Розділ 2 Матеріали та методи дослідження

2.1. Матеріали досліджень

В Чернівецькій області клен гостролистий росте по всій території у листяних та мішаних лісах, вирощують його в парках і вуличних насадженнях. Його широко використовують у захисному лісорозведенні та озелененні міст нашої області.

Систематичне положення Acer platanoides L.

Дослідження проводили на території вулиці Ольги Кобилянської міста Чернівці. Протягом трьох років (2011-2013рр.) вели обстеження 45 дерев. Визначали морфологічні параметри та едафічні показники умов зростання клена гостролистого.

Aser platanoides L. вологолюбива рослина, тому він зустрічається в усіх ґрунтово-кліматичних зонах Буковини, але необхідною умовою його розповсюдження є наявність достатньої кількості вологи в ґрунті.

До дня 600-річчя м. Чернівці, на вул. О. Кобилянської була проведена реконструкція і висаджені 2-3 річні дерева Acer platanoides 'Globosum' L., у посадкові ями розмірами 1×1×1 Дерева добре прижилися, але за останні 3 роки їх стан почав погіршуватись, а деякі дерева почали всихати. Слід зазначити, що молоді саджанці були висаджені в посадкові ями з ґрунтом насипаний на товстий (1- 1,5 м ) шар щебню, що могло створити несприятливі умови і стати однією з причин незадовільного стану і всихання висаджених дерев.

2.2. Методи дослідження

Досліджували морфологічні параметри та едафічні властивості умов зростання Acer platanoides 'Globosum' L. в м. Чернівці на вул. О. Кобилянської. У 2008 р. там було висаджено 45 дерев 2-3-х річного віку. Дерева добре прижились, зовнішніх ознак пошкоджень не спостерігалось, але останнім часом на деяких деревах почали всихати верхівки пагонів, крона стала слабо-ажурна, з’явились некрози на листках. На деяких екземплярах спостерігалась дефоліація пагонів верхівок дерев, тому ми вирішили з’ясувати причину негативного стану дерев. Спочатку ми досліджували рівень некротичного ураження листкової пластинки та річний приріст пагонів, паралельно ми визначали вміст гумусного шару в ґрунті під наметом Acer platanoides 'Globosum' L, актуальну та потенційну кислотність, суму обмінних основ, вологість, окисно-відновний потенціал а також вміст важких металів. даного ґрунту.

Важливим показником функцiонального стану рослинних комплексiв є змiна рiвня ростових процесiв пiд впливом техногенних факторiв [34,43]. Насамперед проявляються морфометричнi змiни, якi є наслiдком змiн фiзiологiчних та метаболiчних процесiв.

Об’єктом дослідження вибрані деревні рослини (Acer platanoides L.), які використали для озеленення вул. О. Кобилянської, м. Чернівці.

Морфологічні дослідження проводили на початку осені в м. Чернівці по вул. О. Кобилянської. Проби відбирали з декількох модельних дерев, гілок одного порядку галуження середньої частини крони, з південно-східного боку. Дослідження морфо-біометричних показників проводили за загальноприйнятими методиками [26].

При відборі проб рослинного матеріалу враховували:

• належність дерев до одного виду;

• положення листків у кроні;

• вік дерев (об’єкти повинні бути приблизно одного віку,який можна визначали за допомогою вимірювання діаметра стовбура);

• розмір листків (листки приблизно одного розміру);

• рівень пошкодженості листків;

Визначення рівня некротичного ураження листкової пластинки. Для обчислення відсотка ураженої тканини листка, відібрані листки розпрямляли, вирізали з кальки фігури, які за довжиною і шириною відповідали розмірам листків. Кальку зважували, листок обкреслювали по контурах на кальці і вирізали його силует. Цю частину кальки також зважували. Площу листка визначали за формулою:

Sл= , де

Sл - площа листка

Pл - маса листка паперу, мг

Sкв - площа квадрата паперу

Pкв - маса квадрата паперу, мг.

Контури листка на кальці співставляли із листком і обкреслювали всі пошкодженні зони, вирізали та зважували.

Відсоток пошкоджених тканин вираховували за формулою:

= ,

де - відсоток пошкодженої тканини;

- маса пошкоджених тканин листків, мг.

Для морфологічних досліджень були вибрані по 5 дерев різного стану, а саме:

Перша група дерев – здорові дерева, без зовнішніх ознак пошкодження, величина річного приросту пагонів відповідає нормі;

Друга група – дерева слабкі, крона слабо-ажурна, окремі гілки всохли;

Третя група – дерева дуже слабкі, крона рідка, із значним всиханням гілок.

Дослідження проводилось в десятикратній повторності.

Визначення річного приросту пагонів проводили за загальноприйнятою методикою [27]. Дослідження проводили безпосередньо на місці. Предметом досліджень були гілки одного порядку галуження середньої частини крони, з південно-східного боку.

Математичну обробку отриманих даних проводили варіаційно-статистичним методом з використанням програми Excel.

Зразки ґрунту під наметом Acer platanoides 'Globosum' L. відбирали методом конверта навесні, після сходження снігу і розмерзання, готували середньо змішану пробу [2]. Дослідження проводилися шляхом агрохімічного аналізу поверхневого (0 – 20 см) шару ґрунту. Визначали рівень актуальної обмінної та гідролітичної кислотності за методом Каппена [44].

Дослідження проводили в чотирикратній повторності. Результати опрацьовані статистично за допомогою програми Excel.

Вміст гумусу у ґрунтах визначали за методом Тюріна в модифікації Симакова [52]. Метод оснований на окисленні гумусових речовин у ґрунті до СО₂ за допомогою двохромовокислого калію (К₂Сr₂О₇), виготовленого в сірчаній кислоті при нагріванні:

2 К₂Сr₂О₇ + 8 Н₂SО₄ + 3С = 2 Сr₂(SО₄)₃ + 2 К₂SО₄ + 8Н₂О + 3 СО₂

За кількістю хромової суміші, що йде на окислення гумусу, судять про його кількість. Залишок біхромату, що не прореагував, визначають його титруванням розчином FeSO₄ або солі Мора.

К₂Сr₂О₇ + 6(NH₄)₂ SО₄ + 3 FeSO₄ +7 Н₂SО₄ =

Сr₂(SО₄)₃ + 3 Fe(SO₄)₃ + 6(NH₄)₂ SО₄+ К₂SО₄+ 7Н₂О

Вміст органічного карбону вираховували за формулою:

де

С - кількість гумусу в ґрунті, у %;

а – кількість мл 0,2н розчину солі Мора, що пішла на титрування контролю;

b – кількість мл 0,2н розчину солі Мора, що пішла на титрування дослідної проби;

К_М – поправка до титру солі Мора;

0,0006 – кількість органічного карбону, що відповідає 1 мл 0,2 н розчину солі Мора, г;

1,724 – кількість органічного вуглецю в г, що відповідає 1 г гумусу;

К – коефіцієнт гігроскопічності для перерахунку на абсолютно суху наважку ґрунту.

Актуальна кислотність обумовлена іонами водню, що знаходяться в ґрунтовому розчині. Про її величину судять по аналізу водної витяжки з ґрунту (рН водне). Вона характеризує кислотність ґрунтового розчину в момент визначення [44].

Потенційна кислотність обумовлена поглинутими іонами водню і алюмінію, які можуть переходити в ґрунтовий розчин і визначати її величину. Вона визначається в сольовій витяжці ґрунту. В залежності від того якою сіллю витісняються поглинуті іони , розрізняють обмінну та гідролітичну кислотність [2].

Обмінна кислотність це кислотність розчину, що утворюється при витісненні катіонами нейтральних солей з ґрунтового поглинаючого комплексу іонів водню та алюмінію. Найчастіше використовують 1 н. розчин хлористого калію (КСl): (ґрунт) + КСl – ґрунт К + НСl

(ґрунт) + 3КСl - ґрунт 3К +

+ 3НОН - + 3НСl

Визначення обмінної кислотності за рН сольової витяжки дозволяє наближено судити про потребу ґрунтів у вапнуванні.

Актуальну та обмінну кислотність ґрунту визначали іонометричним методом, за допомогою pH-метра.

Визначення гідролітичної кислотності має практичне значення. За її величиною найбільш точно вираховують норми вапна, які необхідно вносити в ґрунт для зменшення його кислотності.

Сума обмінних основ. Поглинальна особливість ґрунту має важливе значення для живлення рослин та взаємозв’язку між ґрунтом і внесеним добривом. Поглинуті основи визначають і реакцію ґрунтового розчину і поживний режим ґрунту в цілому.

Присутність в ґрунтовому розчині різних солей зумовлює обмінні реакції між твердою та рідкою фазами. Так, із ГПК можуть витіснятись та обмінюватись та інші. Встановлено, що одновалентні катіони менше утримуються ґрунтом та доступніші рослинам, чим двохвалентні. Аніони також можуть брати участь в обмінних реакціях.

Різні типи ґрунтів володіють різною поглинальною властивістю, що враховується при виборі форм добрива. При цьому не може бути єдиного методу визначення суми обмінних катіонів. Так, для карбонатних ґрунтів користуються методами К. К. Гедройца, П. В. Захарчука з використанням в користі витіснення обмінних основ 0,05 н. розчину НСl. Дослідженнями К. К. Гедройца було показано, що такий розчин кислоти не порушує ГПК, але витісняє обмінні катіони.

Сума поглинаючих основ (в мекв∕100 г абсолютно сухого ґрунту) розраховують за формулою:

,

де р – розчин ;

К – коефіцієнт вологості ґрунту;

н – наважка ґрунту, г.

Розрахунок ступеня насичення ґрунту основами. Маючи дані гідролітичної кислотності ґрунту та суми поглинаючих основ, можна розрахувати у відносних величинах ступінь насиченості ґрунту основами:

,

де Т – гідролітична кислотність + сума поглинаючих основ, мекв∕100 г ґрунту;

– сума поглинаючих основ.

При обробці ґрунту розчинами нейтральних солей витісняється не весь поглинутий водень. Для повного його витіснення діють розчинами кислого натрію або калію. Оцтово-кислий натрій у водному розчині гідролізується за рівнянням: СООNа + О > ґрунт NаОН + СООН.

Утворений внаслідок гідролізу іон Nа витісняє з поглинаючого комплексу ґрунту водень, який підкислює ґрунтовий розчин і обумовлює гідролітичну кислотність: ґрунт Н + СООNа > ґрунт Nа + СООН.

Вміст гігроскопічної вологи вираховували за формулою:

де

ГВ- гігроскопічна вологість, %;

а- вага бюкса з повітряно-сухим ґрунтом, г;

б- вага бюкса з абсолютно сухим ґрунтом, г;

с- вага бюкса, г.

Щоб вирахувати абсолютну суху вагу ґрунту користувалися коефіцієнтом гігроскопічної вологості, який вираховували за формулою:

де

К – коефіцієнт гігроскопічної вологості, %;

ГВ – процент гігроскопічної вологості.

Для одержання показників абсолютного сухого ґрунту вагу повітряно-сухого ґрунту множили на коефіцієнт гігроскопічної вологості.

де

АСГ- абсолютно-сухий ґрунт , г;

Б- вага повітряно-сухого ґрунту, г;

К- коефіцієнт гігроскопічної вологості

Визначення окисно-відновних потенціалів ґрунту під наметом Aser platanoides L. Одна із фундаментальних характеристик біологічних об’єктів і ґрунту – їх окисно-відновні потенціали (ОВП), які характеризують відношення окиснюваних та відновлюваних форм. Окисно-відновний потенціал інтегральна величина, яка показує можливість системи приймати чи віддавати електрони по відношенню до електроду порівняння.

Величина ОВП ґрунту залежить в основному від режиму вологи, аерації та інтенсивності діяльності мікрофлори. В аморфних ґрунтах потенціали коливаються в доволі вузьких межах, наприклад, для дерново-підзолистих та орних ґрунтів характерні Еh 450…500 мВ. Максимальними значеннями ОВП часто характеризуються горизонти та , а в горизонтах чи значення ОВП дещо нижчі. Зменшення значень ОВП йде у більш глибоких шарах ґрунту ніж горизонтат . Як абсолютні значення потенціалів, так і їх розподіл по ґрунтовому профілю залежать від ґрунтово-кліматичних умов. Тривале перезволоження знижує показник ОВП, особливо в оглеєних горизонтах. Короткотривале зволоження через дощі суттєво впливає на потенціал, але в періоди грозових дощів можливі стрибкоподібні зниження потенціалів.

Напрямок зсуву показника ОВП зумовлений, перш за все ступенем аерації, залежного від пористості, вологості і температури ґрунту. Дуже перешкоджає потраплянню кисню в ґрунт ґрунтова кірка, в результаті утворення якої, після дощу величини ОВП знижуються на 200…300 мВ. Протікання мікробіологічних процесів, як правило, також знижує потенціал через споживання кисню мікроорганізмами та коріннями вищих рослин.

Помітно впливають на величину ОВП наступні сполучення, які зустрічаються в ґрунті: .

Величиною ОВП ґрунту визначається, в яких типах сполучення в ньому буде знаходитись азот, залізо, марганець, сірка[44].

Окисно-відновний потенціал ґрунту визначали за допомогою потенціометра OPR-169E.

Важкі метали. Зростаюча увага до охорони навколишнього середовища викликала особливу зацікавленість до питань впливу на ґрунти і рослини важких металів.

На цю проблему звернули увагу при дослідженні родючості ґрунтів, оскільки такі елементи як Ферум, Манган, Купрум, Цинк, Молібден і, можливо, Кобальт дуже важливі для життєдіяльності рослин, а також і для тварин та людей. Вони відомі під назвою мікроелементів, тому що необхідні в малих кількостях.

Всі мікроелементи можуть негативно впливати на рослини, якщо концентрація їх доступних форм перевищує певну межу. Деякі важкі метали, наприклад, Ртуть, Плюмбум, Кадмій є шкідливими для здоров’я людини навіть при низьких концентраціях.

На вміст різних елементів в ґрунтах помітну дію виявляє атмосфера. Важкі метали (за виключенням Ртуті) в основному заносяться в атмосферу в складі аерозолів, значення яких в хімічному забрудненні повітря надто велике. В опадах, що випадають на поверхню ґрунту, можуть міститися Плюмбум, Кадмій, Арсен, Ртуть, Хром, Нікель, Цинк та інші елементи. Важкі метали в мінеральних добривах є природними домішками, що містяться в агроґрунтах. Найістотнішими за набором та концентраціями домішок важких металів є фосфорні добрива, а також добрива вироблені з використанням екстракційної ортофосфорної кислоти (амофоси, нітрофоски, подвійні суперфосфати).

Головним джерелом антропогенного надходження важких металів на земну поверхню є промислові викиди гірничодобувної металургії та хімічної промисловості. Тільки внаслідок роботи металургійних підприємств на поверхню землі щорічно надходить не менше 155тис. т Купруму, 122 тис. т Цинку, 89 тис. т Плюмбуму, 12 тис. т Нікелю, 765 т Кобальту, 1 500 т Молібдену, 30,5 т Ртуті. У районах промислових комплексів ґрунт у значній мірі забруднюється продуктами згорання палива, зола якого практично містить усі техногенні метали. Іноді стічні води без спеціального біологічного та хімічного очищення надходять на поля зрошення, де проходить їх фільтрація через ґрунт і поступове природне знезараження. В цьому випадку всі забруднення, що містяться у воді, надходять у ґрунт та ведуть до постійного його збагачення металами.

Ступінь забруднення ґрунту і рослин токсичними елементами та сполуками в умовах інтенсивної хімізації – це нова, досить актуальна екологічна проблема. Тому важко вибрати вірний метод визначення важких металів у ґрунті, а також методику визначення їх токсичного рівня. Необхідно провести велику методичну роботу по вибору найбільш об’єктивних методів визначення токсичних елементів у ґрунті, добривах, природних водах і рослинах, щоб установити кількісні межі їх токсичності. Причому, важкі метали необхідно вивчати в усьому біологічному ланцюгу: ґрунт – рослина – тварина – людина. Саме в ґрунтах необхідно нормувати вміст важких металів, так як ґрунти впливають на хімічний склад природних вод, повітря, рослин, на продукти тваринного походження, а отже і на здоров’я людини.

Нормування вмісту важких металів у ґрунтах передбачає встановлення їх гранично допустимих концентрацій (ГДК).

Ми визначали вміст в ґрунті важких металів (Zn, Fe, Pb) за допомогою атомно-абсорбційного спектрофотометру С-115-М1. Проводили розрахунок вмісту важких металів на 1 кг сухої маси ґрунту [53,66].