Влияние уксуснокислого свинца на углеродный и азотный режимы дерново-бурых почв различных экосистем и на начальные этапы роста растений

Загрязнение почв тяжелыми металлами является одним из опасных видов деградации почв. Основным загрязнителем городских и пригородных почв является свинец, который относится к металлам первого класса опасности. Он характеризуется высокой токсичностью, мутагенным и канцерогенным действием. Доступность свинца растениям во многом зависит от свойств почвы. Влияние отдельных солей свинца на химические свойства почв, содержание биогенных элементов, по изменению количества которых ряд ученых (Сма-гин,1994; Мотузова, 1999) судят об экологическом статусе почв, их устойчивости, изучено недостаточно.

Цель работы состояла в изучении химических свойств дерново-бурых почв различных экосистем при загрязнении их высокими дозами уксуснокислого свинца.

В качестве объекта исследований использовали поверхностный 20 см слой дерново-бурой почвы леса (целина) и пашни (агроценоз), которые находятся на окраине г. Перми, вблизи поселка Соболи. Содержание общего углерода, азота, его аммонийных и нитратных форм определяли в модельном длительном опыте в 2008 - 2009 гг. Уксуснокислый свинец вносили в почву в дозах 12 и 20 ПДК, из расчета действующего вещества на 1 кг почвы, в пересчете на металл (Рb) =30 мг/кг – 1 ПДК. Высокие концентрации свинца в опыте были обусловлены тем, что в ранее проводимых нами экспериментах дозы свинца равные 3 и 5 ПДК на бедных оподзоленных почвах не оказывали существенного влияния на микробиологические процессы и подвижность свинца в системе почва-растение.

Наблюдения за изменением реакции среды, содержанием нитратного и аммонийного азота проводили путем отбора проб из сосудов через 30, 60 и 180 дней по общепринятым методикам.

После месячного и 6- месячного компостирования следили за реакцией растений на загрязнение. В опыте замеряли высоту и вес надземной и подземной частей растений.

Результаты исследований

Наблюдения за изменением реакции среды в процессе компостирования почвы показали высокую устойчивость целинных почв к подкислению. Даже внесение высоких доз гидролитически кислой соли в почву в дозе 12 ПДК по свинцу рН почвенного раствора при длительном компостировании не менялась, а при дозе 20 ПДК понизилась на 0.3 рН. Несколько большее подкисление было выявлено при совместном внесении солей свинца и минеральных удобрений, однако после 6- месячного компостирования почвы, вследствие высокой буферной способности целинных почв, наблюдалось сближение рН среды со средой в контрольных вариантах (табл. 1).

Известкованные почвы агроценозов имели менее кислую среду почвенного раствора по сравнению с целинными аналогами. При компостировании их в течение 6 месяцев произошел сдвиг РН с 5,95 до 5,47. Степень изменения реакции среды в агроценозе была более выражена, чем на целине, и существенное подкисление почвы было выявлено в варианте при совместном внесении высокой дозы свинца и минеральных удобрений.

Органическое вещество почвы, его количественный и качественный состав, по мнению ученых (Васильевская,1996, Смагин, 1994), определяет устойчивость почвы к неблагоприятным факторам. Определение содержания гумуса в почве показало его максимальное содержание в почвах леса и резкое снижение его содержания в распаханной почве (табл. 1). По данным Авакяна (2005), снижение содержания гумуса более чем на 30% является показателем сильного нарушения устойчивости почв к техногенной нагрузке. В исследуемых почвах агросистемы снижение содержания

Таблица 1

Влияние уксуснокислого свинца и минеральных удобрений на химические свойства дерново-бурой почвы

Варианты опыта	Лес					Пашня
	рН		а		б	рН		а		б
	а*	б	Сорг	%Смб	%Смб	а	б	Сорг	%Смб	%Смб
Контроль	5.16	5.01	2.53	6.22	9.32	5.95	5.47	1.58	5.90	12.44
Рb 400	5.01	5.03	2.64	5.14	8.36	5.88	5.52	1.57	5.36	11.57
Рb 600	5.23	4.94	2.70	5.28	6.26	5.97	5.57	1.65	6.54	10.65
КNО 3	4.97	4.92	2.60	4.60	7.12	5.88	5.52	1.64	6.03	11.70
КNО 3 +Рb400	4.22	4.99	2.67	4.80	7.19	5.97	5.51	1.80	4.96	9.96
КNО 3 +Рb600	5.05	5.13	2.55	5.90	6.79	6.15	5.42	1.70	4.73	11.67
КNО 3 +МЭ	4.96	5.14	2.73	4.52	7.41	5.94	5.46	1.73	5.09	10.66
КNО 3 +МЭ+Рb400	5.01	5.11	2.81	2.42	4.38	6.14	5.54	1.80	3.95	9.97

Примечание: а – после месячного компостирования; б – после 6-месячного компостирования органического вещества превышало 40%, что является глубоким нарушением.

Внесение углеродсодержащей соли в дерновобурую почву увеличивало содержание органического углерода в почве, увеличивалось оно и по мере нарастания дозы уксуснокислого свинца. Максимальное содержание органического углерода и прирост его на 11% был установлен на целине в варианте Рb 400+минеральные удобрения + микроэлементы (МЭ). Однако в этом варианте был установлен минимальный вклад микроорганизмов в накопление органического углерода (табл. 1).

Представляет интерес изменение процента углерода микробной биомассы от углерода органического в процессе компостирования в загрязненных свинцом почвах. Этот показатель увеличивался при компостировании. Максимальным он был в контрольном варианте распаханной почвы. Следует отметить, что Смб (углерод микробной биомассы) зависит от скорости минерализации органического вещества, осуществляемой микроорганизмами. В исследуемых распаханных почвах, где преобладают автотрофные микроорганизмы с высоким содержанием целлюлитиков, естественно высокое содержание Смб, которое превышало целинные аналоги.

Минеральные удобрения понижали мобилизацию органического углерода, особенно отчетливо это проявлялось при совместном внесении их с микроэлементами, при этом наблюдалось некоторое накопление Сорг.

Определение содержания наиболее лабильного элемента минерального питания растений - азота показало максимально высокое содержание его запасов в почвах лесных экосистем, оно в 2,4 раза превышало содержание общего азота в распаханной почве (табл. 2) и незначительно менялось при тяжелометалльном ТМ - загрязнении. На долю аммонийных форм в исследуемых почвах прихо- дится до 4% от общего азота. Наблюдения показали, что содержание аммонийного азота более стабильно, слабо изменяется при компостировании, чего нельзя сказать о нитратных формах азота. Они составляют до 40, а в отдельных вариантах до 50% от общего содержания азота. Содержание нитратов увеличивалось при компостировании на 40-50% в распаханной почве, на целине наблюдали меньшее варьирование содержания нитратного азота при компостировании, в редких случаях увеличение нитратов после компостирования превышало 20%-ный рубеж.

Уксуснокислый свинец ингибировал развитие гетеротрофных бактерий, это негативно отразилось на содержании аммонийного азота на целине, что обусловлено высокой чувствительностью аммонифицирующих бактерий к ТМ-загрязнению. Максимальное снижение содержания аммонийного азота было выявлено на целине в варианте с высокой дозой свинца после длительного пребывания загрязнителя в почве.

Негативное действие свинца на содержание нитратов прослеживалось отчетливо в агроландшафтах, оно усиливалось с увеличением дозы поллютанта (табл. 2).

Внесение в почву азотнокислого калия изменило азотный режим, повысив содержание нитратного и в меньшей мере аммонийного азота. В распаханной почве внесение минеральных удобрений увеличивало запасы общего азота в 2 раза по сравнению с контролем, увеличилась также в 2 раза нитрифицирующая способность после 6 - месячного компостирования, в то время как в почвах леса содержание общего азота и нитратных форм после компостирования не превышало его содержание в контрольных вариантах (табл. 2).

Таблица 2

Влияние уксуснокислого свинца на азотный режим дерново-бурых почв

Варианты опыта	Лес					Пашня
	N, %	N-NH 4 , мг/кг		N-NO 3 , мг/кг		N, %	N-NH 4 , мг/кг		N-NO 3 , мг/кг
		а	б	а	б		а	б	а	б
Контроль	0.262	2.8	10.5	46	163	0.111	4.6	4.5	37	52
Рb 400	0.255	11.5	6.1	55	156	0.155	5.9	4.9	40	51
Рb 600	0.266	6.6	5.5	42	155	0.121	4.5	6.0	19	40
КNО 3	0.254	8.7	5.5	66	152	0.250	9.4	4.9	38	56
КNО 3 +Рb400	0.260	7.3	5.6	44	147	0.171	6.5	5.3	50	39
КNО 3 +Рb600	0.258	13.1	13.4	42	132	0.139	9.1	5.5	42	36
КNО 3 +МЭ	0.256	19.5	12.3	39	112	0.111	9.8	5.5	39	43
КNО 3 +МЭ+Рb400	0.276	18.0	55.0	40	126	0.111	10.2	5.9	46	38

Внесение минеральных удобрений в загрязненную свинцом распаханную почву усиливало мобилизацию общих запасов азота, повысив содержание аммонийного азота и нитрификационную способность. С повышением дозы уксуснокислого свинца в почве активность нитрификации снижалась по сравнению с активностью нитрификации при низкой дозе загрязнителя. Внесение минерального азота в загрязненные свинцом целинные почвы активизировало накопление аммонийного азота, повысив первоначальное содержание нитратов в почве, но после компостирования наблюдалось снижение содержания нитратов, особенно отчетливо это снижение наблюдалось при высокой дозе загрязнителя. По данным Гомоновой и др. (2005), длительное применение азотно-калийных удобрений на кислых почвах приводит к деградации почв, что может негативно отразиться на продуктивности сельскохозяйственных культур, качестве продукции, на накоплении ТМ в растениях.

Микроэлементы, внесенные на фоне минеральных удобрений, снижали содержание нитратного азота в 2 раза по сравнению с его содержанием в контроле, что отчетливо прослеживается как на целине, так и на пашне. Вероятней всего, борсодержащие удобрения ингибируют деятельность нитрифицирующих бактерий, что оказывает влияние на содержание нитратного азота и повышает запасы аммонийных форм азота.

Изменение питательного режима в исследуемых почвах различных экосистем отчетливо отразилось на начальных этапах роста и развития проростков пшеницы. Установлены высокие темпы

Таблица 3

Влияние уксуснокислого свинца на начальные этапы роста и развития растений

Варианты опыта	Лес						Пашня
	Энер гия прораста-ния, %	Высота, см	Длина корней, см	Вес над-земной части, мг	Вес корней, мг	Сухой вес 1 раст., мг/% к конт.	Энер гия прораста та-ния, %	Высота, см	Длина корней, см	Вес над-земной части, мг	Вес корней, мг	Сухой вес 1 раст., мг/% к конт
Контроль	100	20.5 100*	11.7 100	142	103	245 100	100	17.2 100	11.4 100	110	68	178 100
Рb 400	100	19.4 94	12.9 109.4	131	103	234 95	99.7	18.63 108	11.4 100	121	84	205 115
Рb 600	93,8	16.8 81	13.0 110	115	106	221 90	100	15.6 90.9	9.2 80,7	98	59	157 88
КNО 3	100	20.6 102	13.8 117.4	159	114	273 111	100	17.2 101	9.5 83.6	112	77	189 106
КNО 3 +Рb 400	100	19.4 94.5	10.7 91.1	149	89	245 100	100	16.9 98.5	8.6 75.9	109	65	175 96
КNО 3 +Рb 600	89,7	19.2 93.5	10.2 87.1	143	98	240 97,5	100	17.1 99.0	11.4 100.4	127	90	217 122
КNО 3 +М Э	100	19.8 96.6	12.2 104.1	142	92	237 96,7	100	17.9 104	10.3 90.7	126	82	208 117
КNО 3 +М Э+Рb400	89,7	16.6 81.0	13.3 112.9	107	49	156 63	91.4	15.8 91.6	8.0 70.3	105	76	181 102

Примечание: * - в знаменателе процент к контролю развития растений на целинной почве. По высоте надземной части они превосходили на 17%, а по весу на 11% растения, выращенные на почвах агроценоза.

Внесенный в почву свинец после 6 - месячного пребывания в почве оказывал негативное влияние на ростовые процессы, снижая высоту растений и их биомассу (табл. 3). Ингибирующее действие уксуснокислого свинца на развитие растений проявлялось в большей мере на целине, оно усиливалось по мере нарастания дозы поллютанта. Вероятно, негативное действие свинца в агроземах более рельефно проявится на более поздних этапах развития растений.

Заключение

Длительное сельскохозяйственное использование почв является мощным фактором преобразования и нарушения их свойств, снижения содержания важных для растений и микроорганизмов питательных веществ.

Установлено сильное нарушение азотного баланса в распаханных почвах ( в 2,5 раза содержание общего азота ниже, чем целинных). Содержание органического углерода снижается более замедленными темпами, степень мобилизации углерода органического микроорганизмами на целине не превышает 9%, в распаханной она равна 14,5%, что свидетельствует о интенсивной минерализации и снижении запасов органического вещества в агроценозе.

Уксуснокислый свинец не оказывал существенного влияния на запасы углерода и азота в почве, но снижал интенсивность их мобилизации микроорганизмами, что проявилось в снижении содержания нитратного и аммонийного азота, в снижении С микробной биомассы.

Внесение минеральных удобрений снижало степень мобилизации органического вещества микроорганизмами.

В условиях свинцового загрязнения минеральные удобрения повышали активность нитрифицирующих бактерий на целине, но в процессе компостирования отрицательное действие свинца усиливалось и эффективность минеральных удобрений сводилась на нет. В распаханной почве положительное действие минеральных удобрений на накопление нитратов в загрязненной Рв почве прояв- лялось в большей мере, чем на целине, что обусловлено интенсивностью аэрации и минерализации. Это дает основание сказать, что минеральные удобрения способны повысить устойчивость нитрифицирующих бактерий к свинцовому загрязнению и рекомендовать их внесение для повышения устойчивости агроценозов к ТМ-загрязнению.

Совместное внесение микроэлементов и минеральных удобрений снизило положительное действие минеральных удобрений, что обусловлено отрицательным действием бората натрия, который, по всей вероятности, инактивирует деятельность нитрифицирующих бактерий. Это дает основание отказаться от внесения борсодержащих микроудобрений в загрязненную ТМ почву.

Из изученных нами показателей содержание нитратов в процессе компостирования и процент углерода микробной биомассы от углерода органического в большей мере отражают изменение экологического состояния почв при ТМ-загрязнении. Эти показатели могут быть взяты за основу при оценке загрязнения почв.