Определение фитотоксичности почвогрунтов на рекультивированных участках

EARTH SCIENCES

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ФИТОТОКСИЧНОСТИ ПОЧВОГРУНТОВ НА РЕКУЛЬТИВИРОВАННЫХ

УЧАСТКАХ

Сосорова С.Б.

научный сотрудник, кандидат биологических наук Институт общей и экспериментальной биологии СО РАН, Улан-Удэ,

DETERMINATION OF PHYTOTOXICITY OF SOILS ON REKULTIVIROVANNY SITES

Sosorova S.

Researcher, PhD in Biology Institute of General and Experimental Biology SB RAS, Ulan-Ude,

Аннотация

В статье приведены результаты модельного опыта по определению фитотоксичности почвогрунтов, отобранных с рекультивированных участков территории деятельности бывшего Джидинского вольфрамо-молибденового комбината (Республика Бурятия). Установлено снижение фитотоксичности на рекультивированных участках.

Abstract

The article presents the results of a model experiment to determine the phytotoxicity of soil selected from reclaimed areas of the territory of the former Dzhidinsky tungsten-molybdenum plant (Republic of Buryatia). A decrease in phytotoxicity in reclaimed areas was found.

Ключевые слова: фитотоксичность, тест-культуры, энергия прорастания, всхожесть, рекультивация.

Keywords: phytotoxicity, test cultures, germination energy, germination, reclamation.

Актуальность. В связи с ростом антропогенной нагрузки на окружающую среду возрастает объем нарушенных земель, особенно в горнодобывающей промышленности. Отходы добычи руды руд оказывает негативное влияние на атмосферу, гидросферу и почвенный покров окружающей среды, а через них - на состояние растительных и животных организмов.

Фитотоксичность почвы - способность почв оказывать угнетающее действие на растения, приводящее к нарушению физиологических процессов, ухудшению качества растительной продукции и снижению ее выхода.

Изучать комплексное воздействие техногенных отходов и определять их фитотоксичность наиболее эффективно с помощью биологических методов анализа, которые позволяют помимо общего неспецифического влияния на биотест выделить некоторые специфические реакции на отдельные химические вещества или группы веществ [6].

В связи с этим целью исследований являлось определение потенциальной фитотоксичности вскрышных пород (техногенный песок) и поч-вогрунтов с рекультивированных участков территории деятельности бывшего Джидинского воль-фрамомолибденового комбината (ДВМК, г. Зака-менск, Республика Бурятия) для оценки экологической эффективности рекультивационных мероприятии.

Объекты и методы исследований Объектом исследования являются поч-вогрунты с рекультивированных участков территории деятельности бывшего Джидинского воль-

фрамо-молибденового комбината и тест -культуры. В качестве сравнения был фоновый участок в пойме р. Джиды.

Основным приемом восстановления нарушенной территории деятельности ДВМК является вывоз техногенных песков с площади Джидинского хвостохранилища и биологическая рекультивация. Было принято решение о вывозе техногенных песков в хвостохранилище в пади Барун-Нарын с целью их переработки на обогатительной установке ЗАО «Закаменск».

Поверхность, обнаженная после вывоза песков, подлежит биологической рекультивации. После планировки освобожденной от песков площади предлагается её покрыть слоем илистого грунта эфельных отвалов из россыпи Инкурская. Затем посев семян многолетних трав (контур № 3 и № 4) и посадка на площади 23,8 га саженцев сосны по полосам с дополнительной посадкой следующей весной взамен засохших саженцев и последующим уходом (контур №1).

Борьба с оврагами, с эрозией предусматривает устройство запруд из камня и габионов и террасирование склонов, которые будут закрепляться посадкой деревьев (береза, осина, яблоня сибирская, лиственница) и кустарников (облепиха, акация желтая, ивняк) (контур 1).

Рекультивированные участки разделены на 4 контура. Нами исследовались контура № 1, 3 и 4.

Контур №1 площадью 19,8 га расположен на Барун-Нарынском хвостохранилище техногенных песков ДВМК. Техногенные пески в ходе рекультивации были вывезены на переработку. На территории очищенной от техногенного песка проведена биологическая рекультивация в лесохозяйственом направлении (высадка саженцев лиственницы сибирской, березы повислой, яблони).

Рис. 1 Общий вид контура №1

Контур №3. Часть контура (4,4 га) занято кустарниками, 2 га заболочено и 5 га занимают водотоки. Биологическая рекультивация проведена на площади 77,8 га. В ходе биологической рекультивации проведен посев многолетних трав (тимофеевка луговая, мятлик луговой) с внесением удобрений.

Рис.2 Общий вид контура №3

Контур №4. На площади контура до начала рекультивации был расположен шлейф переотложенных техногенных песков, смытых водами реки Мо-донкуль с территорий ДВМК. Пески мелкозернистые, хорошо отсортированные, имеют в разрезе ритмичную, подобную ленточной слоистость, отражающую периодические крупные разливы воды в дельте.

На поверхности сохранились три вала техногенных песков длиной около 500 м, высотой 1-2 м, шириной - до 7-8 м. Также имеются полузасохшие

и наполненные водой озерки и понижения, а также несанкционированная свалка площадью 0,6 га и высотой до 1,5 м, состоящая преимущественно из лома железобетонных изделий, довольно крупных, и частично из бытового мусора.

Результаты наших полевых обследований выявили наличие незначительных площадей техногенного песка за пределами контура (на границе).

После рекультивационных мероприятий внешний вид контура №4 изменился (рис.3).

Рис.3 Общий вид контура № 4

Почвенный разрез фона.

Фоновый разрез заложен в окрестностях г. За-каменск, выше по течению р. Джида на участке луговой выровненной поймы. Географические координаты: N 50°24'09.1", E 103°16'20.1", высота- 1035 м. Растительное сообщество: разнотравно-монголь-скополевицевый луг. Проективное покрытие достигает 90-95%.

AU (P) 0-21(24) см. Темно-серый, увлажнен, уплотнен, легкосуглинистый, мелко- и средне-комковатый. Обильно пронизан корнями в верхней 07см, ниже много корней. От 10 % HCl не вскипает. Переход резкий по цвету, граница относительно ровная.

C1 21(24)-28(46) см. Неоднородно окрашенный светлосерого с ржаво-охристыми и сизоватыми пятнами, увлажнен, уплотнен, супесчаный. В нижней части с 32см слегка заилен. Структура во влажном- непрочно мелкокомковатый, в сухом- бесструктурный. Много мелких корней. Новообразования- ржаво-охристые окиси железа. От 10 % HCl не вскипает. Переход ясный по цвету, граница крупноволнистая.

[A]q,@ (28/46 - 40/49 см). Неоднородно-окрашенный, преимущественно серый с сизоватым оттенком и ржаво-охристыми пятнами погребенный гумусовый квазиглееватый криотурбированный горизонт. Увлажнен, уплотнен, имеет пластинчатую структуру, среднесуглинистый гранулометрический состав. Не вскипает от HCl. Много тонких корней. Переход ясный по цвету и гранулометрическому составу, граница крупноволнистая.

2Cq (40/49 - 54/65 см) Неоднородно-окрашенный, в общей массе бледно-палевый с ржаво-охристыми пятнами. Хорошо увлажнен, плотнее предыдущего горизонта, супесчаный со слабо выраженной пластинчатой структурой. Не вскипает от 10 % HCl. Встречаются корни. Переход ясный по цвету, граница слабоволнистая.

2[A]q (54/65 - 72 см). Погребенный гумусовый горизонт по морфометрическим полностью схож с гор. [A]q,@, отличается меньшей мощностью, более легким гранулометрическим составом (легкий суглинок) и тем, что криотурбационные проявления

практически не выражены. Редкие корни. Переход резкий по цвету, граница слабоволнистая.

3С~~ (72 - 95 см). Горизонт состоящий из прослоев и слоев аллювиальной супеси и песка. Супесчаные прослои имеют небольшую мощность, бледно-палевый цвет с ржаво-охристыми пятнами, непрочнокомковатую структуру. Песчаные прослои обладают более насыщенной ржавой окраской. В целом горизонт представлен слабосвязным песком, сильно увлажнен, уплотнен. Встречаются единичные корни. От HCl не вскипает.

Почва: Аллювиальная темногумусовая квазиг-лееватая криотурбированная постагрогенная.

Результаты лабораторных исследований показали, что исследуемые почвогрунты характеризуются низким содержанием гумуса, азота, невысокой емкостью катионного обмена, pH водной вытяжки колеблются от слабокислой до слабощелочной. Гранулометрический состав исследуемых образцов изменяется от рыхлого песка до среднего суглинка.

По содержанию микроэлементов и тяжелых металлов техногенный песок характеризуется высоким содержанием мышьяка, кадмия, меди, молибдена, свинца и цинка, которые превышают ПДК. Фоновая почва с высоким содержанием никеля. В почвогрунтах с контура №1 выявлено высокое содержание мышьяка, кадмия, свинца, меди и цинка. На контуре №3 отмечается высокое содержание мышьяка, меди, свинца и цинка, а на контуре № 4 и в эфеле - мышьяка, меди и цинка.

Высокое содержание обменных форм свинца, цинка и меди характерно для контура №1. Следует отметить высокое содержание обменного цинка в почвогрунтах контуров № 3 и 4, что обусловлено его высоким содержанием в эфеле, который применялся при создании плодородного слоя.

Агрохимические свойства почвогрунтов изучали общепринятыми в почвоведческой практике методами [2, 3].

Определение потенциальной фитотоксичности вскрышных пород (техногенный песок) и поч-вогрунтов с рекультивированных участков (контуры 1, 3, 4) проводилось методом проростков на

рост семян растений индикаторов: горох овощной сорта «Воронежский» (Pisum sativum), люцерна гибридная (Medicago varia), овсяница луговая ((Festuca pratensis), кострец безостый (Brömus inërmis) в лабораторных условиях [1].

Метод основан на реакции тест культуры на наличие в почве загрязняющих веществ и позволяет выявить токсичное (ингибирующее) действие тех или иных веществ или стимулирующее влияние, активизирующее развитие тест -культур.

В ходе опыта фиксируется всхожесть, энергия прорастания семян, длина надземной и корневой систем, масса сухого вещества надземной и подземной части.

Высаживали по 10 семян растений в 3 -х кратной повторности в емкости с массой почвогрунта 400 гр. Периодически производился, полив дистиллированной водой для поддержания влажности почвогрунта на уровне 70 % от НВ. Через 40 (горох, фаза интенсивного роста, начало бутанизации), 50 (люцерна гибридная, фаза ветвления), 55 (овсяница луговая, фаза кущения), 56 (кострец безостый, фаза кущения) суток растения были извлечены из почвы и произведены необходимые замеры.

При использовании показателя массы растений и длины корней расчет фитотоксического эффекта вели по формуле:

Мконт-Мфит

ФЭ(пр) =-—100%,

Мконт

где ФЭ(пр)- фитотоксический эффект (по проросткам); Мконт- сухая масса растения (или длина корня) на контроле; Мфит- масса растения (или длина корня) на фитотоксичной среде [4].

Результаты и обсуждение.

В качестве критериев определения величины критической нагрузки (экологической нормы воздействия) используют момент перехода загрязнителя из почвы в растения, при котором его концентрация не превышает ПДК для пищевых продуктов

The scientific heritage No 39 (2019) [7]. Однако следует отметить, что превышение ПДК химических элементов является лишь косвенным показателем. Почва может быть сильнозагряз-ненной, но нетоксичной или слаботоксичной и, наоборот, слабозагрязненной, но сильно токсичной. Кроме того, негативное действие одних компонентов может быть нейтрализовано или усилено присутствием других. Поэтому в последние годы зарекомендовал себя показатель интегральной токсичности, который определяют биотестированием - по реакции живых организмов. Определение степени опасности их сред обитания данным способом оперативно и доступно.

Чувствительность растений к экзогенному химическому воздействию проявляется в ростовых и морфологических характеристиках [6].

Фитотестирование лежит в основе метода оценки токсичности почв, устойчивости их к загрязнению [8]. Знания об уровне устойчивости почв необходимы для нормирования антропогенной нагрузки, не понижающей их способности к выполнению экологических функций.

Уровень фитотоксичности почв оценивается по снижению определяемых показателей по сравнению с таковыми у растений, выращиваемых на контрольной (незагрязненной) почве.

Полученные нами данные показывают, что энергия прорастания и всхожесть тест-культур в опытах с исследуемыми образцами по сравнению с контролем снижается (рис.4, 5). Однако фитотокси-ческий эффект различен в зависимости от вида растений и степени загрязненности участка.

По показателям энергии всхожести семян следует отметить относительно высокие средние значения для гороха овощного и люцерны гибридной на фоне и контуре № 3 для люцерны гибридной, овсяницы и костреца безостого (рис.4).

Энергия всхожести семян

фон тп контур 4 контур 3 контур 1

Участки

горох = люцерна П овсяница 151 кострец безостый Рис. 4 Энергия всхожести семян тест -культур

Всхожесть семян демонстрирует низкий фитотоксический эффект образцов по отношению к злаковым (рис.5). Наименьший показатель данного эффекта нами был получен на техногенном песке для гороха овощного и для костреца безостого и люцерны на контуре № 3. На контуре № 1 данный эффект оказался выше.

Рис. 5 Всхожесть семян тест-культур

По мере роста растений свойства образцов сказывается на их морфометрические показатели, как высота стебля и длина корня, а также на биомассу. Средние значения результатов морфометрических измерении показаны на рис. 6, из которого видно, что на техногенном песке и на контуре № 1 самые низкие морфометрические показатели для тест-культур, что связано с фитотоксичностью техногенного песка.

Морфометрические параметры растений

Фон тп контур 4 контур 3 контур 1

Рис. 6. Морфометрические параметры тест-культур

Проведенные исследования позволили выявить факт высокой фитоксичности техногенного песка, почвогрунтов контура № 1 по отношению ко всем тест-культурам, слабой фитотоксичности почвогрунтов контура № 4 по отношению к овсянице и кострецу (табл.1, 2, рис.4, 5).

Выявлено, что по отношению к бобовым (люцерна гибридная и горох овощной) фитотоксичность исследуемых почвогрунтов выше, чем к злаковым (овсяница луговая и кострец безостый).

Таблица 1.

Фитотоксичный эффект почвогрунтов по сухой биомассе, %

Тест культура / участок Овсяница Кострец Горох Люцерна

Техногенный песок 72,1 60,0 100 100

Контур 4 11,6 1,6 -20,3 -43,3

Контур 3 -16,3 -29,2 -31,9 -43,3

Контур 1 55,8 58,5 2,8 76,7

Таблица 2.

Фитотоксичность почвогрунтов по длине корней растений, %_

Тест культура / участок Овсяница Кострец Горох Люцерна

Техногенный песок 77,4 74,3 100 100

Контур 4 -54,8 -84,6 -33,8 -51,6

Контур 3 -16,1 -35,9 -85,2 -19,4

Контур 1 68,7 43,6 32,3 79,7

Примечание. - стимулирующий эффект

При 100 % фитотоксическом эффекте наблюдалась гибель растении по происшествии 2-3 недель и поэтому к моменту уборки в сосудах с техногенным песком, где выращивались бобовые (горох овощной, люцерна гибридная) растения отсутствовали, а в сосудах со злаковыми (овсяница луговая и кострец безостый) -ветошь, что связано с более поздним сроком гибели растений (4-6 недель).

Различие по степени фитотоксичности обусловлены как агрохимическими свойствами техногенного песка и почвогрунтов, так и биологическими особенностями растений. Так, техногенный песок характеризуется кислой реакцией среды,

очень низким содержанием органического вещества и азота, в то время как на фон слабокислой реакцией среды, средним содержанием гумуса.

Например, люцерна хорошо растет на высокоплодородных и рыхлых почвах, лучшими для нее считаются черноземы. Она плохо удается при высоком уровне грунтовых вод, а также на каменистых почвах. Люцерна не переносит высокой кислотности, при этом клубеньки на корнях почти не развиваются. Оптимальная рН для нее 6,5-7,0. Эта культура потребляет из почвы большое количество питательных веществ, что связано с ее способностью давать большие урожаи высокобелковой зеленой массы.

Таким образом, техногенный песок и поч-вогрунты с контура №1 обладают высоким фито-токсическим эффектом по отношению к тест-культурам,

а почвогрунты с контура №4 незначительным фитотоксическим эффектом по морфометриче-скому показателю как длина стеблей. Выявлено стимулирующий эффект почвогрунтов контуров №3 и 4 на рост растений относительно фона по таким показателям, как сухая биомасса и длина корней.

Проведенные мероприятия по рекультивации участков, нарушенных деятельностью Джидин-ского вольфрамомолибденового комбината, в целом дали положительный эффект

Список литературы

1. ГОСТ Р ИСО 22030-2009. Качество почвы. Биологические методы. Хроническая фитотоксич-ность в отношении высших растений

2. Агрохимические методы исследования почв / под ред. Соколов А.В.- М.: Изд-во: Наука, 1975. -656 с.

3. Практикум по агрохимии / под ред. Минеева В.Г. Учебное пособие. - 2-е изд., перераб. и доп. -М.: Изд-во МГУ, 2001. - 689 с.

4. Привалова Ю.Ф., Процай А.А., Литвиненко Ю.Ф., Марченко Л.А., Паньков В.А. Определение фитотоксичности методом проростков //Успехи современного естествознания. 2006. № 10. С.45.

5. Никаноров А.М., Хоружая Т.А., Бражникова Л.В., Жулидов А.В. Мониторинг качества вод: оценка токсичности. СПб. Гидрометеоиздат, 2000. -158 с.

6. Николаева О.В., Терехова В.А. Совершенствование лабораторного фитотестирования для экотоксикологической оценки почв // Почвоведение. 2017. № 9. С. 1141-1152.

7. Овчинникова И.Н. Экологический риск и загрязнение почв. М.: Альтекс, 2003. - 363 c.

8. Тимофеев М.А., Терехова В.А., Кожевин П.А. Биотестирование почв при загрязнении кадмием // Вестник Моск. ун-та. Сер. 17. Почвоведение. 2010. № 4. С. 44-47.