Экологическая устойчивость серых лесных почв к факторам деградации

К факторам , загрязняющим окружающую среду , часто относят и химизацию земледелия , в частности , применение минеральных , известковых и органических удобрений .

Удобрения как источник питания растений и увеличения урожайности изучают давно , а как фактор , влияющий на содержание тяжелых металлов в почве растениях , исследуют сравнительно недавно и данные противоречивы .

С одной стороны , в составе удобрений могут быть тяжелые металлы , которые потенциально способны загрязнять почву , растения и грунтовые воды , с другой – удобрения , изменяя агрохимические свойства почвы , могут влиять на подвижность тяжелых металлов в почве и их поступление в растения . Исходя из этого , нами была также поставлена цель – изучить влияние склада хранения минеральных удобрений и химических средств защиты растений на загрязнение почв прилегающей территории ( пастбища и пашни под многолетними травами ) на разной удаленности .

М етодика исследований

Оценку деградации почв проводили на основе маршрутных форм мониторинга определением содержания гумуса , валового содержания и подвижных форм тяжелых металлов , плотности и агрегатного состава почвы , видового состава почвенных беспозвоночных , химического загрязнения растительного покрова .

Результаты и их обсуждение

Содержание валовых и подвижных форм тяжелых металлов в почве изменялось следующим образом ( табл . 1 и 2).

Таблица 1 - Накопление тяжелых металлов в почве ( валовая форма ), мг / кг

№ ᴨ / ᴨ	№ раз реза	Глуби на , см	Cu	Zn	Ni	Co	Pb	Mo
ПДК			55,0	100	85,0	-	30,0	3,0
Удаленность 200 м от химсклада
1	14	0-20	16,0	33,0	25,0	11,0	18,0	10,0
2	14	20-30	13,0	28,0	21,0	10,0	15,0	10,0
3	14	50-60	16,0	30,0	25,0	11,0	16,0	10,0
Пашня , 20 м от химсклада
4	15	0-20	19,0	39,0	25,0	9,0	16,0	10,0
5	15	20-30	19,0	41,0	29,0	11,0	18,0	10,0
6	15	50-60	19,0	48,0	36,0	13,0	20,0	10,0
Пастбище
7	16	0-20	16,0	34,0	27	10,0	18,0	10,0
8	16	20-30	16,0	43,0	31,0	12,0	16,0	10,0

В целом по полученным данным можно сделать вывод о том, что расположенный химический склад минеральных удобрений не представляет непосредственной опасности для загрязнения почв тяжелыми металлами. Однако, следует заметить, что ненормированное использование химического склада минеральных удобрений может привести к избыточному накоплению токсических элементов в почве и ухудшить физико-химические свойства почв. Наибольшую опасность представляют подвижные формы тяжелых металлов. Поэтому важно проследить их изменение по слоям почвы в зависимости от удаленности от химического склада минеральных удобрений. Результаты проведенных исследований свидетельствуют о том, что систематическое хранение и внесение азотных, фосфорных, калийных удобрений повышало содержание в почве подвижных форм меди и свинца.

Таблица 2 - Накопление тяжелых металлов в почве ( подвижная форма ) мг / кг

№ ᴨ / ᴨ	№ раз реза	Глуби на , см	Cu	Zn	Ni	Co	Pb	Mo
ПДК			3,0	23,0	4,0	5,0	32,0
Удаленность 200 м от химсклада
1	14	0-20	<0,03	2,8	2,3	0,5	<2,0	<3,0
2	14	20-30	<0,03	3,8	4,0	0,5	2,0	<3,0
3	14	50-60	1,0	1,1	4,0	0,5	3,0	<3,0
Пашня , 20 м от химсклада
4	15	0-20 0,4		2,3	1,6	<0,5	4,0	<3,0
5	15	20-30	3,9	3,8	1,2	<0,5	<2,0	<3,0
6	15	50-60	0,9	3,6	2,4	<0,5	3,0	<3,0
Пастбище
7	16	0-20	0,4	4,8	3,3	0,5	3,0	<3,0
8	16	20-30	<0,03	1,5	2,9	0,5	2,0	<3,0

Так , например , содержание никеля в слое почвы 20-60 см в настоящее время находится на уровне ПДК и составляет 4,0 мг / кг . Аналогичная не менее острая ситуация складывается и с загрязнением почвы медью . Ее содержание в слое почвы 20-30 см на 30% превышает ПДК и составляет 3,9 мг / кг . Неблагополучно также положение в почве со свинцом . Выявлены участки , где его содержание достигает довольно высоких значений – 20 мг / кг , при значении ПДК – 30 мг / кг .

Исследования состояния плодородия земель учхоза « Лавровский », находящихся в различных условиях их использования , показали значительные изменения в структурном состоянии , физических свойствах и биологической активности серых лесных почв . Большой интерес представляет пастбище учхоза .

При усиленном выпасе животных происходит разрушение пастбищных экосистем . Выпас крупнорогатого скота приводит к увеличению агрегатов крупнее 10 мм , их количество в 2 раза превышало количество таких агрегатов в пахотном горизонте почвы под многолетними травами . Под травами практически не отмечается заметного изменения в содержании агрегатов крупнее 10 мм и мельче 0,25 мм как в пахотном , так и в подпахотном горизонтах ( рис . 12). Содержание агрономически ценных агрегатов 100,25 мм в горизонтах почвы пастбища изменяется следующим образом : в верхнем 20 см гумосовом слое их количество достигало 68,3 %, а в подгумусовом слое содержание агрегатов увеличилось до 90%. В почвах под многолетними травами содержание агрономически ценных агрегатов практически не изменялось по профилю почвы : если в пахотном слое их количество составляло 79%, то подпахотном горизонте – 77,5%.

Интерес представляют данные по изменению плотности и коэффициента структурности в гумусовом слое серой лесной почвы пастбища и пашни под многолетними травами. Почва верхнего горизонта пастбища отличается сильным уплотнением, плотность достигала 1,34г/см3 коэффициент структурности, составил 2,2 – 2,4. В верхнем слое почвы под многолетними травами плотность была ниже в сравнении с почвой пастбища и составила 0,98 г/см3 в подпахотном слое. Коэффициент структурности в пахотном и подпахотном горизонтах достигал 3,8 и 3,1 ед. соответственно и был выше, чем в почвах пастбища.

Изменение физических свойств почвы при выпасе копытных животных существенно влияет и на почвообитающих животных .

Общая численность крупных педобионтов , для которых почва представляет плотную среду , под многолетними травами составляла 27,4 +/- 3,9 экземпляров на 1 пробу . В их сообществе определены представители 3- х групп крупных почвенных животных ( табл . 3).

Таблица 3 - Распределение макрофауны по вариантам исследований

Виды	Многолетние травы	Пастбище
Большой красный выползок	4,0+0,9	1,5+0,7
Пашечный червь	8,7+1,2	2,9+0,9
Малый красный червь	0,2+0,1	0,6+0,2
Молодые черви	9,6+2,5	4,1+0,8
Всего червей на гл . 0-30	21,6+3,5	9,2+1,7
Личинки	3,9+0,8	0,9+0,6
Проволочники	-	0,5+0,2
Многоножки	0,9+0,3	0,6+0,4
Всего особей на гл . 0-30	27,4+3,9	11,2+2,2

В сообществе преобладали дождевые черви , на их долю приходилось 78,8 %. Среди личинок насекомых , занимавших в их группе 14,2 %, отсутствовали проволочники . Участие многоножек незначительно – 3,3 %. В группировке дождевых червей явно преобладали юнивеальные формы . Они занимали в сообществе 44,4 %. Обильно был представлен пашечный червь -40,3%. На долю большого красного выползка приходилось 18,5 %, малого же красного выползка – всего 0,9 %. По профилю почвы на 30- сантиметровой глубине люмбрициды , как и другие представители макрофауны , распределены более или менее равномерно , хотя проявляется тенденция к уменьшению их обилия на второй и третьей учетных глубинах . Вместе с тем в размещении отдельных видов имеются существенные различия . Так , в верхнем 10 сантиметровом горизонте сосредоточена основная масса ювенильных люмбицид (66,7%), особей большого красного выползка (60 %) и личинок безпозвоночных (56,4%). Иначе размещается по профилю почвы пашечный червь – с увеличением глубины доля его участия в сообществе возрастает . В первом учетном слое встречено всего 2,3 % особей этого вида , во втором – уже 35,7%, а в третьем – 62,1%.

На пастбище по сравнению с многолетними травами общая численность макрофауны была в 2,4 раза меньше и составила 11,2+/- 2,2 экз/на пробу. Степень достоверности различий между этими вариантами по Стьюденту оказалась высокой - 0,9997. При этом численность всех группировок животных и видов люмбрицид также была ниже. Вместе с тем среди личинок беспозвоночных встречались проволочники. В комплексе беспозвоночных, как и в первом варианте исследования, преобладали дождевые черви. На их долю приходилось 82,1 %. В группировке люмбрицид явно преобладали ювенильные (молодые) формы. Они занимали в сообществе 44,6 %. Обильно также был представлен пашенный червь -31,5 %. На долю большого красного выползка приходилось 16,3 %, малого же красного выползка – 6,5 %. По профилю почвы культурного пастбища представители макрофауны распределены неравномерно. Наиболее заселен верхний десятисантиметровый горизонт. В нем обитает около 42,4 % крупных почвенных беспозвоночных, в том числе и 51,5 % люмбрицид. В среднем слое их обилие соответственно составляло 27,8 % первых и 28,2 % вторых, а в нижнем – 18,9 % первых и 20,3 % вторых. В группировке малощетинковых червей в верхнем слое преобладали лишь молодые черви (58,5%). Обилие большинства других видов уменьшалось с глубиной или, как у пашенного червя, незначительно колебалось по глубине – около 1 экз/на пробу. В нижнем горизонте полностью отсутствовали многоножки.

Среди мелких почвенных членистоногих , обитающих в порах почвы , на опытных участках зарегистрировано 14 видов коллембол , 23 вида клещей , принадлежащих к разным систематическим группам ( орибатиды -7 видов ; гамазовые клещи – 10; тарсонемоидные – 1; астигматические – 2; тромбидиформные -3 вида ).

Общая численность мелких почвенных членистоногих на участке с многолетними травами составляля 49866 зкз / кв . метр в группировке преобладали клещи , на их долю приходилось около 80%, причем подавляющее их большинство относилось к орибатидам , средняя плотность населения которых составляла 39970 экз / кв . метр (82%). Доля гамазовых , тарсонемоидных , асигматических и тромбидиформных клещей колеблется от 1,7 до 15,6%. Средняя численность орибатид – около 40 тыс . экз / кв . метр . Средняя численность тромбидиформных клещей достигла 7588 экз / кв . метр . Плотность населения коллембол низкая – около 700 экз / кв . метр .

Население крупных почвенных безпозвоночных под многолетними травами и на пастбище представлено одними и те миже массовыми видами . Различия между этими вариантами исследования проявляются в численности группировок педобионтов и отдельных видов люмбрицид , а также в распределении их по учетным глубинам . Общая численность макрофауны на пастбище в 2,4 разв ниже , чем под многолетними травами . В распределении большинства беспозвоночных по глубине проявляется тенденция к уменьшению их обилия в каждом из нижележащих горизонтов . Лишь доля участия пашенного червя в сообществе с глубиной возрастает .

Выпас наиболее сильно воздействует на верхний слой почвы . В связи с этим , в варианте с пастбищем по сравнению с многолетними травами отмечено сокращение общего обилия видов , снижение плотности населения мелких почвенных членистоногих , существенные перестройки происходят в структуре доминирования микроартропод .

Взаимодействие почв, растений и почвенных животных с тяжелыми металлами зависит в значительной степени от заряда, молекулярной массы и констант устойчивости их комплексных соединений. При этом образование таких комплексов происходит как при стекании тяжелых металлов вместе с осадками по стволам и кроне деревьям и по травянистым растениям, так и при взаимодействии их с опадом растений. Состав этих соединений зависит от растительного покрова. Попадая в верхний горизонт почвы, тяжелые металлы образуют новые комплексы с водорастворимыми органическими лигандами, заряжено как положительно, так и отрицательно. Очевидно, что влияние на почвенные процессы и биоту несвязанных в комплексы ионов тяжелых металлов, положительно и отрицательно заряженных комплексных соединений будет различно. Это определяет и разные критические уровни концентрации тяжелых металлов для конкретных почвенных условий.

На основании проведенных нами исследований на территории Орловской области , ( конкретно в п . Лаврово ), установлено содержание тяжелых металлов в почве и растениях , описано видовое разнообразие и повреждаемость растений на клеточном и организменном уровнях , определены чувствительные и относительно устойчивые к загрязнению виды ( табл . 4).

Таблица 4 - Содержание тяжелых металлов в растениях , мг / кг сухого вещества

№ пункта	s H		>8 S У ^ к 6	о 5 6	Г tt H	6x8	>8 У CQ О о
ч X	Zn	50,0	54,2	34,9	13,8	64,6	43,9
	Cu	30,0	17,5	34,7	23,7	15,7	11,4
	Pb	5,0	4,8	1,3	1,8	1,3	1,9
	Ni	3,0	3,7	4,8	2,4	4,1	2,7
s ю 6 cj	Zn	50,0	15,5	12,0	24,7	27,5	5,0
	Cu	30,0	10,9	18,8	12,7	20,0	5,0
	Pb	5,0	2,0	1,34	3,0	3,0	3,5
	Ni	3,0	1,1	1,15	2,0	1,1	1,9

Содержание тяжелых металлов в растениях приведено в табл . 3. Наиболее многочисленными являются представители семейств : злаковых , бобовых , крестоцветных , розоцветных , губоцветных , норичниковых видов .

Флора территории , прилегающей к складу минеральных удобрений , характеризуется бедностью семейства бобовых , доминируют злаки . В растительных сообществах у видов установлено ускорение и замедление фенофаз .

Флора пастбища характеризуется скудной растительностью . Из - за переуплотнения почвы в некоторых местах растительность полностью отсутствует .

Заключение

Таким образом , основным фактором деградации серых лесных почв пашни и пастбища являются воздействие средств химизации и нерегулируемое пастбищное содержание крупного рогатого скота .