Вдоль автомагистралей формируются специфические антропогенно-измененные экосистемы, испытывающие постоянное воздействие автотранспорта и периодическое влияние инженерно-строительных мероприятий при строительстве, эксплуатации и ремонте дорог. Экологическому состоянию урбанизированных территорий, включая транспортную зону городов, посвящено немало работ [1–3], в том числе и одна из наших последних публикаций [4]. Придорожные участки вне городских территорий исследованы в меньшей степени.
При строительстве автомобильных дорог происходит существенная трансформация всех компонентов экосистем. Часть почвенного покрова изымается полностью и превращается в запечатанные под дорожное полотно экраноземы. Прилегающие к проезжей части почвы частично срезаются, частично перекрываются насыпным материалом и трансформируются в абраземы и литостраты [5].
Кроме механической трансформации компоненты придорожных экосистем подвержены загрязнению. Уровень загрязнения почвенного покрова и растительности зависит от многих факторов, главным образом, от интенсивности движения и удаления от проезжей полосы [6, 7].
В отличие от урбанизированных территорий, где в придорожных экосистемах создаются газоны с насыпным органогенным субстратом (реплантозем) и высаживаются древесные и травянистые растения, вдоль автомагистралей вне городов возникают придорожные полосы шириной 5–10 м, лишенные органического материала и растительности [5]. В результате почвенный покров, выполняющий важнейшие экологические и санитрано-гигиенические функции в придорожных экосистемах, заменяется техногенными поверхностными образованиями. ТПО характеризуются изменением морфологических, физических, физико-химических и химических свойств, что отражается на функционировании биологической фазы, т.е. на биологической активности грунтов.
Наши исследования направлены на оценку биологической активности ТПО для диагностики их экологического состояния в транспортной зоне вне урбанизированных территорий. В настоящей работе проведено фитотестирование придорожных литостратов, исследованы интегральные биохимические показатели (интенсивность почвенного дыхания и активность фермента каталазы), физико-химические параметры (показатели актуальной и обменной кислотности почв), агрохимические показатели (содержание нитратов, органического углерода и гумуса) и хемоэкологические показатели ТПО (подвижность ионов свинца и кадмия).
Материалы и методы исследования
В качестве объектов использованы ТПО придорожных пространств, отобранные в июле 2017 г. вблизи (удаление 5 м от края дорожного полотна) автомобильных дорог, соединяющих населенные пункты в Тюменской области (табл. 1). Вдоль исследуемых трасс было заложено 7 участков для отбора образцов ТПО. На каждом участке отбирали по пять точечных проб грунта на расстоянии 1 м друг от друга массой по 0,5 кг и объединяли их в смешанные образцы.
Таблица 1
Географическое расположение исследуемых придорожных участков
№ участка |
Ближайшие населенные пункты |
Географические координаты |
№ 1 |
д. Шашова |
N 56.35520, Е 66.32950 |
№ 2 |
с. Упорово-Заводоуковск |
N 56.51030, Е 66.45680 |
№ 3 |
г. Заводоуковск |
N 56.52840, Е 66.26550 |
№ 4 |
г. Ялуторовск |
N 56.62510, Е 66.26550 |
№ 5 |
с. Новоатьялово |
N 57.00230, Е 66.65780 |
№ 6 |
г. Ялуторовск – с. Ярково |
N 57.60230, Е 67.02990 |
№ 7 |
г. Ярково |
N 57.60230, Е 67.27440 |
Согласно классификации техногенных поверхностных образований, исследуемые грунты относились к группе натурфабрикатов, подгруппе литостратов, на участке № 6 ТПО принадлежали подгруппе органолитостратов, за счет повышенной доли органического вещества [8].
Оценку биологической активности исследуемых литостратов проводили согласно методике «Способ оценки биологической активности и токсичности почв и техногенных почвогрунтов» патент № 2620555. В качестве тест-культуры использовали кресс-салат (Lepidium sativum L.), контролем служил вариант с проростками на вермикулите, подкармливаемыми раствором Кнопа. В дополнение к фитотестированию в ТПО изучали активность фермента каталазы [9] и интенсивность «почвенного дыхания» [10]. В ТПО анализировали уровень актуальной и обменной кислотности. Содержание водорастворимой и обменной фракций ионов свинца и кадмия определяли ионселективным методом на иономере «Экотест-120». Подвижность ионов металла выражали отрицательным десятичным логарифмом молярной концентрации соответствующего иона (-lg[Cd2+]) и (-lg[Pb2+]). Содержание нитрат-ионов определяли ионселективным методом на иономере «Экотест-120». Содержание органического углерода и гумуса определяли методом Тюрина.
Математическую обработку результатов проводили в программе Past 3.16 с использованием методов описательной статистики, дисперсионного и корреляционного анализа.
Результаты исследования и их обсуждение
Рост и биомасса являются интегральными показателями состояния растений и индикаторами метаболических изменений под влиянием условий произрастания. Многим авторами отмечается снижение роста растений под влиянием химического загрязнения за счет подавления деления и растяжения клеток [11]. В ответ на токсическое действие загрязнения происходит снижение накопления биомассы растений, главным образом из-за нарушений процесса фотосинтеза [12]. Фотосинтетический аппарат растений проявляет высокую чувствительность к загрязнению окружающей среды и, особенно, к накоплению свинца [13].
Фитотестирование придорожных ТПО показало снижение роста и биомассы на всех исследуемых участках относительно контроля (табл. 2). Наименьшее отличие от контроля отмечено на участке № 6 (дорога г. Ялуторовск – с. Ярково), относящемуся к органолитостратам и обладающему наиболее благоприятными свойствами по сравнению с остальными участками (см. ниже).
Таблица 2
Ростовые показатели и биомасса тест-культуры на исследованных ТПО
№ участка |
Рост, см |
Снижение относительно контроля, % |
Биомасса, г |
Снижение относительно контроля, % |
№ 1 |
1,65 ± 0,07 |
58,5 |
0,0084 ± |
69,2 |
№ 2 |
1,37 ± 0,05 |
65,6 |
0,0078 ± |
71,4 |
№ 3 |
2,42 ± 0,13 |
39,1 |
0,0131 ± |
50,0 |
№ 4 |
2,79 ± 1,21 |
29,9 |
0,0158 ± |
42,1 |
№ 5 |
1,10 ± 0,03 |
72,4 |
0,005 ± |
81,7 |
№ 6 |
3,19 ± 0,10 |
19,5 |
0,0178 ± |
34,8 |
№ 7 |
1,95 ± 0,04 |
50,3 |
0,0102 ± |
62,6 |
Контроль |
3,98 ± 0,21 |
0,0 |
0,0273 ± |
0,0 |
В патенте № 2620555 на биотестирование токсичности установлены следующие уровни состояния субстратов:
1. Удовлетворительное – снижение роста и/или биомассы на 10–30 % от контроля. 2. Неудовлетворительное – снижение роста и/или биомассы на 30–50 %.
3. Опасное (токсичное) – снижение роста и/или биомассы более 50 %.
Наиболее угнетенное состояние проростков установлено на ТПО участка № 5 (дорога в 2,5 км юго-западнее с. Новоатьялово).
Биомасса растений проявляла более существенное отклонение от контроля, чем высота проростков, что свидетельствует о высокой чувствительности метаболических процессов растений к состоянию ТПО в условиях эксперимента.
Рост и развитие растений зависят от интенсивности обмена веществ в системе «почва – растения», которая определяется главным образом биологической активностью почвы. В дополнение к фитотестированию ТПО нами был проведен анализ интегральных показателей биологической активности: интенсивность почвенного дыхания (эмиссия углекислого газа) и активности каталазы [14].
Как видно из табл. 3, интенсивность почвенного дыхания существенно варьирует в ТПО исследуемых участков и связана, вероятно, с разным содержанием органического вещества и интенсивностью его разложения, а также с содержанием и подвижностью токсичных металлов: кадмия и свинца. В некоторых участках интенсивность выделения углекислого газа существенно превышает показатели, установленные нами для реплантоземов урбанизированных придорожных экосистем, также расположенных в умеренной природной зоне [4].
Таблица 3
Биохимические показатели исследованных ТПО
№ участка |
Интенсивность почвенного «дыхания» (выделение СО2 мл/дм3ˑ ч) |
Активность каталазы (выделение О2 мл/гˑмин) |
№ 1 |
4,46 |
1,52 |
№ 2 |
10,52 |
2,31 |
№ 3 |
6,90 |
2,48 |
№ 4 |
11,21 |
1,15 |
№ 5 |
5,82 |
2,02 |
№ 6 |
25,69 |
2,29 |
№ 7 |
18,22 |
1,41 |
Реплантоземы городских территорий (по [4]) |
6,60–8,40 |
5,20 – 6,80 |
Фермент каталаза проявляет высокую чувствительность к загрязнению почв нефтепродуктами и тяжелыми металлами, характеризуется простотой анализа и точностью определения [14]. Активность каталазы проявляла меньшую вариабельность в исследованных ТПО по сравнению с почвенным «дыханием». Ранее нами была показана зависимость активности каталазы от величины рН среды с оптимумом 7,2–7,3 единицы рН [4]. ТПО придорожных полос вне городских территорий обладали кислой и слабокислой средой, за счет чего, вероятно, активность каталазы была существенно ниже, чем в реплантоземах городских территорий, обладающих нейтральной и слабощелочной средой.
Биологическая активность корневой среды и состояние растений существенно зависят от агрохимических свойств почвы. Для характеристики агрохимического состояния исследуемых ТПО нами изучены показатели актуальной и обменной кислотности, содержание органического углерода и гумуса, а также содержание нитрат-ионов (табл. 4).
Таблица 4
Агрохимические свойства исследованных ТПО
№ участка |
рНвод. |
рНсол. |
NO3-, мг/100 г |
Сорг, % |
Гумус, % |
№ 1 |
4,62 ± |
4,04 ± |
27,9 ± |
1,1 |
0,6 |
№ 2 |
6,06 ± |
5,22 ± |
113,2 ± |
2,4 |
0,9 |
№ 3 |
5,32 ± |
4,79 ± |
52,9 ± |
1,2 |
0,8 |
№ 4 |
5,33 ± |
4,72 ± |
51,1 ± |
1,4 |
0,7 |
№ 5 |
4,53 ± |
3,60 ± |
51,7 ± |
1,5 |
0,6 |
№ 6 |
6,08 ± |
5,55 ± |
121,3 ± |
3,3 |
1,8 |
№ 7 |
4,81 ± |
4,18 ± |
39,8 ± |
1,3 |
0,8 |
Реплантоземы городских территорий |
7,4 |
6,9 |
223,7 |
4,3 |
2,5 |
Как показали результаты, агрохимические показатели сильно варьировали на разных участках ТПО и существенно отличались от значений, установленных для ТПО урбанизированных территорий. Наиболее оптимальные агрохимические свойства были характерны для органолитострата на участке № 6. На остальных участках ТПО характеризовались кислой реакцией среды, низким содержанием органического углерода и гумуса, а также низкой концентрацией нитратов.
Одним из важнейших негативных факторов, действующих в транспортной зоне, является постоянное загрязнение токсичными металлами, прежде всего свинцом и кадмием. В ТПО, существенно отличающихся по уровню устойчивости к загрязнению от естественных и слабоизмененных почв, проблема загрязнения тяжелыми металлами стоит особенно остро. Пониженное содержание органического вещества, повышенная кислотность, низкий уровень биологической активности повышает подвижность токсичных металлов и их негативное токсическое действие на биологическую фазу транспортных экосистем и опасность загрязнения сопредельных территорий, воздуха, поверхностных и грунтовых вод.
Наибольшее экологическое значение имеют мобильные фракции токсичных металлов, прежде всего водорастворимая и обменная формы. Подвижность свинца и кадмия выражается отрицательным десятичным логарифмом молярной концентрации ионов в вытяжке (-lg[Pb2+], lg[Cd2+]), т.е. снижение значений логарифма концентрации свидетельствует о повышении содержания растворимых форм ионов и увеличении их подвижности.
Как показали результаты (табл. 5), содержание и подвижность металлов существенно варьировали на разных участках придорожных пространств. Содержание и подвижность свинцы была существенно ниже, чем у кадмия во всех исследованных участках, что связано с большим сродством свинца к органическому веществу, ограничивающему миграцию ионов [15].
Таблица 5
Содержание и подвижность токсичных элементов в исследованных ТПО
№ участка |
Pb |
Cd |
||||||
Водорастворимый |
Обменный |
Водорастворимый |
Обменный |
|||||
мг/кг |
-lg[Pb2+] |
мг/кг |
-lg[Pb2+] |
мг/кг |
-lg[Cd2+] |
мг/кг |
-lg[Cd2+] |
|
№ 1 |
1,310 |
5,17 |
0,020 |
7,01 |
2,74 |
4,6 |
0,64 |
5,23 |
№ 2 |
0,025 |
6,90 |
0,004 |
7,57 |
0,63 |
5,25 |
0,52 |
5,33 |
№ 3 |
0,036 |
6,74 |
0,006 |
7,54 |
0,68 |
5,21 |
0,47 |
5,37 |
№ 4 |
0,034 |
6,76 |
0,004 |
7,62 |
0,61 |
5,26 |
0,41 |
5,44 |
№ 5 |
1,160 |
5,24 |
0,026 |
6,94 |
1,9 |
4,76 |
0,54 |
5,32 |
№ 6 |
0,003 |
7,67 |
0,001 |
7,25 |
0,46 |
5,38 |
0,35 |
5,50 |
№ 7 |
0,017 |
7,05 |
0,018 |
7,05 |
0,41 |
5,44 |
0,41 |
5,43 |
Примечание. рPb – подвижность свинца или -lg[Pb2+], [Pb2+] – концентрация ионов свинца, моль/л; рCd – подвижность кадмия или -lg[Cd2+], [Cd2+] – концентрация ионов кадмия, моль/л.
Повышенное содержание и подвижность токсичных металлов установлены в ТПО на участках № 1 и № 5, минимальное содержание и подвижность свинца и кадмия отмечены на участке № 6 (органолитостат). Для реплантоземов городских территорий подвижность ионов свинца составляет pPb 7,5–9,0, подвижность кадмия – рCd 5,5–6,5 [2]. По сравнению с реплантоземами городских территорий исследованные ТПО характеризуются повышенной подвижностью водорастворимых форм свинца за исключением участка № 6. Содержание и подвижность свинца и кадмия существенным образом связана с содержанием органического вещества, уровнем кислотности почвы, а также рядом других свойств почвы [15]. Нами был проведен корреляционный анализ взаимосвязи подвижности ионов кадмия и свинца (водорастворимая и обменная форма) с показателями кислотности и уровнем содержания органического вещества ТПО (табл. 6).
Таблица 6
Корреляция между агрохимическими показателями ТПО и подвижностью ионов кадмия и свинца
Подвижность ионов |
рНвод |
рНсол |
Сорг |
Гумус |
Pbвод |
+0,78 |
+0,83 |
+0,86 |
+0,91 |
Pbобм |
+0,69 |
+0,69 |
+0,93 |
+0,92 |
Cdвод |
+0,64 |
+0,67 |
+0,68 |
+0,67 |
Cdобм |
+0,52 |
+0,57 |
+0,56 |
+0,55 |
Как показал корреляционный анализ, содержание ионов свинца имеет более сильную отрицательную связь с показателями кислотности и содержанием органического вещества, чем ионы кадмия. Сильная положительная связь подвижности ионов, выраженной отрицательным десятичным логарифмом концентрации, означает снижение подвижности при повышении значений рН (сдвиг в нейтральную и щелочную область) и при увеличении содержания органики в ТПО.
Проведен корреляционный анализ между показателями биологической активности почвы, агрохимическими и хемотоксикологическими показателями. Как видно из табл. 7, рост и биомасса тест-растений наиболее тесно связаны с показателями кислотности, содержанием органического вещества и интенсивностью почвенного дыхания.
Таблица 7
Корреляция между агрохимическими и биохимическими показателями ТПО и состоянием тест-растений
Показатели тест-культуры |
Агрохимические показатели ТПО |
Биохимические показатели ТПО |
|||||
рНвод |
рНсол |
Сорг |
Гумус |
Нитраты |
Интенсивность почвенного «дыхания» (выделение СО2 мл/дм3ˑ ч) |
Активность каталазы (выделение О2 мл/гˑмин) |
|
Рост |
+0,70 |
+0,56 |
+0,65 |
+0,71 |
+0,33 |
+0,64 |
–0,04 |
Биомасса |
+0,65 |
+0,50 |
+0,68 |
+0,79 |
+0,28 |
+0,64 |
–0,03 |
Улучшение ростовых процессов у тест-растений происходит при снижении кислотности (повышение значения рН), увеличении массовой доли в субстрате органических веществ. Состояние тест-культуры проявило слабую положительную связь с содержанием нитрат-ионов, и отсутствие связи с активностью каталазы в ТПО.
Рост и биомасса проростков кресс-салата проявили сильную корреляцию с подвижностью водорастворимого и обменного кадмия, а также водорастворимого свинца и менее сильную связь с подвижностью обменной формы свинца (табл. 8).
Таблица 8
Корреляция между состоянием тест-растений и подвижностью ионов кадмия и свинца
Показатели тест-культуры |
Cd |
Pb |
||
водорастворимый |
обменный |
водорастворимый |
обменный |
|
Рост |
+0,62 |
+0,79 |
+0,73 |
+0,49 |
Биомасса |
+0,59 |
+0,78 |
+0,70 |
+0,43 |
Заключение
ТПО исследованных придорожных пространств вне урбанизированных территорий на удалении 5–10 м от дорожного полотна характеризовались низкой биологической активностью. Фитотестирование литостратов показало существенное снижение роста и биомассы проростков кресс-салата по сравнению с контролем. Низкая биологическая активность обусловлена низким содержанием органического вещества в ТПО, кислой и слабокислой средой, наличием подвижных и обменных форм свинца и кадмия.
Биохимические и агрохимические свойства исследованных литостратов существенно отличались от показателей (рН, активность каталазы, интенсивность почвенного «дыхания» и др.) характерных для реплантоземов городских территорий умеренной природной зоны.
Подвижность токсичных металлов и ростовые показатели тест-растений имели сильную корреляцию с содержанием органического вещества и реакцией среды.
Для повышения биологической активности ТПО, улучшения агрохимических свойств, снижения подвижности токсичных металлов и восстановления их санитарно-гигиенических функций рекомендуется внесение органических материалов (торф, кородревесные отходы и т.д.) и известковых удобрений.
Статья подготовлена при финансовой поддержке ФАНО России в рамках темы ФНИ № 0408-2014-0018 «Анализ состояния фитоценозов Западной Сибири в современных антропогенных условиях».