физиологические расстройства и нередко приводит к гибели растений уже в раннем возрасте.

Таблица 13

Содержание тяжелых металлов в почвах г.Апатиты

Образец	Глубина, см	Cu	Zn	Mn	Ni	Cd	Pb
		мг/кг почвы
1-07	0-27	27,6	38,6	35,2	23,9	0,04	7,8
	27-47	33,4	22,4	45,5	26,6	0,04	7,5
2-07	0-9	33,7	65,3	50,4	18,6	0,1	27,0
	9-15	34,1	48,9	46,8	26,1	0,1	33,4
3-07	0-9	19,6	52,4	23,5	23,8	0,1	8,3
	9-30	33,4	70,5	43,3	29,4	0,1	13,7
4-07	0-10	25,7	56,4	46,2	16,5	0,2	15,6
	10-18	53,0	32,6	31,2	26,2	0,1	9,7
5-07	0-9	29,1	56,4	23,3	23,0	0,1	12,0
	9-20	31,6	44,9	30,7	21,0	0,1	10,2
6-07	0-12	34,1	54,8	63,8	13,4	0,2	8,9
	12-20	31,3	44,8	67,6	12,0	0,1	6,6
ПДК	33	55	1500	20	0,5	32

Наличие в почве подвижных форм микроэлементов является также важным показателем плодородия почв. Медь в урбанозёмах г.Апатиты накапливается в значительных количествах, в среднем около 14 мг/кг, что превышает оптимальные значения для растений на минеральных почвах (5 мг/кг). Содержание цинка, как правило, ниже оптимального показателя (10 мг/кг) почвы, а бора близко к нему (1 мг/кг). Таким образом, урбанозёмы г.Апатиты имеют невысокое содержание основных питательных элементов и большинства микроэлементов. Для озеленительных целей эти почвы нуждаются в проведении ряда стандартных агротехнических мероприятий, в частности, известкования, внесения органических и минеральных удобрений.

Необходимость изучения накопления тяжелых металлов в урбанозёмах связана с их негативной ролью в современных процессах загрязнения окружающей среды. Источники поступления ТМ в почву делятся на природные (выветривание горных пород и минералов, эрозионные процессы, вулканическая деятельность) и техногенные (добыча и переработка полезных ископаемых, сжигание топлива, влияние автотранспорта, сельского хозяйства и т.д.). Данные, представленные в таблице 13 свидетельствуют о том, что содержание некоторых тяжелых металлов в урбаноземах г.Апатиты превышает значения ПДК.

Медь в основном накапливается в нижних горизонтах почв (60% от общего количества) и прослеживаются колебания содержания Cu по отдельным точкам отбора от 19,6 до 53 мг/кг почвы. В большинстве образцов установлено повышенное наличие меди, которое превышает значение ПДК, за исключением образца 5-07. По содержанию цинка наблюдаются различия по исследованным слоям, и прослеживается тенденция его накопления ближе к поверхности почвы. В четырех образцах (2-07, 3-07, 4-07, 5-07) из шести установлено превышение значения ПДК. Содержание марганца в образцах колеблется от 23,3 до 67,6 мг/кг почвы, и его величины близки как в верхнем (в среднем 40 мг/кг), так и в нижнем (44 мг/кг) горизонтах. Значения содержания марганца в почвах не превышают ПДК. Никель у поверхности аккумулируется в меньшей степени и его содержание в среднем составляет 22 мг/кг почвы. В основном все почвенные образцы по присутствию никеля выше ПДК и отличаются повышенным его количеством, кроме образца 6-07, где содержание этого элемента относительно низкое. Отмечается снижение содержания свинца в нижележащих горизонтах, за исключением образца 3-07, где свинец накапливается в нижнем слое. Содержание этого элемента в большинстве образцов не превышает ПДК, за исключением образца 2-07. Установлено незначительное содержание кадмия для всех образцов при отсутствии существенных различий по слоям, не превышающее установленных значений ПДК.

Следовательно, можно сделать вывод, что почвы г. Апатиты имеют неблагоприятные показатели по содержанию таких элементов как медь, цинк, никель, которые находятся в почве в количествах, превышающих установленные значения ПДК. Свинец, кадмий и марганец содержатся в меньших количествах и практически не превышают ПДК. Согласно результатам проведённых исследований, почвы г.Апатиты нуждаются в очищении от ряда тяжелых металлов, что требует проведения определенных работ по санации почвенного покрова.

Все полученные данные по 20-ти показателям (результаты агрохимического исследования образцов, исследование их на наличие питательных веществ, микроэлементов и ТМ) были статистически обработаны. Для определения достоверности различий между слоями использовали t-критерий Стьюдента для зависимых выборок. Результаты расчетов показали, что по значительному числу показателей отсутствуют достоверные различия по слоям. Это показывает, что оба слоя достаточно однородны и хорошо перемешаны. Четкое различие между ними установлено только по следующим показателям: потери при прокаливании (ППП), содержание Ni, Сd и Zn (рис. 5).

Рис. 5. Статистически достоверные различия между слоями почвы

Анализ данных по морфологии урбанозёмов г. Кировска, их физико-химической характеристике и содержанию основных питательных веществ показал, что эти почвы близки к урбанозёмам г. Апатиты по многим показателям, но есть и различия. Так, для почв г. Кировска установлено более низкое содержание обменного кальция и совсем незначительное содержание обменного магния, или даже его отсутствие. Содержание подвижного фосфора в верхних слоях составляет в среднем, 44 мг/кг почвы, а в нижнем - 33 мг/кг почвы. По калию эти почвы относятся к малообеспеченным. Четких закономерностей в содержании микроэлементов по слоям не выявлено.

Урбанозёмы г. Мурманска относятся к слабокислым. Показатель гидролитической кислотности колеблется от 2,9 до 27,6 мг-экв/100г почвы. С емкостью катионного обмена связана устойчивость почв к антропогенным воздействиям. Сумма поглощенных оснований варьирует в исследованных образцах от 6,5 до 39,7 мг-экв/100г почвы.

При сравнении этих данных с полученными в естественных условиях можно сделать вывод, что исследованные городские почвы менее кислые, более насыщены основаниями (для подзолистых почв она колеблется от 16 до 36% в органогенном и от 2 до 18% в минеральных горизонтах), и характеризуются в среднем более высоким показателем емкости обмена. Обменных кальция и магния в городских почвах больше, чем в естественных. В почвах г. Мурманска кальция в среднем содержится 17,2 мг-экв/100 г почвы, а в естественных подзолах в органогенном горизонте 11,8, и в нижележащих слоях 0,81 мг-экв/100г.

По содержанию фосфора заметны различия по исследованным слоям, преобладает тенденция его накопления ближе к поверхности почвы. По содержанию фосфора большая часть этих почв относится к мало- (<25 мг/100 г) и среднеобеспеченным (25-50 мг/100 г). Отмечена четкая закономерность уменьшения содержания калия в нижележащих слоях. По классификации Кирсанова почвы г. Мурманска имеют мало подвижного калия, и относятся к 1-й и 2-й группам по обеспеченности.

Проводилось определение содержания в почвах г. Мурманска следующих тяжелых металлов: меди, цинка, марганца, никеля, кадмия и свинца. Большая часть меди, цинка и марганца, поступивших на поверхность почвы, закрепляется в верхнем горизонте. Для других элементов такая тенденция не установлена. В целом, урбанозёмы г. Мурманска имеют повышенное содержание таких элементов как медь, цинк, никель, которые находятся в почве в количествах, превышающих установленные значения ПДК.

Радиоактивность почв обусловлена содержанием в них радионуклидов и подразделяется на естественную и искусственную. В окружающую среду радионуклиды поступают при работе АЭС и из других источников радиации, а на сельскохозяйственных землях их содержание может увеличиваться при внесении мелиорантов и различных минеральных удобрений, содержащих радиоактивные вещества в сырье, из которого они производятся. Радиационное загрязнение, как правило, не влияет на уровень плодородия, но приводит к накоплению радионуклидов в продукции растениеводства.

Однако с увеличением уровня плодородия почвы концентрация радионуклидов в урожае снижается за счет увеличения биомассы культурных растений. Экологические последствия радиоционного загрязнения почв заключаются в следующем.

Включаясь в биологический круговорот, радионуклиды через растительную и животную пищу попадают в организм человека, и, накапливаясь в нём, вызывают радиоактивное облучение. Радионуклиды, подобно многим загрязняющим веществам, постепенно аккумулируются в пищевых цепях. В экологическом отношении наибольшую опасность представляют ⁹⁰Sr и ¹³⁷Cs. Это обусловлено длительным периодом их полураспада, высокой энергией излучения и способностью легко включаться в биологический круговорот, в цепи питания (Куликов, 1990).

Результаты дозиметрического контроля проб почвы представлены в таблице 14.

Таблица 14

Результаты дозиметрического контроля проб почвы г. Апатиты

Шифр пробы	Показания прибора, мкР/ч	Среднее значение, мкР/ч	Погрешность, ± мкР/ч	Погрешность, % отн.
30 Ау	11; 14; 18; 17; 16.	15	2,2	14,7
30 Ву	17; 15; 11; 14; 15.	14	1,6	11,4
30 ВС	16; 18; 16; 13; 14.	15	1,6	10,7
31 Ау	13; 14; 12; 13; 15.	13	0,8	6,2
31 ВС	20; 13; 16; 17; 17;	17	1,6	9,4
32 Ао	15; 12; 16; 7; 14.	13	2,6	20,0
32 А2	16; 14; 16; 14; 13.	15	1,2	8,0
32 В1	18; 14; 13; 16; 13.	15	1,8	12,0
33 Ау1	16; 14; 15; 17; 16.	16	0,8	5,0
33 Ау2	15; 17; 15; 15; 9.	14	2,2	15,7
33 Ву	16; 22; 13; 13; 18.	16	2,8	17,5
34 Ао	14; 18; 18; 17; 13.	16	2,0	12,5
35 Ао	12; 10; 14; 15; 11.	12	1,6	13,3
36 Ао	14; 16; 18; 17; 13.	16	1,6	10,0

МЭД применяли в качестве первичного контроля для определения уровня г-излучения почвы. Полученные данные использовались для определения времени экспозиции и объема пробы. Поскольку значения МЭД оказались низкими, то объем пробы для г-спектрометрического анализа был максимальным (1 л), время экспозиции составляло 1800-3600 с. МЭД г-излучения на поверхности воздушно-сухих проб почвы было равно 20 ± 2мкР/ч, что соответствует нормальным условиям. Статистические показатели определения МЭД на поверхности воздушно-сухих проб почвы приведены в таблице 15.

Таблица 15

Статистические показатели определения МЭД на поверхности воздушно-сухих проб почвы

Подобные документы

• Природно-ресурсный потенциал Прикаспия и сопредельных территорий: проблемы его рационального использования

  Оценка природно-ресурсного потенциала и экологического состояния Прикаспия. Экологические аспекты проблем рационального использования природных ресурсов и охрана окружающей среды. Бэровские бугры как уникальные памятники природы Прикаспийского региона.
  
  книга [3,6 M], добавлен 16.07.2014
  

• Теоретические основы охраны окружающей среды

  Экология, урбанизация, градостроительная экология. Методология и теория городской экологической среды. Рациональное использование и охрана природных ресурсов. Обеспечение экологической и радиационной безопасности. Оценка состояния окружающей среды.
  
  контрольная работа [558,6 K], добавлен 11.05.2014
  

• Государственные органы и общественные объединения как субъекты охраны природы

  Охрана окружающей среды как неотъемлемое условие обеспечения экологической безопасности, устойчивости экономического и социального развития общества. Государственное управление и контроль природных ресурсов в Белоруссии в области охраны окружающей среды.
  
  реферат [14,0 K], добавлен 25.11.2010
  

• Правовая охрана окружающей среды в промышленности

  Роль и значение охраны окружающей среды, ее земельных, водных ресурсов, растительного и животного мира. Основные направления природоохранительной деятельности в условиях системы аграрного производства. Направления правовой охраны окружающей среды.
  
  контрольная работа [20,4 K], добавлен 24.11.2012
  

• Химия и охрана окружающей среды

  Проблема охраны окружающей среды, ее рост в связи с воздействием человека на природу. Факторы, которыми обусловлено химическое загрязнение окружающей среды. Мероприятия по охране атмосферы, водных и земельных ресурсов. Процесс очистки сточных вод.
  
  презентация [1,4 M], добавлен 14.01.2014
  

• Нормирование загрязнений сельскохозяйственных почв

  Гигиенические требования к почвам сельскохозяйственных угодий. Оценка почв сельскохозяйственного назначения и рекомендации по их использованию. Исследование содержания опасных для человека химических, биологических и радиоактивных веществ в почвах.
  
  реферат [43,1 K], добавлен 10.12.2010
  

• Международное право и охрана окружающей среды

  Международные отношения и эволюция окружающей среды. Охрана окружающей среды - международная задача. Международное экологическое право. Охрана различных видов окружающей среды. Охрана фауны и флоры. Охрана природы - практика западных стран.
  
  статья [77,6 K], добавлен 09.11.2006
  

• Современные биотехнологии, используемые для охраны окружающей среды

  Современные биотехнологии в сфере охраны окружающей среды. Утилизация и переработка органических промышленных, бытовых и сельскохозяйственных отходов. Биологическая рекультивация, биотехнологии очистки почв от нефти и нефтепродуктов, выбросов в атмосферу.
  
  реферат [47,5 K], добавлен 18.12.2010
  

• Распределение природных ресурсов между разделенными этносами

  Общая характеристика этнической общности. Распределение природных ресурсов между областями Китая с точки зрения нерешенной проблемы. Проблема нехватки воды на севере Китая и уровень гидроресурсов страны. Понятие и сущность степных угодий страны.
  
  контрольная работа [42,3 K], добавлен 17.08.2011
  

• Государственное управление в области природопользования и охраны окружающей среды

  Система государственных органов, осуществляющих управление в области природопользования и охраны окружающей среды. Экологическая экспертиза. Мониторинг окружающей среды. Учет природных объектов и ведение природных кадастров. Экологическое страхование.
  
  презентация [151,2 K], добавлен 20.04.2016
  

• Экологические особенности горной промышленности

  Проблема охраны окружающей природной среды и комплексного использования природных ресурсов в горнодобывающей промышленности. Охрана и рациональное использование водных ресурсов, воздушного бассейна, земель и недр. Переработка отходов производства.
  
  курсовая работа [45,8 K], добавлен 21.01.2011
  

• Природопользование и защита окружающей среды

  Видовое разнообразие биоценоза. Охрана атмосферного воздуха - ключевая проблема оздоровления окружающей среды. Антропогенные воздействия на леса и прочие растительные сообщества. экологические последствия стихийных бедствий эндогенного характера.
  
  контрольная работа [590,7 K], добавлен 09.05.2014
  

• Экологическая обстановка в г. Новосибирске

  Состояние окружающей среды г. Новосибирска и его основные проблемы - загрязнение почв и радиационная обстановка. Состояние и показатели окружающей среды Центрального и Заельцовского районов. Охрана окружающей среды и природоохранные мероприятия.
  
  курсовая работа [33,9 K], добавлен 24.09.2010
  

• Охрана окружающей среды в Оренбургской области

  Исследование окружающей среды в Оренбургской области на сегодняшний день. Анализ и особенности государственного регулирования в области охраны окружающей среды. Обзор методов, используемых муниципальной властью Оренбурга для улучшения окружающей среды.
  
  реферат [20,0 K], добавлен 05.06.2010
  

• Рациональное использование природных ресурсов

  Вклад видов экономической деятельности в загрязнение окружающей среды. Основные загрязнители атмосферы. Характеристика регионов России по показателям загрязнения окружающей природной среды. Экологические последствия использования природных ресурсов.
  
  практическая работа [915,9 K], добавлен 13.11.2016
  

• Охрана окружающей среды

  Охрана окружающей среды и общественное движение за мир. Основные среды жизни живых организмов и их характеристика. Биосферные функции стратосферного озона. Значение леса в природе и жизни человека. Водоохранные зоны и их роль в охране окружающей среды.
  
  контрольная работа [1,9 M], добавлен 14.07.2009
  

• Землепользование и охрана окружающей среды

  Классификация природных ресурсов. Загрязнение окружающей среды. Контроль за качеством природной среды. Свойства земли, ее значение в разных отраслях хозяйства. Земельный фонд России, категории и их признаки. Правовые основы экологического контроля.
  
  курс лекций [151,4 K], добавлен 25.03.2013
  

• Инженерная защита окружающей среды

  Правовая основа охраны окружающей среды. Состояние природных объектов, формирующих созданную человеком окружающую среду. Контроль в области охраны окружающей среды. Внедрение экологически безопасных современных технологических процессов и оборудования.
  
  реферат [28,0 K], добавлен 09.10.2012
  

• Управление охраной окружающей среды города Ярославля

  Теоретические основы управления окружающей среды: география города, климат, демография, гидрография. Особенности экологической обстановки в городе Ярославль, состояние природных ресурсов. Организация государственного мониторинга окружающей среды.
  
  контрольная работа [646,8 K], добавлен 12.01.2012
  

• Основы экологии

  Антропогенные факторы и их влияние на биотические и абиотические факторы природной среды. Деградация почв: эрозия, опустынивание, засоление и заболачивание. Федеральный закон "Об охране окружающей среды" и особенности правового режима природных ресурсов.
  
  курсовая работа [27,7 K], добавлен 12.02.2014
  

• главная
• рубрики
• по алфавиту
• вернуться в начало страницы
• вернуться к началу текста
• вернуться к подобным работам

Статистические показатели	Среднее значение, мкР/ч