Влияние сочетанного химического и электромагнитного загрязнения на биологические свойства почв. Монография

51

С – материнская порода.

Образование гумуса в происходит за счет преобразования лесной подстилки. Под влиянием грибной и бактериальной флоры лесная подстилка на минерализуется 80–90%, гумифицируется на 10–15%. Коэффициент накопления растительного опада составляет 1,0–1,5.

Диагностическим признаком гумусообразования является формирование гумусового горизонта с гуматно-фульватным гумусом (Сгк : Сфк от 0,5 до 0,9). Продукты гумусообразования содержат очень мало агрессивных по отношению к минеральной части кислотных фракций. Чаще всего в гумусе бурых лесных почв представлены фракции гуминовых и фульвокислот, функциональные связи которых заняты катионами Са2+, Fe2+, Fe3+, Al3+ (Вальков и др., 2002).

В бурых лесных почвах гуминовые кислоты представлены в основном фракцией бурых кислот. Черных гуминовых кислот практически не содержат. Запасы гумуса в почвенной толще достигают 200 т/га (Казеев и др., 2004).

Лессиваж (перемещение по профилю почвы тонкодисперсных частиц) является основной причиной дифференциации минеральной части. Лессивирование ила усиливает текстурность горизонта В, который и усиливает сезонное переувлажнение.

Для формирования бурых лесных почв требуется интенсивное выветривание первичных минералов. На щебнистых породах, находящихся в процессе выветривания, интенсивность оглинивания усиливается. У бурых лесных почв, которые сформированы на глинистых материнских породах, процесс накопления глинистых частиц в профиле выражен весьма слабо. В данном случае оглинивание проявляется не в накоплении иловых частиц, а в преобразовании их минералогического состава. В любом случае оглинивание сопровождается высвобождением различных соединений железа, чему способствует периодическая переувлажненность.

Вследствие процессов выщелачивания, лессивирования и псевдооглеения в бурых лесных почвах развивается кислая реакция среды и ненасыщенность основаниями (Вальков и др., 2008).

52

2.3. Серопески

Серопески образуются в подзонах распространения черноземных почв на песчаных отложениях разного генезиса и являются квазиравновесными почвенными образованиями, в отличие от песков и супесей, которые почвообразованием затронуты слабо. Серопески чаще всего приурочены к обыкновенным и южным черноземам и относятся к интразональным почвам (Казеев и др., 2010).

Для исследования почву отбирали в Каменском районе Ростовской области. Угодьем являлась разнотравная степь на песках.

Серопески имеют легкий гранулометрический состав, они содержат небольшое количество гумуса, генетические горизонты черноземного профиля не оформлены, также можно отметить бескарбонатность и глубокую выщелоченность, серопески имеют нейтральную и слабокислую реакцию среды. Серопески экологически оптимальны для сосновых лесов. Глубокие горизонты серопесков (более 200 см) отличаются выделением гидроморфных форм окислов железа (Ка-

зеев и др., 2004).

Серопески отличаются мощным генетическим профилем, хотя их гумусовоаккумулятивный горизонт слабо выражен. По Валькову и др. (2008) можно выделить следующие горизонты серопесков:

А0 10-0 см – лесная подстилка , состоящая из опада сосновых деревьев. А0А1 0-3 см – грубогумусовый горизонт, переходный от собственно лесной

подстилки к почвенному минеральному субстрату. А 3-12 см – гумусово-аккумулятивный, серый.

АВ1 12-50 см – гумусово-аккумулятивный, светло-серый, переходный. АВ2 50-110 см – слабогумусово-аккумулятивный и элювиальный. СА2 110-180 см – элювиированная супесь.

CJ 180 – более 250 см – псевдоглеевая супесь с буровато-железистой пятнистостью.

Серопески имеют типичное рыхлое песчаное сыпучее строение, отсутствие водоупорных горизонтов, провальную водопроницаемость, которая опосредует

53

элювиирование легкорастворимых солей. Содержание физической глины составляет 10%, без генетической дифференциации по горизонтам. Серопески способы хорошо аккумулировать парообразную влагу, которая в теплые периоды года в глубоких слоях почвы переходит в жидко-капельную (Казеев и др., 2010).

К почвообразовательным процессам, согласно В.Ф. Валькову с соавторами (2008) можно отнести гумификацию растительных остатков по гуматнофульватному типу, при этом скорость накопления гумусовых веществ снижена, окислительно-восстановительные процессы в глубокой толще песчаных наносов псевдоглеевого типа с новообразованиями оксидов железа в виде пленок бурого окрашивания тотальное выщелачивание легкорастворимых солей, гипса и карбонатов без их иллювиирования.

Серопески отличаются алюмосиликатным полевошпатовым составом песков и супесей, нейтральной и слабокислой реакцией среды, при этом рН может варьировать от 5,6 в верхних горизонтах около лесной подстилки до 7,1 в гумусовоаккумулятивном горизонте А и 6,1-6,5 в элювиальных нижних горизонтах почвенного профиля. Поглотительная способность серопесков низкая, ЕКО 5-8 мгэкв/100г, насыщенность основаниями 90-95%. Гумусированность слабая, 1,8-2,0% в горизонте А и около 0,2-0,4% в горизонте АВ и С, состав гумуса гуматнофульватный. Отмечается крайняя обедненность валовыми и доступными растениям формам элементов питания (Вальков и др., 2008).

54

ГЛАВА 3. МЕТОДИКА И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

3.1. Методика модельных исследований

Для решения поставленных задач был заложен ряд модельных методов. Модельные методы, по сравнению с полевыми, имеют ряд преимуществ (Колесников и др., 2000). Во время модельных исследований можно поддерживать на постоянном уровне такие зависимые от внешних условий показатели, как температура и влажность почвы, во всех вариантах опыта. Поэтому появляется возможность добиться сопоставимых результатов, что довольно сложно во время полевых исследований.

Также появляется возможность равномерно перемешать почву в сосудах до полной однородности, тогда как в делянках часто наблюдаются расхождения в свойствах почвы, которое может оказать влияние на конечный результат.

Так же во время проведения модельного эксперимента появляется возможность внесения контролируемого количества загрязняющих веществ, а также подвергнуть почву строго определенным значениям переменных магнитных полей и СВЧ-излучения. Это позволяет говорить о более точных результатах модельных экспериментов.

Таким образом, многие вопросы, связанные с влиянием различных факторов на биологические свойства почвы, можно решить только посредством модельных опытов.

Почву для исследования отбирали в местах, указанных выше.

Данные типы почв были выбраны не случайно. Чернозём обыкновенный является ценным сельскохозяйственным ресурсом – 50% всех пашен Российской Федерации приходится именно на черноземы. Это почва, богатая гумусом, с высоким количеством и разнообразием микроорганизмов, высоким уровнем ферментативной активности и высокой поглотительной способностью.

Бурые лесные беднее чернозема, и, помимо этого, имеют подкисленную реакцию среды, а также формируются в условиях переувлажнения. Таким образом, они имеют отличный от чернозёмов видовой состав микробных комплексов, что, в

55

свою очередь, влияет и на изменение биологических свойств почв под воздействием загрязнителей различной природы.

Серопески, напротив, бедны гумусом, их микробные комплексы бедны и неустойчивы, активность ферментов низкая. Это неустойчивые к загрязнениям почвы.

Почву отбирали из горизонта 0-20 см, высушивали до воздушно-сухого состояния. После высушивания почву помещали в стеклянные сосуды и подвергали действию загрязнителей.

Нами было выбрано 2 направления исследований:

1. Изучение сочетанного влияния переменного магнитного поля и неф-

ти, переменного магнитного поля и свинца.

В качестве объектов исследования был взят чернозем обыкновенный. В увлажненную до 60% от общей влагоёмкости почву вносили нефть в количестве 2, 5 и 10% от общей массы почвы, тщательно перемешивали. Характеристика нефти дана в таблице 2. Затем образцы подвергали воздействию ПеМП индукцией 300, 1500 и 3000 мкТл промышленной частоты 50Гц в соленоидах. Такие уровни индукции использовали потому, что в этих пределах лежат нормы воздействия переменного магнитного поля на человека, т.е. они будут оказывать воздействие на биологический объект (СанПиН 2.2.4.723-98). Образцы загрязняли так, чтобы в опыте присутствовали все варианты сочетанного загрязнения, а также образцы, подвергшиеся только воздействию ПеМП или нефти. Незагрязненный образец служил контролем. Почву инкубировали 10 суток.

Для изучения сочетанного загрязнения свинцом и переменным магнитным полем в качестве объектов исследования были взяты чернозем обыкновенный, бурая лесная почва и серопески. В воздушно-сухую почву вносили оксид свинца в количестве 100, 500, 1000, 1500, 2000 мг свинца на кг почвы. Тяжелые металлы вносили в почву в форме оксидов, поскольку 70-90% загрязнения почв происходит именно этой формой ТМ (Колесников и др., 2000). Далее почву увлажняли до 60% от общей влагоёмкости и подвергали воздействию ПеМП индукцией 300, 1500 и 3000 мкТл в тех же установках. Образцы загрязняли так, чтобы в опыте

56

присутствовали все варианты сочетанного загрязнения, а также образцы, подвергшиеся только воздействию ПеМП или свинца. Незагрязненный образец служил контролем. Почву инкубировали 10 суток.

Таблица 2

Характеристики используемой в исследованиях нефти

(Chemical Laboratory of “Sheskharis” Oil Base, Химическая лаборатория нефтебазы

«Шесхарис», Новороссийск, 2000)

Quality characteristics of product (Показатели качества товара):

2. Изучение сочетанного влияния СВЧ-излучения и свинца, СВЧ-

излучения и нефти.

Вкачестве объектов исследования был взят чернозем обыкновенный. В сухую почву вносили оксид свинца в количестве 1000 мг/кг, увлажняли до 60% от общей влагоёмкости. Затем образцы помещались в микроволновую печь SAMSUNG, магнетрон которой работает на частоте 2450 МГц, и в течение 1 минуты подвергались воздействию СВЧ-излучения мощностью 450 и 800 Вт.

Вдругом варианте опыта вместо оксида свинца использовали нефть в количестве 5 % от массы почвы. Образцы загрязняли так, чтобы в опыте присутствова-

57

ли все варианты сочетанного загрязнения, а также варианты, подвергшиеся только СВЧ-воздействию или воздействию химическим загрязнителем. Незагрязненный образец служил контролем. Почву инкубировали 10 суток.

Через 10 суток всю массу почвы извлекали из вегетационного сосуда и перемешивали, тем самым получали «средний образец», из которого отбирали пробы на определение исследуемых показателей.

При постановке модельных экспериментов использовали 3 оригинальные установки, разработанные и сконструированные радиоинженером, мастеромрадиоконструктором СССР В.М. Денисовым. Все установки представляют собой соленоиды.

3.2. Описание установок, использованных в эксперименте

При постановке модельных экспериментов использовали 3 оригинальные установки, разработанные и сконструированные радиоинженером, мастеромрадиоконструктором СССР В.М. Денисовым. Все установки представляют собой соленоиды.

Напряженность магнитного поля (H) в А/м внутри катушки у которой длина

идиаметр соизмеримы определяется по формуле:

i*W

H = D L , где

i – ток (А); W – число витков катушки (шт.); L – длина намотки (м); D – диаметр катушки (м).

Магнитная индукция (B) в мкТл при переходе от единиц напряженности (H) в А/м рассчитывается по формуле: B (мкТл) = 1,25 * H (А/м), таким образом, создавая различный ток в соленоиде получим различную напряженность магнитного поля в соленоиде.

Установка № 1 представляет собой соленоид, в котором имеется возможность создавать переменные магнитные поля промышленной частоты (50 Гц).

Исходные данные установки:

1. Диаметр соленоида – 110 мм (0,11 м) – D

58

2.Длина намотки соленоида – 170 мм (0,17 м) – L

3.Число витков обмотки соленоида – 920 витков

4.Диаметр провода – 0,8 мм (для учета допустимого тока в соленоиде ~ 1,5 А).

5.Сопротивление постоянному току – 22 Ома.

6.Индуктивность соленоида – 163 мГн (163 10-3 Гн).

Установка № 2 представляет собой соленоид, в котором имеется возможность создавать магнитные поля как переменные – промышленной частоты (50 Гц) – так и постоянные.

Исходные данные установки:

1.Диаметр соленоида – 100 мм (0,1 м) – D

2.Длина намотки соленоида – 170 мм (0,17 м) – L

3.Число витков обмотки соленоида – 2000 витков

4.Диаметр провода – 0,8 мм (для учета допустимого тока в соленоиде ~ 1,5 А).

5.Сопротивление постоянному току – 22 Ома.

6.Индуктивность соленоида – 163 мГн (163 10-3 Гн).

Установка № 3 представляет собой соленоид, в котором имеется возможность создавать переменные магнитные поля промышленной частоты (50 Гц) и постоянные магнитные поля с дискретной установкой их величин.

Исходные данные установки:

1.Диаметр соленоида – 150 мм (0,12 м) – D

2.Длина намотки соленоида – 200 мм (0,2 м) – L

3.Число витков обмотки соленоида – 400 витков

4.Диаметр провода – 0,8 мм (для учета допустимого тока в соленоиде ~ 1,5 А).

5.Сопротивление постоянному току – 22 Ома.

6.Индуктивность соленоида – 163 мГн (163 10-3 Гн).

59

3.3 Методы определения биологических свойств почвы

Лабораторно-аналитические исследования выполнены на кафедре экологии и природопользования ЮФУ с использованием методов, общепринятых в биологии, почвоведении и экологии (Галстян, 1974, 1978; Хазиев, 1990; Методы почвенной микробиологии и биохимии, 1991; Казеев и др., 2003).

Численность бактерий и микроскопических грибов учитывали методом посева почвенной суспензии на плотные питательные среды. Аммонифицирующие бактерии выделяли на МПА (мясо-пептонный агар) Численность спорообразующих бактерий учитывали так же глубинно на МПА из предварительно пастеризованной суспензии. Численность грамотрицательных бактерий определяли глубинно на среде МПА с добавлением бриллиантового зеленого. Численность грибов учитывали на подкисленной среде Чапека. Численность амилолитических бактерий учитывали поверхностным посевом на КАА (крахмало-аммиачном агаре), так же учитывали численность актиномицетов. Численность азотфиксирующих бактерий рода Azotobacter учитывали методом комочков обрастания на среде Эшби.

О ферментативной активности почвы судили по активности каталазы и дегидрогеназы, которую определяли по Галстяну (1978). По рекомендации А.Ш. Галстяна (1978) активность почвенных ферментов изучали при естественном рН почвы.

Для определения фитотоксичности почвы использовали изменение показателей интенсивности начального роста: длина корней, длина побегов, (Бабьева, Зенова, 1989; Казеев и др., 2003). В качестве тест-объектов использовали редис

(Raphanus sativus).

Для определения биомассы почвенных микроорганизмов пользовались регидротационным методом определения почвенной биомассы (Казеев и др., 2003).

3.4 Статистическая обработка результатов

Статистическая обработка данных была произведена с использованием статистического пакета Statistica 6.0 для ПК. Рассчитывали основные показатели вариационной статистики: среднее среднего (M m), стандартное отклонение (s),

60

коэффициент вариации (CV). Двухфакторный дисперсионный анализ использовали для оценки вклада каждого из факторов и их взаимодействия в наблюдаемый эффект воздействия.