АГРОХИМИЯ, 2013, № 5, с. 86-94
УДК 631.421:632.122
СОПОСТАВЛЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ЛАБОРАТОРНОГО И ПОЛЕВОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ХИМИЧЕСКОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПОЧВ*
© 2013 г. С.И. Колесников, М.Г. Жаркова, И.В. Кутузова, К.Ш. Казеев
Южный федеральный университет, факультет биологических наук, кафедра экологии и природопользования 344006 Ростов-на-Дону, ул. Большая садовая, 105, Россия E-mail: kolesnikov@sfedu.ru
Поступила в редакцию 28.11.2012 г.
При сравнении результатов полевого и лабораторного опытов практически не выявлено статистически достоверных различий между степенью снижения биологических показателей чернозема обыкновенного в лабораторных условиях и в поле. Это свидетельствовало о корректности переноса результатов лабораторных модельных исследований в полевые условия.
Ключевые слова: химическое загрязнение почв, полевое и лабораторное моделирование, биологические показатели.
ВВЕДЕНИЕ
Одним из методов экологических исследований является моделирование. Его используют со времен К. Либиха, Д.И. Менделеева, Д.Н. Прянишникова. Моделирование проводят в лабораторных и полевых условиях. Методология полевых и лабораторных модельных опытов подробно описана в работах [1-4].
Лабораторные модельные опыты имеют ряд преимуществ по сравнению с полевыми. Во-первых, это возможность поддерживать постоянную влажность и температуру почвы, в то время как в полевых условиях результаты опыта сильно зависят от погодных условий, что часто не позволяет добиться сопоставимых результатов. Во-вторых, возможность обеспечить перемешивание почвы до полной однородности во всех сосудах, что позволяет избежать расхождений в свойствах почвы, которые часто встречаются на разных делянках. И, наконец, возможность исследования различных загрязняющих веществ раздельно и в заранее заданных концентрациях. Соответственно, выяснение многих вопросов о влиянии загрязняющих веществ на происходящие в почве
* Исследование выполнено при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации (16.740.11.0528, 14.A18.21.0187, 14.A18.21.1269, 5.5160.2011) и при государственной поддержке ведущей научной школы (НШ-5316.2010.4).
процессы возможно только посредством лабораторных модельных опытов.
Среди ученых до сих пор нет единого мнения по поводу корректности переноса данных лабораторного моделирования в полевые условия. Фактический материал по этому вопросу противоречив и его недостаточно для однозначного ответа.
В результате ряда исследований было установлено, что в лабораторных экспериментах отрицательное действие тяжелых металлов на многие показатели биологической активности почв проявляется при их более низких концентрациях, чем в полевых условиях [5, 6]. В большинстве полевых опытов их негативное воздействие не было выявлено.
Одной из причин наблюдаемой разницы является значительная пространственная и временная вариабельность биологических свойств почвы, особенно микробиологических показателей активности, наблюдаемая в полевых условиях. Другой причиной может служить то, что состав загрязняющих веществ в реальных условиях может быть представлен не только токсическими веществами, но и рядом биофильных соединений. В этом случае влияние на биологическую активность почвы будет определяться результирующей токсического и стимулирующего эффектов [7]. Также причиной может быть следующее: при лабораторных условиях в контроле в почве создают оптимальные экологические условия для биологических процессов и, соответственно, регистрируют максимальную биологическую активность почвы. В полевых
условиях в почве редко бывает оптимум основных экологических факторов (например, на юге России лимитирующим фактором часто является недостаток влаги), поэтому величины показателей биологической активности в этом случае будут существенно меньше, чем в контроле в лабораторном опыте. Соответственно, разница между контролем и вариантами опыта будет больше в лабораторном опыте, чем в полевом. Поэтому создается впечатление, что тяжелые металлы оказывают большее токсическое воздействие в лабораторных условиях [8]. В других исследованиях установлена высокая корреляция результатов лабораторных (биотестирования) и полевых экспериментов [9].
Цель работы - сопоставить между собой результаты лабораторных и полевых модельных исследований загрязнения чернозема обыкновенного свинцом и нефтью, оценив тем самым корректность переноса результатов лабораторного моделирования в полевые условия.
В настоящем исследовании внимание уделили биологическим свойствам почвы, поскольку они являются наиболее варьирующими и наиболее чувствительными к загрязнению. Исходили из того, что если изменения биологических показателей в полевом и лабораторном опытах будут похожи, то изменения других, более консервативных, свойств почвы не будут сильно различаться.
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ
Полевые и лабораторные эксперименты были проведены по единой методике. Почва (чернозем обыкновенный), загрязняющие вещества (свинец и нефть), их дозы, формы и способы внесения в почву, срок экспозиции (30 сут), набор биологических показателей состояния почвы в полевом и лабораторном опытах были одинаковыми.
В качестве объекта исследования был использован чернозем обыкновенный (североприазовский). Полевые модельные опыты были проведены в Ботаническом саду Южного федерального университета (г. Ростов-на-Дону). Там же из пахотного горизонта чернозема была отобрана почва для лабораторных модельных экспериментов.
Мощность гумусового горизонта чернозема составляла ~80 см, гранулометрический состав тяжелосуглинистый, рН 7.7, содержание гумуса - 4.1%, общего азота (по Кьельдалю) - 0.25%, общего фосфора (по Гинзбург с соавт.) - 0.18%, подвижного фосфора (по Мачигину) - 28.8 мг/100 г почвы, общего калия (по Берцелиусу) - 2.06%.
В качестве загрязняющих веществ использовали свинец и нефть. Дозы свинца: 25, 50, 100, 250, 500 и 1000 мг/кг почвы. Фоновое содержание свинца в черноземе - 15.3 мг/кг. Предельно-допустимая концентрация (ПДК) свинца в почве составляет в России 32 мг/кг. Свинец вносили в почву в форме оксида свинца (II) - РЬО, поскольку именно им происходит до 90% загрязнения почв свинцом [10].
Так как оксид свинца не растворим в воде, для равномерного распределения в почве его сначала растирали с небольшим количеством почвы в ступке, затем смешивали с большим объемом почвы и максимально равномерно распределяли в верхнем слое 0-20 см почвы делянки путем перекапывания.
Нефть вносили во влажную почву в количестве 0.25, 0.5, 1.0, 2.5, 5.0, 10.0% от массы почвы. ПДК нефти в почве не разработана. Использованная нефть характеризовалась средней плотностью (0.8616 кг/м3), средним содержанием серы (1.34%) и хлористых солей (73.0 мг/дм3), низким содержанием механических примесей (0.0060%), массовая доля парафинов была равна 4.46%.
В полевых опытах делянки закладывали согласно общепринятой методике проведения полевого опыта [1-4]. Использовали делянки площадью 1 м2 с промежутками между делянками 0.5 м. По-вторность трехкратная. Загрязнение почвы провели 20 августа 2007 г., образцы почвы для определения биологических показателей отобрали 18 сентября. В начале эксперимента среднесуточная температура воздуха составила 23-25°С, к 30-ти сут -18-20°С. Влажность почвы поддерживали путем полива водой на уровне ~ 60% ПВ.
В лабораторных опытах почву инкубировали в вегетационных сосудах при комнатной температуре (20-22°С) и оптимальном увлажнении (60% ПВ) в трехкратной повторности. Опыты проводили в отсутствии растений. Перемешивание почвы осуществляли только 1 раз при закладке опыта (при внесении загрязняющих веществ), в полевом опыте это был верхний слой 0-25 см почвы. Таким образом, экологические факторы, такие как температура, влажность, плотность почвы, условия аэрации и т.д. были близкими.
Почва для лабораторных экспериментов была отобрана с того же участка, на котором выполняли полевой опыт, поэтому разницы в содержании био-фильных элементов, токсичных веществ или каких-либо иных химических свойств почвы не было.
Биологические параметры состояния почв определяли через 30 сут после загрязнения. При оценке химического воздействия на почву этот срок является наиболее информативным [11].
Лабораторно-аналитические исследования выполнены на кафедре экологии и природопользования ЮФУ с использованием общепринятых в биологии почв методов. Определяли активность каталазы, дегидрогеназы, целлюлозолитическую способность, обилие бактерий рода Л2о1оЪас1ег, всхожесть, длину корневых и надземных проростков тест-растения редиса. На основе указанных показателей определили интегральный показатель биологического состояния (ИПБС) почвы [11].
С целью проверки полученных данных на достоверность был проведен дисперсионный анализ с последующим определением наименьшей существенной разности (НСР) [2]. Использовали компьютерную программу Statistica 6.0.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Сопоставление результатов лабораторных и полевых модельных исследований влияния загрязнения свинцом и нефтью на эколого-биологические свойства чернозема обыкновенного представлено на рис.1, 2. Практически не было выявлено статистически достоверных различий между степенью снижения эколого-биологических показателей в лабораторных условиях и в поле.
Отмечены только единичные случаи достоверных отличий. Например, при загрязнении свинцом различия наблюдали: активности дегидрогена-зы при самой малой дозе загрязнения (25 мгРЬ/кг) (рис. 1а), целлюлозолитической активности - при самой большой дозе загрязнения (1000 мгРЬ/кг)
Лабораторный опыт Полевой опыт HCPq5
ЕЭ Контроль ЕЗ +25 ЕЗ +50 ЕЭ +100 ■ +250 ■ +500 ■ +1000
Лабораторный опыт Полевой опыт HCPq¡
ЕЗ Контроль El +25 ЕПЗ +50 0 +100 ■ +250 ■ +500 ■ +1000
Рис. 1. Влияние 30-суточного загрязнения свинцом чернозема обыкновенного в лабораторных и полевых условиях, % от контроля: (а) - на активность каталазы, (б) - на активность дегидрогеназы,
%
120 100 80 60 40 20 0
(в)
100
95-
100
79
85
41
17
Ш
87
77
50
37
20
I
Ю 8 9 И
8 7
Лабораторный опыт Полевой опыт НСР^
□ Контроль 0 +25 0 +50 0 +100 ■ +250 ■ +500 ■ +1000
Лабораторный
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.