Оценка экологического состояния засоленных, кислых и щелочных почв методом фитотестирования

Засоленность – один из основных признаков неблагополучного экологического состояния земель. По классическим представлениям отрицательное воздействие засоления на биологические объекты обусловлено щелочной реакцией среды, осмотическим и токсическим действием легкорас- творимых солей, неблагоприятными воднофизическими свойствами почв (ухудшение водопроницаемости за счет повышения содержания физической глины, увеличение минерализации органического вещества). В засоленных почвах понижены уровень потенциального плодородия, доступность макро- и микроэлементов для растений, количество и разнообразие микроорганизмов и

почвообитающих беспозвоночных. В последние десятилетия накапливаются сведения о техногенном галогенезе, связанном с добычей и производством солей, применением антигололедных средств, разливом пластовых вод на нефтепромыслах. При этом засоление, солонцеватость и ощелачивание почв развиваются даже в условиях влажного климата тайги и смешанных лесов [Ред-ли, Панкова, 2004; Габбасова, Сулейманов, 2007; Белкин, 2008; Сулейманов, 2010; Щербак, Фоминых, 2012; Еремченко, Митракова, Шестаков, 2017; Никифорова, Касимов, Кошелева, 2017; Азовцева, Смагин, 2018; Хулиш и др., 2018].

Современная антропогенная деятельность создает серьезную угрозу – увеличения площадей засоленных почв; на этом фоне возросла актуальность контроля за эколого-биологическими свойствами этих почв. В природоохранной практике США, Франции, Германии, Швеции, Японии обязательными являются методы биотестирования, в которых приоритет часто отдают высшей растительности. Фитотестирование лежит в основе метода оценки токсичности почв, нормирования загрязняющих веществ. Чувствительность растений к почвенно-химическому воздействию проявляется в ростовых, морфологических, биохимических характеристиках [Фомин, Фомин, 2001; Chaignon, Hinsinger, 2003; Багдасарян, 2005; Edson et al., 2007; Fuleky, Barna, 2008; Воронина, 2009; Маяч-кина, Чугунова, 2009; Терехова, 2011; Бардина, Чугунова, Бардина, 2013, 2016; Терехова, Гладкова, 2014; Николаева, Терехова, 2017; Гареева, 2018]. Интегральной тест-реакцией на загрязнение почв могут служить физиолого-биохимические реакции, сопровождающие окислительный стресс растений [Еремченко, Митракова, 2016].

Во многих работах показана эффективность применения в тестировании почв мелких семян культурных растений, в частности кресс-салата Lepidium sativum L. Этот вид показал информативность при анализе загрязнений как отдельными поллютантами (тяжелыми металлами, углеводородами, радиоактивными веществами), так и при их комплексном воздействии [Шунелько, Федорова, 2000; Czerniawska-Kusza et al., 2006; Sujetovienė, Griauslytė, 2008; Лисовицкая, Терехова, 2010].

В наших исследованиях прослежена существенная ответная реакция кресс-салата на кислотность и щелочность почв, содержание гумуса и питательных элементов, агрегатное состояние, подвижность некоторых тяжелых металлов в почвах Пермского края; на разработанный метод фитотестирования получен патент [Еремченко, Митракова, 2016]. Однако осталась не изученной реакция тест-культуры на засоленность почв, комбинированное воздействие засоления и щелочности, засоления и кислотности. В урбанизированных и техногенных ландшафтах ногенных ландшафтах региона имеют определенное распространение засоленные и подщелаченные почвы и техногенные поверхностные образования [Еремченко, Митракова, Шестаков, 2017]. Техногенные компоненты почвенного покрова должны получить свою экологическую характеристику, в том числе методом фитотестирования.

Цель работы – изучить ответную реакцию кресс-салата на отдельное и комбинированное действие засоления и рН-уровня почвенной среды.

Материалы и методы исследований

В модельном эксперименте изучили реакцию тест-культуры на отдельное и комбинированное воздействие засоления NaCl и разного рН-уровня корневой среды. Пробы из элювиального горизонта дерново-подзолистой почвы с рН = 4.9 нейтрализовали известью (расчетной дозой по величине гидролитической кислотности) до рН = 7.0. NaCl внесли в количестве 0.3 и 0.5% от веса сухой почвы. Для подщелачивания почвы до рН 8.2 использовали Na 2 СО 3 .

Схема опыта:

• 1.    Тест-контроль

• 2.    рН 4.9 (дерново-подзолистая почва)

• 3.    рН 7.0 (известкованная дерново-подзолистая почва)

• 4.    рН 8.2 (подщелаченная дерново-подзолистая почва)

• 5.    рН 4.9 + NaCl 0.3%

• 6.    рН 7.0 + NaCl 0.3%

• 7.    рН 8.2 + NaCl 0.3%

• 8.    рН 4.9 + NaCl 0.5%

• 9.    рН 7.0 + NaCl 0.5%

• 10.    рН 8.2 + NaCl 0.5%

  Полевой материал (пробы из почвенных слоев 0–15 см) был отобран в ландшафтах складирования солевых отходов на территории Соликамского калийного рудоуправления (СКРУ-1, СКРУ-2) и Березниковского калийного производственного управления (БКПРУ-3, БКПРУ-4). Диагностика почв и техногенных поверхностных образований (ТПО) приведена в соответствии с современной классификацией почв РФ [Классификация…., 2004].

В почвенных пробах определяли: содержание органического углерода – по Тюрину (ГОСТ 26213-91); рНвод, рНсол – потенциометрическим методом (ГОСТ 26423-85); гидролитическую кислотность – по методу Каппена в модификации ЦИНАО (ГОСТ 26212-91); обменный кальций и обменный магний – методами ЦИНАО (ГОСТ 26487-85); емкость катионного обмена (ЕКО) рассчитывали путем сложения суммы оснований и гидролитической кислотности; емкость поглощения в карбонатных пробах – методом Мелиха; подвижные соединения фосфора и калия – по Кирсанову в модификации ЦИНАО (ГОСТ Р 546502011); ионно-солевой состав изучали в водной вы- тяжке: Na+ и К+ – на пламенном фотометре; Cl– – путем титрования азотнокислым серебром; Ca2+, Mg2+ – трилонометрическим методом; сульфат-ионы рассчитывали по разности сумм катионов и анионов.

Фитотестирование почв и ТПО провели согласно патенту на изобретение № 2620555. На почвенных пробах вырастили кресс-салат; через 8 дней роста провели замеры высоты и массы (на весах с точностью до 0.001 г) 25 растений. В зеленой массе в трехкратной повторности определили редокс-активность растительных экстрактов по методу Петта – Прокашева. Тест-контролем служили растения, выращенные на вермикулите с раствором Кнопа; способность этой корневой среды создавать условия для роста и развития кресс-салата не уступает чернозему [Еремченко, Митракова, 2016].

Данные по высоте и массе растений обработали статистическими методами, результаты определений редокс-активности – методом дисперсионного анализа. Существенность различий с тест-контролем обоснована критерием Стьюдента, параметрическими и непараметрическими тестами (при 95%-ном уровне вероятности).

Результаты и их обсуждение

В модельном эксперименте с засолением и ощелачиванием дерново-подзолистой почвы установлено, что на всех вариантах опыта высота и масса тест-культуры была ниже по сравнению с тест-контролем (рис. 1). На пробах из элювиального горизонта снижение высоты и массы кресс-салата обусловлено в значительной степени кислой средой, зависимость от которой подтверждена в ранее проведенных исследованиях. На известкованных пробах, с реакцией среды близкой к нейтральным значениям, состояние растений было наилучшим и составляло 82% от высоты и 70% от массы тест-контроля. На фоне подщелачивания почвы показатели растений были выше, чем при кислой среде, хотя и уступали показателям растений на нейтральной почве. Худшими для растений были засоленные варианты почв при любой реакции почвенной среды. Растения, выращенные при комбинированном воздействии кислой реакции среды и засоления, характеризовались наименьшей высотой и массой; при 0.3% NaCl они составляли 33–37%, а при 0.5% NaCl – 24–32% от показателей тест-контроля.

По результатам фитотестирования согласно патенту [Еремченко, Митракова, 2016] была проведена оценка экологического состояния и токсичности почв. В нашем эксперименте удовлетворительное экологическое состояние имела только известкованная почва (снижение высоты и массы тест-культуры в пределах 10–30%). Неудовлетворительное экологическое состояние показали кислая дерново-подзолистая почва, подщелаченная почва, кислая и подщелаченная почвы при комбинировании с 0.3% NaCl (снижение относительно тест-контроля на 30–50%). Промежуточное состояние, близкое к токсичному, заняли почвы с 0.5% NaCl при нейтральной и щелочной среде. Токсичными и экологически опасными по результатам фитотестирования были кислые засоленные почвы (высота и масса кресс-салата менее 50% от тест-

засоления и рН-уровня корневой среды:

1 – тест-контроль; 2 – рН = 4.9; 3 – рН = 7.0; 4 – рН =

8.2; 5 – рН = 4.9 + NaCl 0.3%; 6 – рН 7.0 + NaCl 0.3%; 7 – рН 8.2 + NaCl 0.3%; 8 – рН 4.9 + NaCl 0.5%; 9 – рН 7.0 + NaCl 0.5%; 10 – рН 8.2 + NaCl 0.5%

Дополнительным показателем токсичности почв служит восстановительная активность растительных экстрактов как показатель окислительного стресса. Ответной реакцией растений на ощелачивание почвы было повышение редокс-активности при отдельном воздействии щелочной среды и комбинированном воздействии с 0.3% NaCl (рис. 2). Максимально токсичными по этому показателю растений были комбинированные варианты засоления 0.5% NaCl с кислой и щелочной средой, на которых редокс-активность была выше в 2.5–3 раза. На остальных вариантах она в меньшей степени отличалась от контроля, что могло быть связано с отсутствием токсичности (например, на известкованной почве), или с неспособностью растений адаптироваться к кислой и засоленной корневой среде.

Рис. 2. Редокс-активность тест-культуры при отдельном и комбинированном воздействии засоления и рН-уровня корневой среды.

Номера опытов – см. рис. 1

Таким образом, проведенные лабораторные исследования выявили, что из-за внесения солей (0.3–0.5% NaCl) и подщелачивания (до 8.2 рН) дерново-подзолистая почва становится токсичной; наиболее экологически опасным было засоление с сохранением кислой реакции почвенной среды. Тест-культура показала, что на известкованной почве токсичность солей была, как правило, пониженной по сравнению с немелиорированными вариантами.

Возле солеотвалов за несколько десятилетий на почвогрунтах сформировались серогумусовые почвы разного гранулометрического состава, в том числе, остаточно-карбонатные; в местах регулярного поступления солевых растворов развиты вторичные солончаки [Еремченко, Митракова, Шестаков, 2017]. Здесь имеют некоторое распространение ТПО без почвенных признаков.

Свойства поверхностных слоев почв в зоне воздействия солеотвалов варьировали в широком интервале (табл. 1). Для вторичных почв и ТПО характерно преимущественно низкое содержание органического углерода, минимальное – в литост- ратах и серогумусовых супесчаных почвах. Реакция почвенной среды, как правило, была близкой к нейтральным значениям, за исключением дерновоподзолистой кислой почвы. Слабощелочной реакцией (рН = 8.0–8.1) отличились лишь две незасоленные серогумусовые остаточно-карбонат–ные почвы.

Емкость катионного обмена была низкой в песчаных и супесчаных слоях, очень высокой – в тяжелоглинистых (табл. 1). Почвы значительно отличались содержанием питательных элементов, при этом, очень высокий уровень подвижного калия был, по-видимому, связан с его поступлением из солевых отходов. Количество подвижных фосфатов колебалось в зависимости от гранулометрического состава и интенсивности биогенной аккумуляции в почвах.

Интенсивность накопления хлоридов и сульфатов натрия в поверхностных почвенных слоях существенно варьировала; вторичные серогумусовые почвы были практически незасоленными, а в солончаках количество водорастворимых ионов достигало нескольких десятков мг-экв на 100 г почвы.

Таблица 1

Свойства поверхностных слоев (0-15 см) вторичных почв и техногенных поверхностных образований зоны воздействия солеотвалов

Показатели	Количество почв	Среднее	Минимум	Максимум
Углерод органический, %	18	1.94	0.10	3.51
рН вод	18	6.80	4.52	8.10
рН сол	18	6.32	3.84	7.62
Емкость поглощения, мг-экв/100 г	18	45.09	1.29	76.00
Подвижные фосфаты, мг/100г	18	5.94	0.30	24.30
Подвижный калий, мг/100г	18	59.97	1.50	400.00
Na+ водорастворимый, мг-экв/100 г	18	4.96	0.07	58.70
Cl- водорастворимый, мг-экв/100 г	18	8.08	0.45	81.36
SO 4 2- водорастворимый, мг-экв/100 г	18	1.64	0.00	23.73

Методом фитотестирования установлено, что, несмотря на различия в преобладающих катионах (натриевый, натриево-калиевый, натриево-кальциевый химизм) и анионах (хлоридный, суль-фатно-хлоридный химизм), солончаки были предельно токсичными, на их пробах даже не получены всходы кресс-салата. Экологическое состояние остальных почв и ТПО варьировало от удовлетворительного до неудовлетворительного уровня (рис. 3). Неудовлетворительным было состояние у дерново-подзолистой почвы, на которой высота и масса растений снизилась более, чем на 30% относительно тест-контроля. Близкими к неудовлетворительному состоянию характеризовались некоторые серогумусовые почвы и литострат. На остальных почвах высота и масса тест-культуры были понижены менее чем на 30%, что дает основание считать их экологическое состояние удовлетворительным.

Результаты исследований также показывают, что вторичные незасоленные почвы, сформировавшиеся на минеральных грунтах за несколько десятилетий под травяной растительностью, создают лучшие условия для произрастания тест-культуры по сравнению с зональной лесной почвой. При устройстве площадок для солеотвалов на поверхности оказались грунты, содержащие литогенные карбонаты. В последующем эти соли участвовали в нейтрализации кислых продуктов почвообразования. На бескарбонатной матрице кислой среде, по-видимому, препятствовали основания, поступающие из отходов солей и растительного опада.

Существенное повышение редокс-активности отмечено лишь на одной из серогумусовых остаточно карбонатных тяжелосуглинистых почв, где оно составило чуть больше 130% к контролю (рис. 4). На остальных почвах этот показатель не отли- чался от контроля, либо был понижен. Таким образом, по уровню редокс-активности растительных ■ Высота %    □ Масса %

Рис. 3. Высота и масса тест-культуры, выращенной на пробах вторичных почв и техногенных поверхностных образований зоны воздействия солеотвалов СКРУ-1, СКРУ-2, БКПРУ-3, БКПРУ-4, %, здесь и на рис. 4:

1 – контроль, 2 – дерново-подзолистая тяжелосуглинистая почва, 3 – солончак вторичный хлоридный натриево-калиевый тяжелосуглинистый, 4, 5 – серогумусовая тяжелосуглинистая почва, 6, 7 – серогумусовая остаточно карбонатная тяжелосуглинистая почва, 8 – литострат остаточно-карбонатный глинистый, 9–11 – серогумусовая остаточно карбонатная суглинистая почва, 12 – солончак вторичный суль-фатно-хлоридный натриево-кальциевый, 13 – литострат глееватый песчаный остаточно-карбонатный, 14 – серогумусовая остаточно-карбонатная суглинисто-глинистая почва, 15 – солончак вторичный хло-ридный натриевый, 16, 17 – серогумусовая песчаносупесчаная почва, 18, 19 – серогумусовая суглинистая остаточно-карбонатная почва

Рис. 4. Редокс-активность тест-культуры, выращенной на пробах вторичных почв и техногенных поверхностных образований зоны воздействия солеотвалов СКРУ-1, СКРУ-2, БКПРУ-3, БКПРУ-4, %

На основе корреляционного анализа были выявлены существенные зависимости высоты и массы тест-культуры от содержания водорастворимых ионов натрия, хлора и сульфатов в верхних слоях почв (табл. 2). Таким образом, фитотестирование показало, что биологическая активность и токсичность вторичных почв зоны солеотвалов преимущественно зависит от уровня аккумуляции в них хлоридов и сульфатов натрия.

экстрактов не установлена токсичность почвенных слоев большинства почв.

Таблица 2

Коэффициенты корреляции между высотой и массой кресс-салата и показателями засоленности почв зоны воздействия солеотвалов

Показатель	Высота	Масса
Cl- водорастворимый	–0.78	–0.77
SO 4 2- водорастворимый	–0.61	–0.60
Na+ водорастворимый	–0.72	–0.71

Заключение

Метод фитотестирования впервые использован при оценке отдельного и комбинированного воздействия засоления и разного рН-уровня почв. Согласно полученным результатам, внесение хлоридов натрия в количестве 0.3% и выше способствовало переводу кислой дерново-подзолистой почвы в категорию токсичных почв с опасным экологическим состоянием. На фоне нейтрализации почвенной кислотности токсичность NaCl была пониженной. При комбинированном воздействии засоления (0.3–0.5% NaCl) и подщелачивания (рН = 8.2) почва также становилась токсичной и экологически опасной.

В зоне солеотвалов воздействию техногенных солей подвержены вторичные некислые почвы, сформированные за несколько десятилетий на минеральных карбонатных и бескарбонатных грунтах. Состояние тест-культуры зависело от содержания в почвах хлоридов и сульфатов натрия. Поверхностные горизонты серогумусовых почв характеризовались преимущественно удовлетворительным экологическим состоянием. В условиях скопления водорастворимых хлоридов и сульфатов (сумма солей до 1% и выше) формируются предельно токсичные солончаки.