УДК 631.427
БИОЛОГИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ ПАРКОВЫХ ПОЧВ
г. НИЖНЕГО НОВГОРОДА
Управление экологии , г. Нижний Новгород, Россия
Роль биологических методов в оценке экологического состояния почвенного покрова в перспективе достаточно велика. Известно, что исследование элементного состава почв не может дать необходимой информации о влиянии неблагоприятных фак-торов, связанных с хозяйственной деятельностью человека на почвы и произрастающую на них растительность. Только использование живых организмов: растений и микро-организмов, а также показателей их активности, может дать необходимые оперативные данные о воздействии комплекса неблагоприятных факторов, которые включают в себя не только токсичные элементы, содержащиеся в почве, но и изменения водного, тепло-вого, питательного и других режимов, имеющих место в антропогенно преобразованных почвах [1]. В настоящее время накоплен довольно значительный объем информации о применении биохимических и биологических методов для оценки экологического состояния почв об изменении состава микробного сообщества и связанной с ним актив-ности ферментов, сравнительной оценке их чувствительности. Показано существенное влияние высоких доз металлов на видовой состав и численность микробиоты [2,3]. Тяже-лые металлы ингибируют процессы минерализации и синтеза различных веществ в поч-вах [4], подавляют дыхание почвенных микроорганизмов, вызывают микробостатический эффект [5]. Большинство тяжелых металлов в повышенных концентрациях ингибирует активность почвенных ферментов: каталазы, инвертазы, амилазы и др. [2, 6]. Установлена различная чувствительность ферментов по отношению к различным дозам металлов. Так, в дерново-подзолистой почве наиболее чувствительной считается каталаза, активность которой снижается на 25 % при концентрациях кадмия, в три раза превышающих фоно-вую, цинка – в десять раз, свинца – в двадцать пять раз. Несколько менее чувствительным показателем является активность инвертазы [2]. Отмечалась высокая чувствительность нитрифицирующей способности к загрязнению почв металлами [4]. В то же время было замечено, что при изучении влияния металлов на биохимическую активность в полевых условиях обнаружить закономерную взаимосвязь значительно труднее, чем в модельных экспериментах. Это во многом объясняется высокой вариабельностью естественной природной среды. В связи с этим в большинстве работ нет достоверных данных об изменении показателей нитрифицирующей активности, выделения углекислого газа, активности ряда ферментов даже при значительном содержании тяжелых металлов в почве [2].
Объект и мнетодика исследования
Цель исследования – апробация наиболее перспективных методов биологической оценки почв (активность каталазы, инвертазы, нитрификации, а также интенсивность выделения углекислого газа и целлюлолитическая активность) для изучения экологического состояния почв, а также первичная оценка состояния парковых почв г. Нижнего Новгорода в рамках почвенно-экологического мониторинга.
Работы проводились на двух объектах. Первый – территория Щелковского хутора, расположенного в южной части города. На этом участке находится лес с преиму-щественно широколиственными породами (дуб с примесью тополя и березы). Под лесом сформированы светло-серые лесные тяжелосуглинистые почвы. Гумусово-аккумуля-тивный горизонт почвы характеризуется относительно невысоким содержанием гумуса – 3,6 % и слабокислой реакцией среды – 5,6 единиц рН. Антропогенное воздействие на территорию связано с относительно низкой рекреационной нагрузкой, а также довольно слабыми промышленными выбросами. Второй объект – парк «Швейцария», располо-женный вдоль одной из наиболее оживленных городских автомагистралей (пр. Гагарина) и в непосредственной близости от промышленных предприятий – заводов «Керамик», «Нител» (радиоэлектронная промышленность). Однако наибольшее антропогенное воз-действие здесь связано с выбросами автотранспорта и интенсивной рекреационной наг-рузкой. Условия почвообразования на данной территории идентичны Щелковскому хутору, однако за время существования застройки исходные светло-серые лесные почвы претерпели заметные изменения, что отразилось на физико-химических показателях: рНKCl находится в нейтральной зоне – 6,5…7,0. Содержание органического вещества здесь заметно ниже, чем на хуторе, что связано с регулярным удалением растительного опада и уплотнением почвы. Характер растительности близок к первому объекту, однако древостой здесь заметно богаче по видовому составу, хотя его плотность несколько ниже.
Для изучения биологической активности почв на каждом из объектов было заложено по 4 учетных площадки площадью 3х3 м. Почвенные образцы отбирались из слоя 0…10 см посезонно: октябрь 2002 г., апрель, июнь, октябрь 2003 г. Осенью 2002 г. в почву в слой 0…5 см помещались куски льняной ткани для определения целлюлоли-тической активности [7]. В отобранных почвенных образцах определялись показатели: активность каталазы по , активность инвертазы по и , нитрифицирующая активность по С. Кравкову, интенсивность выделения углекислого газа из почвы по [8].
Для характеристики загрязнения почвы обоих объектов тяжелыми металлами на каждом из них составлялся смешанный образец почв с четырех площадок. Содержание металлов определялось в вытяжке 5М азотной кислоты с трехчасовым кипячением методом атомно-абсорбционной спектрометрии.
Результаты и их обсуждение
Почвенный покров обоих объектов имеет различный уровень содержания тяжелых металлов (табл. 1). Результаты свидетельствуют об отсутствии превышения предельно-допустимых уровней, однако фон в различной степени превышен в обоих объектах: суммарный коэффициент концентрации в почвах Щелковского хутора и парка «Швейцария» составляет, соответственно, 7,0 и 21,2. Приоритетным загрязнителем почв во втором объекте является свинец, что является, по-видимому, следствием выбросов автотранспорта. Кроме того, отмечено повышение содержания цинка и меди.
Таблица 1
Содержание тяжелых металлов в парковых почвах, мг/кг
Объекты | Слой, см | Pb | Cd | Zn | Cu | Ni | Cr |
Щелковский хутор | 0…5 | 12,5 | 0,84 | 31,9 | 10,2 | 13,8 | 10,0 |
5…20 | 8,3 | 0,74 | 30,9 | 9,5 | 14,2 | 9,5 | |
Парк «Швейцария» | 0…5 | 49,3 | 0,54 | 55,3 | 28,7 | 16,9 | 16,7 |
5…20 | 46,0 | 0,57 | 54,7 | 27,5 | 22,4 | 20,7 | |
ПДК (ОДК) | 128 | 2,0 | 220 | 132 | 80 | 90 | |
Фон | 5,4 | 0,49 | 18,9 | 3,4 | 9,4 | 5,7 |
Помимо загрязнения тяжелыми металлами, можно выделить еще ряд факторов, которые, скорее всего, оказали влияние на биологическую активность почв парка «Швейцария», но количественная оценка им в данном исследовании не давалась:
помимо тяжелых металлов, на состояние растительности и, следовательно, почвен-ного покрова, оказывают влияние кислые газы (окислы серы и азота) и нефтепродукты;
тепловой режим городских почв характеризуется более высокими температурами, что обусловливает снижение срока промерзания в зимнее время, ускоряет снеготаяние, за счет чего биологическая активность почв поддерживается в течение более длительного периода; в то же время здесь увеличивается период иссушения в летний период, который также может оказать свое влияние;
как правило, элементы и соединения, поступающие в почвы в условиях города, оказывают как положительное (фосфаты, калий, микроэлементы и др.), так и отрицате-льное влияние (натрий, хлориды) на растительность и микробиоту, вследствие чего биологическая активность может изменяться в большую или меньшую сторону как результат баланса суммарного воздействия этих веществ; при этом дать надежный прог-ноз этого результата практически невозможно.
Рассмотрим особенности биологической активности почв на различных объектах и их динамику в течение сезона (табл. 2).
Таблица 2
Особенности биохимической активности парковых почв
Показатели | Октябрь 2002г. | Апрель 2003 г. | Июнь 2003 г. | Октябрь 2003 г. | ||||
I | II | I | II | I | II | I | II | |
Выделение СО2, мг СО2/10/сут. | 2,24 | 2,33 | 3,08 | 2,39 | 0,69 | 0,48 | 0,64 | 0,40 |
НСР05 1,16 | НСР05 0,95 | НСР05 0,68 | НСР05 0,25 | |||||
Каталаза, см3О2/г/мин. | 1,28 | 0,59 | 1,48 | 1,73 | 2,75 | 1,20 | 0,90 | 0,24 |
НСР05 0,66 | НСР05 1,86 | НСР05 1,50 | НСР05 0,54 | |||||
Инвертаза, мг глюкозы/г/сут. | 25,74 | 25,66 | 29,85 | 31,6 | 36,22 | 36,24 | 21,34 | 24,99 |
НСР05 7,51 | НСР05 3,11 | НСР05 5,40 | НСР05 8,26 | |||||
Нитрификация, мг NO3/100г | 0,24 | 0,37 | 0,63 | 0,95 | 2,71 | 2,88 | 0,18 | 0,26 |
НСР05 0,11 | НСР05 0,31 | НСР05 1,26 | НСР05 0,07 | |||||
Разложение целлюлозы, % | - | - | - | - | - | - | 28,19 | 22,56 |
НСР05 4,15 |
I – Щелковский хутор;
II – парк «Швейцария».
Выделение углекислого газа вряд ли может использоваться в качестве надежного показателя, характеризующего экологическое состояние почв в конкретных условиях. Хотя усредненные значения показывают ожидаемое увеличение дыхания почв в менее загрязненном районе в течение сезона, однако значительная пространственная вари-абельность показателя не позволяет с достаточной степенью достоверности указать на наличие данной тенденции.
Аналогичную характеристику можно дать и в отношении инвертазной активности. В течение всего сезона этот показатель как в почвах Щелковского хутора, так и в парке «Швейцария», находился практически на одном уровне, что позволяет судить о его дос-таточно слабой чувствительности в имеющемся диапазоне концентраций тяжелых метал-лов в почве, а также других действующих факторов (в т. ч. и действии неучтенных факто-ров, которые компенсируют возможное отрицательное воздействие со стороны ТМ и дру-гих неблагоприятных для показателя явлений). При этом можно указать на заметную сезонную динамику показателя, который имеет максимальное значение в относительно жаркое и сухое время года и снижается в осенне-весенний период. Максимальное отличие в значениях составило в Щелковском хуторе около 40 % по отношению к октябрю, в парке «Швейцария» - 31 %.
Несколько иной характер имеет реакция каталазной активности. В течение прак-тически всего сезона, за исключением ранневесеннего периода, наблюдается достоверное снижение показателя в почве парка «Швейцария»: летом – на 56 %, осенью – на 54 % (в 2002 г.) и 73 % (в 2003 г.). Отчетлива и сезонная динамика показателя, имеющего один сезонный максимум, при котором активность фермента в июне превосходит таковую в октябре в 2,1- 3,0 раза в почвах Щелковского хутора и в 2,0-5,0 раз в парке «Швей-цария». Таким образом, каталазная активность, как было отмечено в ранее названных ра-ботах, является достаточно чувствительным показателем для использования в рамках почвенно-экологического мониторинга. При этом можно учесть тот факт, что эта разница оставалась стабильной в течение практически всего года, что позволяет проводить иссле-дования в летне-осенний период.
Практически то же самое можно сказать о результатах определения целлюло-литической активности. Разница между почвами двух объектов по степени разложения целлюлозы за год является достоверной: снижение показателя в загрязненной почве сос-тавило 20 %. Однако необходимо указать, что это различие может быть связано не только с более высоким загрязнением почв парка «Швейцария», но и с особенностями водного режима изучаемых объектов, поскольку влажность почв Щелковского хутора в течение всего сезона была более высокой по причинам, изложенным выше. Основным выводом по возможности использования данного показателя в ходе почвенно-экологического мониторинга может быть возможность его применения, однако на этапе анализа данных необходимо учитывать влияние дополнительных факторов (например, таких как водный режим).
Нитрифицирующая активность, в отличие от ранее рассмотренных показателей, имеет несколько иной характер. Так, в течение периода с относительно низкими темпе-ратурами имеется достоверное увеличение показателя на 50…67 % в почвах парка «Швей-цария» и лишь в летний период нитрифицирующая активность в почвах обоих объектов находится на одном уровне, что можно связать с особенностями теплового режима город-ских почв, указанными ранее. В то же время сезонная динамика данного показателя вполне предсказуема: максимум в теплый и минимум в осенне-весенний период, причем имеется разница практически на порядок. Таким образом, нитрифицирующая активность является достаточно интересным показателем, характеризующим состояние почв, однако в данном случае ее динамика связана лишь с особенностями теплового режима почв, а уровень загрязнения в конкретном случае не оказывает влияния.
Вывод
Использование показателей биологической и биохимической активности почв имеет хорошую перспективу и обязательно должно включаться в программу почвенно-эколо-гического мониторинга урбанизированных районов. В условиях относительно невысо-кого уровня загрязнения наиболее чувствительным показателем является каталазная, а также целлюлолитическая активность. При этом исследование каталазной активности лучше проводить в летний период, что позволит получить более высокие абсолютные значения, упростит процесс анализа и снизит его погрешность. Апробация остальных показателей биологической и биохимической активности в полевых условиях должна проводится на почвах с более высоким уровнем техногенной нагрузки.
Библиографический список
1. Почва. Город. Экология. /Под ред. . М., 19с.
2. Стефурак техногенного загрязнения на численность и состав микроб-ных сообществ почв. Киев, 19с.
3. , , Умаров металлы как фактор антропогенного воздействия на почвенную микробиоту. // Микроорганизмы и охрана почв. М.: МГУ, 1989. С. 5-46.
4. , , Мозгова активность почв в условиях аэротехногенного загрязнения на Крайнем Севере. Л.: Наука, 19с.
5. , Ли С. К., Ворожейкина некоторых показателей биологической активности почв от уровня концентрации тяжелых металлов// Тяжелые металлы в окружающей среде. М., 19с.
6. Григорян загрязненных оросительных вод на биологическую актив-ность почвы. Минск, 19с.
7. Manual for the integrated monitoring. Programme Phase . Environment Data Center, Helsinki, 1993.
8. Хазиев почвенной энзимологии. М.: Наука, 19с.
