Оценка состояния почв необрабатываемых сельскохозяйственных угодий по показателям ферментативной активности, гумуса и тяжелых металлов
Автор: Мищенко Наталья Владимировна, Курочкин Иван Николаевич, Чугай Наталья Валерьевна, Кулагина Екатерина Юрьевна
Журнал: Вестник Нижневартовского государственного университета @vestnik-nvsu
Рубрика: Экология и природопользование
Статья в выпуске: 2, 2021 года.
Бесплатный доступ
На необрабатываемых сельхозугодьях Владимирской области, расположенных в бассейне реки Клязьма, были проведены исследования по определению содержания в почвах таких показателей, как ферментативная активность, гумус, тяжелые металлы. В 2018 г. на территории бассейна реки Клязьма в 13 точках различных ландшафтных районов были отобраны образцы почвы. По результатам исследований была установлена положительная зависимость между активностью почвенных ферментов и содержанием в почве гумуса. В почвах необрабатываемых сельхозугодий с высоким содержанием почвенных ферментов было выявлено высокое процентное отношение содержания гумуса - от 2,88% до 3,96%. Также былаустановлена зависимость между показателями активности почвенных ферментов и антропогенным воздействием. Так, при переходе от залежи к лугу, т.е. при уменьшении антропогенного влияния на почвы, наблюдается резкое увеличение в почве активности инвертазы, каталазы и дегидрогеназы, идет интенсивыный процесс гумификации почвы. Выявленные концентрации тяжелых металлов в образцах почв необрабатываемых сельхозугодий не превышают нормативов установленных ориентировочно допустимых концентраций, однако их количественное содержание значительно выросло за последнее десятилетие. В почвах происходит их накопление и возникает потенциальная опасность в случае вторичного ввода данных почв в сельскохозяйственное использование.
Бассейн реки клязьма, дерново-подзолистые почвы, серые лесные почвы, ферментативная активность, инвертаза, дегидрогеназа, каталаза, гумус, тяжелые металлы
Короткий адрес: https://sciup.org/14120878
IDR: 14120878 | DOI: 10.36906/2311-4444/21-2/14
Текст научной статьи Оценка состояния почв необрабатываемых сельскохозяйственных угодий по показателям ферментативной активности, гумуса и тяжелых металлов
Введение. В настоящее время во многих сельскохозяйственных регионах страны увеличивается количество необрабатываемых пахотных земель. При выходе из сельскохозяйственного оборота почвы теряют свои свойства, определяющие их плодородие, в том числе, изменяется их биологическая активность. Неиспользуемые сельскохозяйственные угодья, – залежи, – являются примером восстановительной сукцессии: в первые несколько лет зарастают однолетними и двухлетними растениями, позже – корневищными растениями, кустарниками и деревьями. При этом на залежах накапливается органическое вещество, образуется дернина, почва становится более плотной. Ферментативная активность отражает состояние плодородия почв и внутренние изменения, происходящие при сельскохозяйственном использовании. Совместно с другими критериями оценка ферментативной активности может служить надежным диагностическим показателем для выявления степени окультуренности почв, т. к. обработка почв, внесение удобрений и проведение мероприятий, направленных на повышение плодородия почв, существенно изменяют экологическую нишу для развития почвенных микроорганизмов [1; 3].
Ферменты, относящиеся к классам гидролаз и оксидоредуктаз (инвертаза, уреаза, фосфатаза, протеаза и др.), участвуют в основных процессах гумификации почв, поэтому их активность –важный показатель плодородия почв. По мнению ряда исследователей, ферментативная активность почвы является отражением взаимодействия некоторых тяжелых металлов и микроорганизмов, что позволяет говорить о влиянии загрязнения тяжелыми металлами на ферментативную активность почвы [3]. Накопление в почвах необрабатываемых сельскохозяйственных угодий больших концентраций тяжелых металлов вызывает угнетение микрофлоры и микрофауны почвы, ее биохимических процессов и ухудшение состояния растительности этих территорий, что может привести к невозможности вторичного ввода почв в сельскохозяйственное использование. Загрязненность почвенного покрова пахотных земель следует рассматривать как нарушение природного равновесия, потерю возможности самовосстановления и переход к необратимым деградационным процессам [9]. Как известно, тяжелые металлы характеризуются низкой подвижностью в почвах и высокой способностью к аккумуляции [2; 15]. Поведение тяжелых металлов во многом зависит от окислительно-восстановительных процессов почвы, наличия сложных биогеоценозов и прочих факторов. В результате воздействия солей тяжелых металлов происходит угнетение процессов жизнедеятельности микрофлоры и микрофауны почвы, нарушение ее биохимических процессов, приводящих к ухудшению состояния или гибели растительности на данной территории [16].
Целью настоящего исследования является оценка состояния почв необрабатываемых сельскохозяйственных угодий по показателям ферментативной активности, гумуса и тяжелых металлов.
Объекты и методы исследования. Объектом исследований являются почвы необрабатываемых сельскохозяйственных угодий Владимирской области и частично Ивановской области, расположенные в бассейне реки Клязьма, представленные в основном дерново-подзолистыми и серыми лесными почвами с различным характером зарастания. В ходе проведения полевых исследований в 2018 г. на территории бассейна реки Клязьма в 13 точках различных ландшафтных районов были отобраны образцы почвы.
Ландшафты, относящиеся к территории Ковровского района (Точки № 1-3), а также западная часть Вязниковского района (Точки № 4-5) представляют собой слаборасчлененную пологоволнистую равнину с заболачиванием пониженных участков. На суглинистых и песчаных дерново-подзолистых почвах произрастают елово-широколиственные леса. Центральная и восточная части Вязниковского района (Точки № 6-7) располагаются на слаборасчлененной пологонаклонной равнине с преимущественно песчаными, дерново-подзолистыми почвами. Преобладают еловошироколиственные леса. Правобережье Клязьмы в Собинском районе (Точка № 8) относится к лесным заболоченным зандровым ландшафтам Мещерской провинции. Плоская пониженная и пологоволнистая равнина слабо расчленена. На песчаных дерново-подзолистых почвах произрастают сосновые южнотаежные леса. Ландшафты по левому берегу Клязьмы относятся к Клинско-Дмитровской и Волжско-Клязьминской ландшафтным провинциям. Собинский и Александровский районы (Точки № 9-11) представлены восточной оконечностью Клинско-Дмитровской гряды с сильно развитой долинно-балочной сетью. В настоящее время большая часть территории распахана, современные остатки лесов в основном осиново-дубовые. Ландшафты юга Ивановской области (Точки № 12-13) относятся к центральной части Волжско-Клязьминской провинции и характеризуются суглинистыми дерново-подзолистыми почвами и неглубоким залеганием материнских пород [13].
Собинский и Александровский районы представлены серыми лесными почвами, они занимают значительную часть территории данных административных единиц. Все остальные точки пробоотбора располагаются на дерново-подзолистых почвах.
Точки пробоотбора № 1-3 расположены на территории Ковровского района (Рис. 1) и находятся на небольшом расстоянии друг от друга. Они представляют собой последовательность фитоценозов «лес-залежь-луг», такое расположение позволяет сравнить основные агрохимические показатели почв при переходе от одного фитоценоза к другому. При оценке биологической активности почв проводилось определение каталазы, дегидрогеназы и инвертазы. Анализы выполнены стандартными

Рис. 1. Фрагмент спутникового снимка с нанесенными точками отбора проб № 1-3
методами оценки ферментативной активности почв [11]. Каталазная активность определялась газометрическим методом, дегидрогеназная активность – ТТХ-формазановым методом. Инвертазная активность определялась по учету восстанавливающих сахаров [5]. Каждый анализ был выполнен в трех аналитических повторностях со средней пробой, при градации ферментативной активности почв использовалась оценочная шкала по Д.Г. Звягинцеву.
Содержание гумуса определялось по ГОСТ 26231-91, кислотность солевых вытяжек почвенных образцов определялалась по ГОСТ 26483-85, концентрации тяжелых металлов в образцах почв определялись рентгенофлуоресцентным методом на спектрометре «Спектроскан-МАКС-G».
Обсуждение результатов. В результате исследования получены данные по содержанию органического вещества (гумуса) в почвенных образцах, ферментативной активности и содержанию тяжелых металлов. В таблице 2 приведены данные, характеризующие рельеф, растительный покров на точках отбора, а также результаты анализа ферментативной активности.
Таблица 1
Содержание ферментов и гумуса в почвах
Тип почвы, фитоценоз |
Содержание ферментов |
о |
||
Н и соХн Оч 5 о Г к 5 |
6 о„ g g se Е « н |
§ * V Й~й « э |
||
Дерново-подзолистая почва, смешанный лес |
9,5 |
<1 |
38 |
3,24 |
Дерново-подзолистая почва, зарастающая залежь |
49 |
63,8 |
5 |
2,7 |
Дерново-подзолистая почва, разнотравный луг |
61,3 |
<1 |
8 |
3,33 |
Дерново-подзолистая почва, злаково-разнотравный луг |
56,8 |
<1 |
3 |
4,6 |
Дерново-подзолистая почва, смешанный лес |
8,6 |
10,5 |
6 |
3,49 |
Дерново-подзолистая почва, разнотравный злаковый луг |
50,5 |
98,8 |
5 |
3,64 |
Дерново-подзолистая почва, злаковая залежь |
53 |
77,3 |
33 |
3,96 |
Дерново-подзолистая почва, разнотравный луг |
27,8 |
79,3 |
23 |
0,7 |
Серая лесная почва, равнина, высота – 169 м, поле, засаженное клевером и люцерной |
69,1 |
<1 |
17 |
2,88 |
Серая лесная почва, суходольный луг |
57,9 |
<1 |
35 |
3,31 |
Серая лесная почва, зарастающая залежь |
14,2 |
<1 |
10 |
0,96 |
Дерново-подзолистая почва, зарастающая залежь |
4,7 |
22,3 |
8 |
1,18 |
Дерново-подзолистая почва, суходольный луг |
9,4 |
75,9 |
2 |
1,46 |
На исследуемых территориях выявлены почвы с различными показателями ферментативной активности. В точках № 1, 3, 4, 9-11 (Ковровский, Вязниковский, Собинский и Александровский районы) – почвы с низкими показателями, в особенности дегидрогеназы, где зафиксированы значения менее 1 мг ТФФ/10 г сут-1, что говорит об очень низкой обогащенности почвенными ферментами. В точках № 2, 7 и 10 (Ковровский, Вязниковский и Собинский районы) – почвы с высокими показателями по двум из трех исследуемых ферментов сразу. В ряде исследований отмечалось, что морфологические особенности дерново-подзолистых почв определяют и невысокий уровень их биологической активности [8].

Полученные в исследовании данные по содержанию почвенных ферментов позволяют судить о процессах гумификации и окультуривания почв. Так, наибольшей ферментативной активностью характеризуются почвы Вязниковского и Собинского районов Владимирской области, где степень обогащенности почв дегидрогеназой и каталазой достаточно высокая. В то же время почвы Собинского и Александровского районов, представленные серыми лесными почвами, отличаются большим плодородием по сравнению с дерново-подзолистыми несмотря на то, что уровень ферментативной активности у них ниже. Наименьшие показатели отмечены даже не на лугу, а у молодой залежи, что объясняется истощением почвы вследствие интенсивного ведения процессов земледелия (табл. 1).
Установлено, что наименьшие показатели инвертазной активности зафиксированы на почвах под растительными ассоциациями в виде смешанного леса, а также на суглинистых дерново-подзолистых почвах в центральной части Волжско-Клязьминской провинции. Эти почвы также характеризуются низким содержанием гумуса (менее 1,5%).
Анализ результатов, полученных на последовательности фитоценозов «луг-залежь-лес», показывает, что прослеживается определенная зависимость между показателями активности почвенных ферментов и антропогенным воздействием. Так, при переходе от залежи к лугу, т. е. при уменьшении антропогенного влияния на почвы, наблюдается резкое увеличение в почве активности инвертазы, каталазы и дегидрогеназы. Хотя показатели инвертазной активности серых лесных почв соответствуют средним показателям для серых лесных слабооподзоленных почв Владимирской области [7], активность инвертазы почв под смешанным лесом намного меньше средних показателей, полученных при исследованиях дерново-подзолистых легкосуглинистых почв в условиях лесных агроэкосистем [6; 10]. Корреляционных зависимостей между содержанием гумуса и активностью дегидрогеназы или каталазы не выявлено.
Согласно полученным данным установлены некоторые соответствия между показателями плодородия почв, геоботаническими характеристиками и количественным содержанием ферментов в почвенных образцах. Так, в почвах, характеризующихся высокой степенью обогащенности инвертазой (свыше 50 мг глюкозы/г сут-1), процентное содержание гумуса по сравнению с другими образцами достаточно высокое и лежит в пределах от 2,88% и выше. Определение содержания тяжелых металлов в почвенных образцах и сравнение полученных результатов с их ориентировочно допустимыми концентрациями (ОДК) в почве (ГН 2.1.7.2511 – 09) позволило судить о наличии загрязнения почв тяжелыми металлами на исследуемых территориях. Результаты, полученные при анализе почвенных образцов на количественное содержание тяжелых металлов, представлены в таблице 2.
Таблица 2
Содержание тяжелых металлов и кислотность почвенных образцов (мг/кг)
№ об-ца |
Кислотность солевой вытяжки, pH |
Pb |
Zn |
Cu |
Ni |
1 |
5,75 (близкая к нейтральной) |
82,40 |
42,45 |
39,85 |
21,09 |
2 |
4,69 (среднекислая) |
64,71 |
49,90 |
53,12 |
30,89 |
3 |
6,55 (нейтральная) |
97,67 |
78,70 |
65,62 |
26,40 |
4 |
5,44 (слабокислая) |
60,57 |
72,21 |
93,74 |
45,43 |
5 |
4,35 (сильнокислая) |
91,96 |
48,56 |
36,26 |
15,70 |
6 |
6,48 (нейтральная) |
92,66 |
57,33 |
22,04 |
27,65 |
7 |
5,95 (близкая к нейтральной) |
68,18 |
79,99 |
111,28 |
48,69 |
8 |
3,9 (очень сильнокислая) |
62,25 |
55,58 |
0,029 |
16,66 |
9 |
6,18 (нейтральная) |
83,10 |
25,50 |
4,39 |
13,48 |
10 |
6,1 (нейтральная) |
69,43 |
110,32 |
128,01 |
58,62 |
11 |
5,89 (близкая к нейтральной) |
51,74 |
80,20 |
119,72 |
55,31 |
12 |
5,83 (близкая к нейтральной) |
61,05 |
86,51 |
79,27 |
57,65 |
13 |
5,71 (близкая к нейтральной) |
59,72 |
68,15 |
82,02 |
35,78 |
ОДК для почв с pHKCl< 5,5, мг/кг [4] |
65 |
110 |
66 |
40 |
|
ОДК для почв с pH> 5,5, мг/кг [4] |
130 |
220 |
132 |
80 |
Согласно полученным данным установлены единичные превышения ОДК по свинцу, меди и никелю. Не выявлено зависимости активности почвенных ферментов от концентраций тяжелых металлов в отобранных образцах проб. Результаты исследования показывают, что даже при концентрациях цинка, меди и свинца, близких к ОДК, наблюдается высокая активность инвертазы и каталазы. Т. о. можно считать, что в целом исследуемые почвы не загрязнены соединениями тяжелых металлов. Однако содержание тяжелых металлов в образцах почв необрабатываемых сельхозугодий значительно превышают валовое содержание тяжелых металлов в почвах сельхозугодий (по данным

за 2003 г.) [14] и статистическим данным по Владимирской области (за 2017 г.) [12], что говорит об их значительном накоплении в почве за последние десятилетия и потенциальной опасности в случае вторичного ввода почв в сельскохозяйственное использование.
Выводы. По результатам исследований установлена положительная зависимость между активностью почвенных ферментов и содержанием гумуса. В почвах необрабатываемых сельхозугодий, где отмечена высокая обогащенность почвенными ферментами, выявлено высокое содержание гумуса – от 2,88% до 3,96%.
Выявлена зависимость между показателями активности почвенных ферментов и антропогенным воздействием: при переходе от залежи к лугу, т. е. при уменьшении антропогенного влияния на почвы, наблюдается резкое увеличение в почве активности инвертазы, каталазы и дегидрогеназы, что говорит об активном процесс гумификации почвы. Содержание тяжелых металлов в почвах необрабатываемых сельхозугодий не превышает нормативов, установленных ОДК, однако их количественное содержание значительно выросло за последнее десятилетие. Происходит их накопление и возникает потенциальная опасность в случае вторичного ввода данных почв в сельскохозяйственное использование.
Список литературы Оценка состояния почв необрабатываемых сельскохозяйственных угодий по показателям ферментативной активности, гумуса и тяжелых металлов
- Байсеитова Н.М., Сартаева Х.М. Фитотоксичное действие тяжелых металлов при техногенном загрязнении окружающей среды // Молодой ученый. 2014. № 2 (61). С. 379-382.
- Боев В.М., Быстрых В.В., Горлов А.В., Карпов А.И., Кудрин В.И. Урбанизированная среда обитания и здоровье человека. Оренбург: Димур. 2004. 240 с.
- Галиулин Р.В., Галиулина Р.А. Ферментативная индикация загрязнения почв тяжелыми металлами // Агрохимия, 2006. № 11. С. 84-96.
- ГН 2.1.7.2511-09 Ориентировочно допустимые концентрации (ОДК) химических веществ в почве.
- Зинченко М.К., Зинченко С.И. Влияние приемов обработки и доз удобрений на ферментативную активность серой лесной почвы // Вестник Курской государственной сельскохозяйственной академии. 2017. № 8. С. 3-5.
- Зинченко М.К., Зинченко С.И., Борин А.А., Камнева О.П. Ферментативная активность аграрных почв Верхневолжья // Современные проблемы науки и образования. 2017. № 3.
- Зинченко М.К., Зинченко С.И. Ферментативный потенциал агроландшафтов серой лесной почвы Владимирского ополья // Успехи современного естествознания. 2015. № 1-8. С. 1319-1323.
- Козлов А.В., Селицкая О.В. Значение микроорганизмов в поддержании устойчивости почв к воздействию антропогенных факторов // Вестник Мининского университета. 2015. № 3 (11). С. 27-28.
- Комаров В.И., Селиванов О.Г., Марцев А.А., Подолец А.А., Лукьянов С.Н. Содержание тяжелых металлов в пахотном горизонте почв сельскохозяйственного назначения Владимирской области // Агрохимия. 2019. № 12. С. 75-82.
- Стефанькина Л.М. Зависимость урожая ячменя от содержания гумуса и биологической активности дерново-подзолистой супесчаной почвы: Автореф. … канд. с.- х. наук. Рига, 1976.
- Мишустин Е.Н. Микроорганизмы и продуктивность земледелия. М., 1972. 343 с.
- О состоянии окружающей среды и здоровья населения Владимирской области в 2017 году: ежегодный доклад. Вып. 25. Владимир: Транзит-ИКС, 2018. 118 с.
- Трифонова Т.А. Экологический атлас бассейна реки Клязьма: Человек в окружающей среде. Владимир: Изд-во ВлГУ, 2018. 312 с.
- Трифонова Т.А. Экологический атлас Владимирской области. Владимир: Изд-во Владим. гос. ун-та, 2007. 92 с.
- Zong Y., Xiao Q., Lu S. Magnetic signature and source identification of heavy metal contamination in urban soils of steel industrial city, Northeast China // Journal of soils and sediments. 2017. Vol. 17. №1. P. 190-203. https://doi.org/10.1007/s11368-016-1522-2
- Shi T., Ma J., Zhang Y., Liu C., Hu Y., Gong Y., Zhao L. et al. Status of lead accumulation in agricultural soils across China (1979–2016) // Environment international. 2019. Vol. 129. P. 35-41. https://doi.org/10.1016/j.envint.2019.05.025