Фитотестирование городских почв с помощью пшеницы (Triticum aestivum) и ячменя (Hordeum sativum)

УДК 58.02 О.М. Шабалина, Т.Н. Демьяненко

ФИТОТЕСТИРОВАНИЕ ГОРОДСКИХ ПОЧВ С ПОМОЩЬЮ ПШЕНИЦЫ

В статье приводятся сравнительные данные фитотестирования почв в различных по степени загрязнения районах г. Красноярска с помощью двух тест-культур - пшеницы мягкой и ярового ячменя. Дана оценка пригодности этих культур для диагностики уровня автотранспортного загрязнения и различных физических и физико-химических параметров городских почв.

Ключевые слова: фитотестирование, городские почвы, автотранспортное загрязнение.

O.M. Shabalina, T.N. Demyanenko

URBAN SOIL PHITOTESTING WITH WHEAT

Comparative data of soil phytotesting in the differently polluted Krasnoyarsk districts are given in the article. The research was carried out by means of two test-cultures - soft wheat and spring barley.The estimation of these cultures suitabilityfor diagnostics of motor transport pollution level and physical and chemical parameters of various urban soils are given.

Key words: phytotesting, urban soils, motor transport pollution.

Введение

Актуальность проблемы загрязнения окружающей среды, а следовательно, и почвы, возрастает в крупных городах, где оно приводит к различным нарушениям в составе городских экосистем, ухудшая условия проживания городского населения и вызывая заболевания людей. Разнообразные соединения естественного и антропогенного происхождения, накапливаясь в почве, обусловливают ее загрязненность и токсичность. Вследствие этого изменяются показатели кислотности почв, они переуплотняются, в них снижаются показатели биологической активности, накапливаются тяжелые металлы (Сизов, 2001).

В настоящее время существует множество химических и физико-химических методов, позволяющих выявить и решить современные проблемы экологии, в том числе определить широкий спектр веществ, загрязняющих почвы городов. Стоит заметить, что все эти методы очень трудоемки и требуют значительных денежных затрат. Большим минусом этих методов является то, что с их помощью можно получить лишь минимум информации в отношении воздействия тех или иных загрязняющих веществ на почву и живые организмы (Еремченко, 2002).

Фитотестирование как метод общей системы экологического мониторинга является интегральным методом анализа, позволяющим получить комплексную характеристику жизненных сред. Он дешев, прост в использовании и получает все большее распространение в сфере научных исследований (Дятлов, 2003).

Однако методы комплексного биотестирования почв еще разработаны крайне недостаточно. В частности, нет данных о чувствительности различных тест-объектов и их пригодности для фитотестирования городских почв.

Целью данной работы является оценка возможности применения пшеницы и ячменя в качестве тест-объектов для фитотестирования городских почв.

Задачи исследования:

1. Определить уровень автотранспортного загрязнения в различных районах г. Красноярска.

2. Оценить фитотоксичность почв в различных по степени загрязнения районах г. Красноярска по всхожести семян и морфологическим параметрам проростков ячменя и пшеницы.

3. С помощью корреляционного анализа оценить зависимость между физическими и физикохимическими параметрами почвы, уровнем автотранспортного загрязнения и параметрами тест-культур -ячменя и пшеницы.

Объекты и методики

Объектами исследования служили городские газоны с посадками лиственницы сибирской, произрастающие в различных по степени загрязнения районах г. Красноярска: Центральном, Советском, Ленинском, Октябрьском.

Точкой отбора образцов в Октябрьском районе являлся Академгородок. Это окраинный район с низким промышленным и автотранспортным загрязнением. Газон, на котором произрастают деревья, уплотнен незначительно, имеет толстый слой подстилки. Тропиночная сеть малозаметна. В пяти метрах расположена проезжая часть в две полосы движения.

В Центральном районе отбор образцов проводился на Речном вокзале и в районе Часовни. Район Речного вокзала отличается значительной рекреационной нагрузкой, в связи с этим местами почва сильно уплотнена, много тропинок. Проезжая часть расположена на расстоянии одного метра от края газона.

В районе Часовни образцы отбирались в 100 м от смотровой площадки. Тропиночная сеть малозаметна. С двух сторон на расстоянии 20 м находится дорога. Газон с очень густым травостоем.

В Ленинском районе отбор образцов проводился в районе кинотеатра «Спутник». Живой напочвенный покров на газоне разрежен, прослеживается частая тропиночная сеть.

Точкой отбора образцов в Советском районе являлся остров Татышев. Тропиночная сеть отсутствует. Травостой высокий и очень густой.

Для оценки уровня автомобильного загрязнения была подсчитана интенсивность движения автотранспорта на улицах исследуемых районов по методике А.И. Федоровой, А.Н. Никольской (2001). Измерения проводили во время наиболее интенсивного движения транспорта в так называемый «час пик». Число единиц легковых и грузовых автомобилей определяли методом подсчета в течение одного часа (с 17.00 до 18.00 ч) периодами - 3 раза по 20 минут.

Пробы почвы отбирали в трехкратной повторности из корнеобитаемого слоя с глубины 5-10 см. Определялись следующие физические и физико-химические параметры почв: плотность сложения почвы (объемный вес), порозность, плотность твердой фазы (удельный вес), pH водной суспензии, содержание органического углерода (Сорг, %) и интенсивность почвенного дыхания.

Для оценки фитотоксичности почв брали по 60 г почвы в трех повторностях, затем делали смешанную пробу, из которой изготавливали почвенную вытяжку. На полученной вытяжке методом рулонной культуры оценивали фитотоксичность почв (ГОСТ..., 1984). Высевали по 100 семян в трехкратной повторности. Определялись лабораторная всхожесть семян и морфологические параметры проростков - длина корня и побега.

В процессе статистической обработки рассчитывали средние арифметические значения признаков и их статистические ошибки (Хср±тх,) коэффициент вариации (У,%). Изменчивость признаков оценивалась по коэффициенту вариации. Достоверность различий между средними значениями определялась с помощью однофакторного дисперсионного анализа. Варианты опыта названы в соответствии с точками отбора проб.

Результаты и их обсуждение

Проведенный анализ физических и физико-химических свойств почв показал, что наименьшими значениями плотности твердой фазы характеризуются почвы с острова Татышев и Речного вокзала (табл. 1). В последних значение минимально и связано с их высокой гумусированностью. Легкие песчаные почвы острова Татышев тоже достаточно обогащены гумусом. В почвах остальных объектов плотность твердой фазы представлена средними значениями для верхних гумусовых горизонтов.

Плотность сложения характеризует способность почвы накапливать значительные запасы доступной влаги для растений при одновременном достаточном содержании воздуха. Хорошо оструктуренные почвы обладают значительной пористостью и низкой величиной плотности сложения. Как отмечается в литературе (Методические., 2003), оптимальная плотность сложения почвы для большинства культурных растений составляет 1,0-1,2 г/см3. Все изученные почвы отличаются оптимальной плотностью сложения. Наибольшим уплотнением характеризуются почвы Часовни и Спутника, острова Татышев с минимальной рекреационной нагрузкой, плотность сложения почвы наименьшая и составляет менее 1 г/см3. Порозность почв всех объектов близка к оптимальной, наибольшим значением этого показателя характеризуются почвы в Академгородке.

Таблица 1

Данные физического и физико-химического анализа почв

Параметр почвы Академ- городок Речной вокзал Остров Татышев Часовня Спутник

Объемный вес, г/см3 1,028 1,018 0,974 1,125 1,115

Удельный вес, г/см3 2,52 2,05 2,19 2,44 2,44

Порозность, % 59,17 50,45 55,49 53,93 54,39

рн 7,7 7,8 7,9 8,0 8,0

Сорг, % 4,3 7,6 6,7 6,8 4,8

Интенсивность почвенного дыхания, мгСО2/100г почвы 7,70 6,05 7,15 4,95 6,60

В городских условиях почвы, как правило, подщелачиваются в результате применения антигололед-ных реагентов и попадания строительной пыли, содержащей карбонат кальция. Увеличение pH почв газонов связано также с поступлением большого количества пыли с автомагистралей, содержащей карбонаты Са и Мд (Добровольский, Строганова, 1996; Методические., 2003; Решоткин, Худяков, 2007). Все исследуемые почвы имеют значения рН более 7,5 и по данному показателю относятся к слаботоксичным. Особенно неблагоприятные для растений значения рН отмечены в районах Часовни и Спутника.

Все изученные почвы достаточно гумусированы, относятся к плодородным. В Академгородке и на Речном вокзале содержание гумуса несколько ниже, чем в остальных районах.

Интенсивность почвенного дыхания - один из основных критериев при гигиенической оценке качества почв (Гигиеническая., 1993). В условиях города существенно нарушаются показатели биологической активности почв, что связано с их загрязнением, переуплотнением и другими антропогенными воздействиями (Скворцова и др., 1980; Почва, город., 1997). Наибольшими величинами интенсивности почвенного дыхания характеризуются почвы Академгородка и о. Татышев - наиболее чистых из исследуемых районов. Существенно снижены показатели почвенного дыхания в районе Часовни.

Расчет уровня СО, сделанный на основе подсчета количества проезжающих автомобилей в единицу времени, показал, что наибольшая концентрация угарного газа отмечается в районе кинотеатра Спутник -36,2 мг/м3 (рис.1). Данное значение более чем в семь раз превышает ПДК, такой уровень загрязнения можно считать очень высоким. Более чем в три раза превышена ПДК и в районе Речного вокзала - 16,9 мг/м3. В остальных районах концентрация СО в пределах допустимых значений.

Академгородок Ш Речной вокзал Ш о. Татышев  Часовня Н Спутник

Рис. 1. Концентрация СО в исследуемых районах г. Красноярска

Таким образом, наибольший уровень автотранспортного загрязнения отмечен в районе кинотеатра Спутник и на Речном вокзале. В остальных районах зафиксирован низкий уровень загрязнения.

Анализ всхожести семян тест-культур в различных вариантах опыта показал, что семена лучше всего всходили в вариантах Академгородок и остров Татышев - наиболее чистых районах города (табл. 2). Интересно, что довольно низкой всхожестью семян тест-культур отличался вариант Часовня, в котором уровень автотранспортного загрязнения даже ниже, чем в Академгородке. Возможно, здесь играют роль такие негативные факторы, как высокая плотность почвы и слабая интенсивность почвенного дыхания.

Таблица 2

Всхожесть семян пшеницы и ячменя в различных вариантах опыта, %

Вариант опыта Пшеница Ячмень

Академгородок 92,7±0,28 89,0±0,26

Речной вокзал 83,0±0,18 75,7±0,21

Остров Татышев 98,7±0,31 95,3±0,33

Часовня 81,0±0,19 82,0±0,24

Спутник 81,0±0,20 79,0±0,22

Изученные морфометрические признаки тест-культур варьируют в основном на среднем уровне, значения коэффициента вариации составляют в большинстве вариантов 13-20% (табл. 3, 4). Несколько повышен уровень изменчивости признаков в вариантах из более загрязненных районов - Речной вокзал и Спутник. Напротив, в варианте остров Татышев уровень изменчивости признаков понижен. Повышение уровня изменчивости морфометрических признаков проростков тест-культур в вариантах из загрязненных районов города свидетельствует о воздействии стрессовых факторов, по-видимому, связанных с техногенным загрязнением.

Таблица 3

Морфометрические параметры проростков пшеницы в различных вариантах опыта

Вариант опыта Длина корня, см Длина побега, см Длина корня/ длина побега

Хор±1Т1х V, % Хср±Тх V, % Хср±Тх V, %

Академгородок 9,14±0,17 17,7 10,11 ±0,20 18,3 0,92±0,02 19,2

Речной вокзал 7,92±0,17 20,5 7,88±0,12 14,0 1,01±0,02 19,8

Остров Татышев 10,46±0,12 11,6 11,30±0,11 9,8 0,93±0,01 14,8

Часовня 8,50±0,17 18,1 9,82±0,16 15,4 0,88±0,01 17,6

Спутник 6,79±0,15 20,7 7,60±0,15 19,0 0,90±0,02 18,3

Анализ средних значений морфометрических параметров проростков пшеницы (табл. 3) показывает, что достоверно наибольшими значениями длины корня и побега отличаются проростки в вариантах Академгородок и остров Татышев - наиболее чистых районах города. Статистически достоверно на 20-30% меньше средние значения данных параметров в вариантах Речной вокзал и Спутник. Вариант Часовня занимает промежуточное положение.

Рассматриваемые варианты достоверно различаются также по соотношению длин корня и побега проростков пшеницы. Анализ данных таблицы 3 позволяет предположить, что на данный параметр оказывают влияние прежде всего физические и физико-химические свойства почв. Так, в вариантах Часовня и Спутник угнетен рост корня, что, по-видимому, связано с высокой плотностью почвы (табл.1). Напротив, высокая порозность почвы, характерная для варианта Речной вокзал, обусловливает интенсивный прирост корня, средняя длина которого даже превышает длину побега.

Отмеченные закономерности в целом характерны и для вариантов с использованием проростков ячменя (табл. 4). Однако, по-видимому, ячмень меньше реагирует на воздействие почвенных факторов, поскольку вариант Часовня по длине корня и побега проростков не отличается достоверно от Академгородка и острова Татышев, которые также отличаются низким уровнем загрязнения.

Во всех вариантах опыта у проростков ячменя средняя длина побега превышает длину корня. При этом достоверно наиболее низкое значение соотношения длин корня и побега отмечается в варианте Спутник, наиболее высокое - в вариантах Академгородок и Речной вокзал. Таким образом, данный параметр

нельзя с уверенностью связать как с уровнем автотранспортного загрязнения, так и с исследованными физическими и физико-химическими свойствами почв.

Таблица 4

Морфометрические параметры проростков ячменя в различных вариантах опыта

Вариант опыта Длина корня, см Длина побега, см Длина корня/ длина побега

Хср±тх V, % Хср±тх V, % Хср±тх V, %

Академгородок 8,41±0,14 16,8 8,90±0,14 15,5 0,98±0,03 16,8

Речной вокзал 7,82±0,16 18,7 8,22±0,12 13,1 0,95±0,02 16,2

Остров Татышев 9,16±0,12 12,5 10,17±0,10 10,0 0,91±0,01 11,7

Часовня 8,43±0,11 12,4 9,20±0,12 11,3 0,91±0,01 13,0

Спутник 7,01±0,19 24,3 8,56±0,17 18,3 0,82±0,02 17,0

В целом следует заключить, что наибольшей фитотоксичностью отличаются почвы наиболее загрязненных из исследованных районов - Речного вокзала и Спутника. Наименее токсичны для растений почвы Академгородка и острова Татышев.

Анализ корреляционных связей между параметрами тест-культур, уровнем автотранспортного загрязнения, физическими и физико-химическими свойствами почв позволяет выявить особенности взаимосвязей между ними и оценить пригодность различных признаков тест-культур для фитотестирования свойств городских почв.

Проведенный анализ показал, что наибольшее влияние на развитие проростков тест-культур оказывает уровень автотранспортного загрязнения (рис. 2). Так, повышение содержания в воздухе угарного газа и сопровождающих его других компонентов выхлопных газов автомобилей приводит к уменьшению длины корня проростков пшеницы и ячменя, нарушению соотношения надземной и подземной части у ячменя, снижению длины побега у проростков пшеницы. Однако физические и физико-химические свойства почв также существенно влияют на исследуемые признаки. В частности, при уплотнении почвы отмечается уменьшение всхожести семян пшеницы и снижается длина корня у ее проростков. Напротив, повышение интенсивности почвенного дыхания увеличивает всхожесть семян данной культуры. Увеличение щелочности почвы вызывает уменьшение относительной длины корня у проростков ячменя. Аналогичным образом действует увеличение удельного веса почвы на проростки пшеницы.

Интенс. почв. Длина побега Дл. корня

дыхания пшеницы 1 ячменя

0,74

-0,82

I

Объемн. вес

-0,94

-0,72

т -0,87 і

Всхож, семян Конц-я -0,74- Дл. корня/дл. -0,75-1 рН 1

пшеницы со побега ячменя

Длина корня пшеницы

Удельн. вес

Дл. корня/дл.

- -0,84 -| побега пшеницы

Рис. 2. Корреляционные связи между морфометрическими параметрами проростков тест-культур, уровнем автотранспортного загрязнения и физическими и физико-химическими свойствами почв

Таким образом, использованные признаки проростков ячменя и пшеницы можно рекомендовать для фитотестирования уровня автотранспортного загрязнения и физических и физико-химических свойств городских почв.

Приведенные данные позволяют подтвердить широко распространенное в литературе мнение о негативном влиянии автотранспортного загрязнения на городские почвы (Почва. Город., 1997; Добровольский, Строганова, 1996). При этом количество автомобилей в городах растет год от года, и надеяться на существенное снижение их количества нет никаких оснований. Однако возможно значительное улучшение экологического состояния городских почв, а следовательно, и произрастающих на них растений за счет улучшения физикохимических свойств. Прежде всего, следует обратить внимание на уменьшение уплотнения почвы, которое приводит к целому комплексу негативных последствий, выражающихся в нарушении поглощения влаги и процессов газообмена в почве, снижении интенсивности микробиологических процессов, нарушении развития корневых систем растений и т.д. Для этого необходимо огораживать газоны, а также проводить мероприятия по уходу - рыхление верхнего слоя почвы, подсев трав, внесение подкисляющих почву реагентов.

Литература

1. Гигиеническая оценка качества почвы населенных мест: метод. указания. МУ 2.1.7.730-99 / Минздрав России. - М., 1999.

2. ГОСТ 12038-84. Семена с.-х. культур. Методы определения всхожести. - М.: Изд-во стандартов, 1984.

3. Добровольский, Г.В. Почвы Москвы / Г.В. Добровольский, М.Н. Строганова // Наука в России. - 1996.

- № 4. - С.69-72.

4. Дятлов, С.Е. Роль и место фитотестирования в комплексном мониторинге окружающей среды / С.Е. Дятлов. - М.: Экология окружающей среды. - 2003. - Вып. 51. - С. 83-89.

5. Еремченко, О.З. Свойства почв и техногенных поверхностных образований в районах многоэтажной застройки г. Пермь / О.З. Еремченко, Н.В. Москвина // Почвоведение. - 2002. - № 7. - С. 782-789.

6. Методические указания по оценке городских почв при разработке градостроительной и архитектурностроительной документации / под ред. Мягкова [и др.]. - 2003. - 36 с.

7. Почва. Город. Экология / под ред. Г.В. Добровольского. - М., 1997. - 320 с.

8. Решоткин, О.В. Экологические особенности почв городских парков / О.В. Решоткин, О.И. Худяков // Проблемы региональной экологии. - 2007. - № 2.

9. О новом подходе к исчислению размера ущерба, вызываемого захламлением, загрязнением и нарушением городских земель / А.П. Сизов [и др.] // Почвоведение. - 2001. - №6. - С. 732-740.

10. Скворцова, И.Н. Зависимость некоторых показателей биологической активности почв от уровня концентрации тяжелых металлов / И.Н. Скворцова, С.К. Ли, И.П. Ворожейкина // Тяжелые металлы в окружающей среде. - М., 1980. - 121 с.

11. Федорова, А.И. Практикум по экологии и охране окружающей среды / А.И. Федорова, А.Н. Никольская.

- М., 2001. - 288 с.

'--------♦-----------