CC BY
20
УДК 631.45
А.А. Утомбаева, А.М. Петров, Э.Р. Зайнулгабидинов,
Ю.А. Игнатьев, Т.В. Кузнецова
Институт проблем экологии и недропользования АН РТ, [email protected]
ДИНАМИКА РОСТА ВЫСШИХ РАСТЕНИЙ НА РЕКУЛЬТИВИРОВАННЫХ НЕФТЕЗАГРЯЗНЕННЫХ АЛЛЮВИАЛЬНЫХ ЛУГОВЫХ ПОЧВАХ РАЗНОГО ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКОГО СОСТАВА
В лабораторных хронических экспериментах определено влияние содержания нефти в рекультивированной аллювиальной луговой среднесуглинистой и супесчаной почве на урожайность биомассы пшеницы яровой и гороха посевного. Показано, что горох более чувствителен к остаточному содержанию нефтепродуктов в почве. При культивировании пшеницы на рекультивированных нефтезагрязненных почвах токсическое действие проявляется только на ранних этапах развития растений. При выращивании гороха на загрязненной среднесуглинистой почве ингибирующее действие не проявлялось только в варианте, содержавшем 8.6 г/кг поллютанта. В остальных случаях наблюдалось торможение роста гороха с тенденцией к увеличению во времени в варианте, содержавшем 14.3 г/кг нефтепродуктов. Развитие гороха на ранних этапах на супесчаной почве, содержавшей минимальное количество поллютанта, сопровождалось стимуляцией роста растений, при нивелировании данного эффекта к концу хронического эксперимента. Культивирование гороха при максимальном испытанном содержании поллютанта в среднесуглинистой и супесчаной почвах приводило к снижению биопродуктивности. Эффект стимулирования наблюдался в вариантах, содержавших 1.5 и 6.0 г/кг НП.
Ключевые слова: нефть; аллювиальная луговая почва; фитотоксичность.
Введение
Нефтяное загрязнение приводит к изменению свойств почв, деградации и даже полной гибели биоценозов, что требует проведения работ, направленных на восстановление свойств и плодородия почв. При проведении рекультивационных мероприятий в результате проходящих в почве физико-химических и биологических процессов происходит частичная деструкция нефтяных компонентов, снижается токсичность почв, создаются условия для развития живых организмов.
В тоже время, сроки и интенсивность проведения рекультивационных работ определяются характеристиками и свойствами почв, что требует определения влияния разного остаточного содержания поллютанта в почвах на живые организмы, рост и развитие растений (Акайкин и др., 2016; Зайнулгабидинов и др., 2014; Кольцова и др., 2014, 2016; Петров и др., 2016).
Целью исследований являлось изучение влияния остаточного содержания нефти и продуктов ее трансформации в аллювиальных луговых среднесуглинистых и супесчаных почвах на рост высших растений в хроническом лабораторном эксперименте.
Материалы и методы исследования
Лабораторно-вегетационные опыты по определению фитопродуктивности проводились согласно ГОСТ Р ИСО 22033-2009 при температуре окружающего воздуха 19-26°С и искусственном освещении с интенсивностью света 4000 Лк. Влажность почв поддерживалась на уровне 60% от полной влагоемкости. В качестве тест-объектов использованы пшеница яровая (Triticum vulgare L.) сорта «Йолдыз» и горох посевной (Pisum sativum L.) сорта «Казанец». Всхожесть семян составляла более 95%.
Эксперименты по определению фитотоксич-ности включали несколько вариантов с различным остаточным содержанием поллютанта в условно рекультивированных после загрязнения сернистой нефтью Ямашинского месторождения (Республика Татарстан) аллювиальных почвах (варианты В1-В4). Контролем (К) служили чистые, не загрязненные нефтью почвы. В качестве вегетационных сосудов использовались пластиковые емкости диаметром 11 см и объемом 550 мл. Количество повторностей в каждом варианте - 3.
В ходе рекультивации для активизации физико-химических и биологических процессов еженедельно в течение 5 месяцев осуществляли
60
российский журнал ИМ! И!
Таблица 1. Всхожесть семян пшеницы и гороха на аллювиальной луговой среднесуглинистой почве
при разном остаточном содержании НП
Варианты НП, г/кг Всхожесть, %
Пшеница Горох
3 суток 5 суток 8 суток 3 суток 5 суток 8 суток
К 0 80 85 100 5 55 100
В1 5.9 70 80 100 0 70 100
В2 8.6 90 90 100 5 80 100
В3 10.8 75 90 100 5 45 100
В4 14.3 65 90 100 15 55 100
рыхление контрольных и опытных почвенных образцов. Остаточное содержание нефтепродуктов (НП) в почвах определяли по величине потерь при прокаливании (Игнатьев и др., 2018).
В опытные и контрольные емкости высаживали по 10 семян. После учета проросших семян число растений в каждом сосуде сокращали до 8. В первую неделю опыта ежедневно измеряли высоту растений. На 14-й день после появления всходов в каждой емкости на уровне поверхности почвы срезали по 4 выбранных случайным образом тест-растения, у которых определяли сухую биомассу. За оставшимися растениями вели наблюдения в течение 42 суток, после чего их аккуратно освобождали от земли и определяли сухую массу растений.
Результаты и их обсуждение
Эксперименты показали, что испытанные концентрации НП в аллювиальной луговой сред-несуглинистой почве практически не влияют на всхожесть семян пшеницы (табл. 1). В варианте с максимальным содержанием нефти (14.3 г/кг) всхожесть была на 15% ниже, чем в контроле, а в варианте В2 на 10% выше, чем в чистой почве. На пятые сутки эксперимента различия нивелирова-
лись, а к восьмым суткам они во всех вариантах имели одинаковые максимально достижимые значения.
Что касается гороха, то на третьи сутки при максимальной концентрации НП всхожесть семян была в 3 раза выше, чем в контроле, а в вариантах В2 и В3 не отличалась от контроля (табл. 1). На пятые сутки всхожесть гороха в вариантах В1 и В2 на 15 и 25%, соответственно, превышала контрольные значения, к восьмым суткам во всех вариантах она составляла 100%.
В эксперименте с супесчаной почвой в варианте с максимальным содержанием НП в первые пять суток эксперимента наблюдалось ингибиро-вание прорастания семян пшеницы (табл. 2). На восьмые сутки эксперимента всхожесть семян в контрольных и опытных вариантах была одинаковой и составляла 100%. Скорость прорастания семян гороха в присутствии поллютанта в первые дни эксперимента во всех опытных вариантах была выше, чем в контроле, что указывает на его стимулирующее действие на растения на ранних стадиях развития.
Согласно полученным данным, длина растений пшеницы, выросших на содержащей НП средне-суглинистой почве, была меньше, чем в контроле.
Варианты НП, г/кг Всхожесть, %
Пшеница Горох
3 суток 5 суток 8 суток 3 суток 5 суток 8 суток
К 0 75 95 100 0 30 100
В1 1.5 75 95 100 0 45 100
В2 4.9 70 95 100 5 65 100
В3 6.0 70 100 100 10 55 100
В4 11.0 35 60 100 0 35 100
Таблица 2. Всхожесть семян пшеницы и гороха на аллювиальной луговой супесчаной почве при разном
остаточном содержании нефтяных загрязнений
1/212!
61
450 400 350 300 250 200 150 100 50 0
500
400
-»-К 300
-■-В1 1
-*-В2 200
-Х-В3
-Ж-В4 100
20 30
Время, сутки
-К
-В1 В2 -В3 -В4
20 30
Время, сутки
Рис. 1. Динамика роста пшеницы в хроническом эксперименте на аллювиальной луговой среднесуглинистой почве при разном остаточном содержании НП
Рис. 4. Динамика роста гороха в хроническом эксперименте на аллювиальной луговой супесчаной почве при разном остаточном содержании НП
20 30
Время, сутки
120
100
л 80
-#-К
-■-В1 60
-А-В2 5
-Х-В3 £ 40
-Ж-В4
20
0
Рис. 2. Динамика роста пшеницы в хроническом эксперименте на аллювиальной луговой супесчаной почве при разном остаточном содержании НП
В2 В3
Вариант
Рис. 5. Относительное накопление сухой массы
растений пшеницы в опытных вариантах аллювиальной луговой среднесуглинистой (Ал сс) и супесчаной (Ал сп) почв
20 30
Время, сутки
120
100
-•-К 5 80
-■— В1 ¡5
60
В2 *
=
-Х-вз £ 40
-Ж-В4
20
0
Рис. 3. Динамика роста гороха в хроническом эксперименте на аллювиальной луговой среднесуглинистой почве при разном остаточном содержании НП
■ Ал сс
■ Ал сп
В2 В3
Вариант
Рис. 6. Относительное накопление сухой массы растений гороха в опытных вариантах аллювиальной луговой среднесуглинистой (Ал сс) и супесчаной (Ал сп) почв
0
В1
В4
В1
В4
В вариантах В3 и В4 на пятые сутки эксперимента наблюдалось достоверное 30% ингибирование роста растений. В остальных опытных вариантах и в данных при увеличении времени экспозиции рост растений несколько замедлялся, но откло-
нения от контроля при этом не превышали 15% (рис. 1).
В вегетационном эксперименте на супесчаной почве в вариантах В2, В3 и В4 на пятые сутки НП ингибировали рост растений на 22, 26 и 57%, соот-
62
российский журннл приклпой экологии
ветственно (рис. 2). В варианте В4 ингибирующее действие поллютанта проявлялось более длительный период и составляло 45% на восьмые сутки и 26% на 15 сутки эксперимента. Дальнейшее увеличение времени экспозиции приводило к нивелированию отрицательного влияния поллютанта на рост растений. В варианте В2 на 22-37 сутки прослеживалась незначительная (7-10%) стимуляция роста пшеницы. В варианте В1 отклонения в длине растений пшеницы не превышали 15%.
Ответная реакция гороха на присутствие нефтяных углеводородов в среднесуглинистой почве отличалась от их действия на пшеницу. В ходе эксперимента в варианте В2 достоверное токсическое действие поллютанта на горох не обнаружено. В остальных опытных вариантах оно проявлялось на протяжении всего эксперимента (рис. 3). Если в вариантах В1 и В3 ингибирующее действие нефтяных углеводородов во времени практически не менялось, то в В4 прослеживалась тенденция по увеличению токсического эффекта по мере роста растений. Начиная с 22 суток рост гороха прекратился, наблюдалось пожелтение верхушечных листьев.
При культивировании гороха на загрязненной аллювиальной луговой супесчаной почве к восьмым суткам эксперимента в вариантах В1-В3 наблюдался более интенсивный рост растений, длина которых на 66-107% превышала длину растений в контроле (рис. 4). Увеличение времени экспозиции нивелировало выявленные различия, к концу эксперимента длина растений в вариантах В1-В3 практически не отличалась от контроля. Ингибирующее действие самой высокой из испытанных концентрации (вариант В4) проявлялось на протяжении всего периода наблюдений с тенденцией увеличения токсичности к концу эксперимента. В нем, как и в эксперименте на средне-суглинистой почве, в интервале 22-42 суток длина растений практически не менялась, токсическое действие поллютанта проявлялось в пожелтении верхушечных листьев.
Нефтяное загрязнение приводило к снижению биологической продуктивности пшеницы в вариантах В1, В2 на среднесуглинистой и В1 на супесчаной почвах (рис. 5). В варианте В2 супесчаной почвой стимулирующее действие нефтяных углеводородов привело к увеличению фитомассы на 18.8%.
В экспериментах с горохом в вариантах В4 на среднесуглинистой и супесчаной почвах наблюдалось 43% и 25% снижение биопродуктивности (рис. 6). Следует отметить, что если в экспериментах со среднесуглинистой почвой снижение биопродуктивности зафиксировано во всех опыт-
ных вариантах, то в экспериментах с супесчаной почвой в вариантах В1 и В3 наблюдалось 13 и 14% увеличение урожайности общей биомассы.
Выводы
1. В хронических экспериментах на рекультивированных аллювиальных луговых среднесугли-нистых и супесчаных почвах растения пшеницы были менее чувствительны к присутствию нефтяного загрязнения, чем горох.
2. При культивировании пшеницы на рекультивированных нефтезагрязненных почвах токсическое действие проявляется только на ранних этапах развития растений при остаточном содержании поллютанта 10 г/кг и выше в среднесугли-нистой и 4.9 г/кг и выше в супесчаной аллювиальной луговой почве.
3. При выращивании гороха на загрязненной среднесуглинистой почве ингибирующее действие не проявлялось только в варианте, содержавшем 8.6 г/кг поллютанта. В остальных случаях наблюдалось торможение роста гороха с тенденцией к увеличению во времени в варианте, содержавшем 14.3 г/кг нефтепродуктов.
4. Развитие гороха на ранних этапах на супесчаной почве, содержавшей до 6 г/кг НП, сопровождалось стимуляцией роста растений, при нивелировании данного эффекта к концу хронического эксперимента. При содержании НП в концентрации 11 г/кг токсический эффект проявлялся на протяжении всего эксперимента с тенденцией к увеличению ингибирующего эффекта во времени.
5. Культивирование гороха при максимальном испытанном содержании поллютанта в средне-суглинистой (14.3 г/кг) и супесчаной (11.0 г/кг) почвах приводило к 43% и 25% снижению биопродуктивности. Эффект стимулирования на 13 и 14% наблюдался в вариантах, содержавших 1.5 и 6.0 г/кг НП, соответственно.
Список литературы
1. Акайкин Д.В., Петров А.М. Условия среды и динамика токсикологических характеристик нефтезагрязненных почв // Вестник технологического университета. 2016. Т. 19, №8. С. 123-126.
2. ГОСТ Р ИСО 22033-2009. Качество почвы. Биологические методы. Хроническая токсичность в отношении высших растений.
3. Зайнулгабидинов Э.Р., Игнатьев Ю.А., Петров А.М. Особенности изменения фитотоксичности дерново-карбонатной и светло-серой лесной почв, загрязненных нефтепродуктами // Журнал экологии и промышленной безопасности. 2014. №1-2. С. 35-37.
4. Игнатьев Ю.А., Зайнулгабидинов Э.Р., Петров А.М. Применение метода прокаливания для определения содержания аллохтонных углеводородов нефти в серых лесных почвах // Российский журнал прикладной экологии. 2018. №3. С. 34-37.
1/2121
63
5. Кольцова Т.Г., Григорьян Б.Р., Сунгатуллина Л.М., Петров А.М., Башкиров В.Н. Оценка фитотоксичности серых лесных почв в условиях нефтяного загрязнения // Вестник технологического университета. 2016. Т.19, №18. С. 185-191.
6. Кольцова Т.Г., Сунгатуллина Л.М., Григорьян Б.Р., Петров А.М. Оценка фитотоксичности черноземных почв в условиях нефтяного загрязнения // Вестник Казанского технологического университета. 2014. Т.17, №15. С. 261-267.
7. Петров А.М., Вершинин А.А., Каримуллин Л.К., Акай-кин Д.В., Тарасов О.Ю. Динамика эколого-биологических характеристик дерново-подзолистых почв в условиях длительного воздействия нефтяного загрязнения // Почвоведение. 2016. №7. С .848-856.
References
1. Akajkin D.V., Petrov A.M. Usloviya sredy i dinamika toksikologicheskih harakteristik neftezagryaznennyh pochv [Environmental conditions and dynamics of toxicological characteristics of oil-contaminated soils[ // Vestnik tekhnologicheskogo universiteta // Herald of tehnological university. 2016. V. 19, No. 8. P. 123-126.
2. GOST R ISO 22033-2009. Kachestvo pochvy. Biologicheskie metody. Hronicheskaya toksichnost' v otnoshenii vysshih rastenij [Soil quality. Biological methods. Chronic toxicity to higher plants].
3. Zajnulgabidinov E.R., Ignat'ev Yu.A., Petrov A.M. Osobennosti izmeneniya fitotoksichnosti dernovo-karbonatnoj i svetlo-seroj lesnoj pochv, zagryaznennyh nefteproduktami [Features of changing phytotoxicity of sod-carbonate and light gray forest soils contaminated with oil products // Zhurnal ekologii i promyshlennoj bezopasnosti [Journal of ecology and industrial safety[. 2014. No. 1-2. P. 35-37.
4. Ignat'ev Y.A., Zajnulgabidinov E.R., Petrov A.M. Primenenie metoda prokalivaniya dlya opredeleniya soderzhaniya allohtonnyh uglevodorodov nefti v seryh lesnyh pochvah [Application of a piercing method to determine the content of allochthonous oil hydrocarbons in gray forest soils] // // Rossijskij zhurnal prikladnoj ekologii [Russian journal of applied ecology]. 2018. No. 3. P. 34-37.
5. Kol'cova T.G., Grigor'yan B.R., Sungatullina L.M., Petrov A.M., Bashkirov V.N. Ocenka fitotoksichnosti seryh lesnyh pochv v usloviyah neftyanogo zagryazneniya [Assessment of phytotoxicity of gray forest soils under oil pollution] // Vestnik tekhnologicheskogo universiteta [Herald of tehnological university]. 2016. V. 19, No. 18. P. 185-191.
6. Kol'cova T.G., Sungatullina L.M., Grigor'yan B.R., Petrov A.M. Ocenka fitotoksichnosti chernozemnyh pochv v usloviyah neftyanogo zagryazneniya [Assessment of phytotoxicity of
chernozem soils under oil pollution] // Vestnik Kazanskogo tekhnologicheskogo universiteta [Herald of tehnological university]. 2014. V. 17, No. 15. P. 261-267.
7. Petrov A.M., Vershinin A.A., Karimullin L.K., Akajkin D.V., Tarasov O.YU. Dynamics of ecological and biological characteristics of sod-podzolic soils under conditions of prolonged exposure to oil pollution [Dinamika ekologo-biologicheskih harakteristik dernovo-podzolistyh pochv v usloviyah dlitel'nogo vozdejstviya neftyanogo zagryazneniya] // Pochvovedenie [Eurasian soil science]. 2016. No. 7. P. 848-856.
Utombaeva A.A., Petrov A.M., Zainulgabidinov E.R., Ignatiev Yu.A., Kuznetsova T.V. Dynamics of growth of higher plants in reclaimed oil-contaminated alluvial meadow soils of different granulo-metric composition.
The influence of the oil content in the reclaimed alluvial meadow medium loamy and sandy loam soil on the yield of spring wheat biomass and sowing peas was determined in the laboratory chronic experiments. It was shown that peas are more sensitive to the residual content of oil products in the soil. When wheat is cultivated on reclaimed oil-contaminated soils, the toxic effect is manifested only in the early stages of plant development. When growing peas on contaminated medium loamy soil, the inhibitory effect was not manifested only in the variant containing 8.6 g/kg of pollutant. In other cases, inhibition of pea growth was observed with a tendency to increase in time in the variant containing 14.3 g of oil per kg. The development of peas in the early stages in sandy soil containing a minimal amount of pollutant was accompanied by stimulation of plant growth, when this effect was leveled by the end of the chronic experiment. The cultivation of peas at the maximum tested pollutant content in medium loamy and sandy loamy soils led to the decrease in bio productivity. The stimulation effect was observed in variants containing 1.5 and 6.0 g/kg of oil.
Keywords: oil; alluvial meadow soil; phytotoxic-
ity.
Информация об авторах
Утомбаева Алина Александровна, младший научный сотрудник, Институт проблем экологии и недропользования АН РТ, Россия, 420087, г. Казань, ул. Даурская, 28, E-mail: [email protected].
Петров Андрей Михайлович, кандидат биологических наук, заведующий лабораторией, Институт проблем экологии и недропользования АН РТ, Россия, 420087, г. Казань, ул. Даурская, 28, E-mail: [email protected].
Зайнулгабидинов Эрик Ренатович, кандидат биологических наук, старший научный сотрудник, Институт проблем экологии и недропользования АН РТ, Россия, 420087, г. Казань, ул. Даурская, 28, E-mail: [email protected].
Игнатьев Юрий Алексеевич, кандидат химических наук, старший научный сотрудник, Институт проблем экологии и недропользования АН РТ, Россия, 420087, г. Казань, ул. Даурская, 28, E-mail: [email protected].
Кузнецова Татьяна Васильевна, научный сотрудник, Институт проблем экологии и недропользования АН РТ, Россия, 420087, г. Казань, ул. Даурская, 28, E-mail: [email protected].
Information about the authors
Alina A. Utombaeva, Junior Researcher, Research Institute for Problems of Ecology and Mineral Wealth Use of Tatarstan Academy of Sciences, 28, Daurskaya st., Kazan, 420087, Russia, E-mail: [email protected].
Andrey M. Petrov, Ph.D. in Biology, Head of Laboratory, Research Institute for Problems of Ecology and Mineral Wealth Use of Tatarstan Academy of Sciences, 28, Daurskaya st., Kazan, 420087, Russia, E-mail: [email protected].
Erik R. Zainulgabidinov, Ph.D. in Biology, Senior Researcher, Research Institute for Problems of Ecology and Mineral Wealth Use of Tatarstan Academy of Sciences, 28, Daurskaya st., Kazan, 420087, Russia, E-mail: [email protected].
Yuri A. Ignatiev, Ph.D. in Chemistry, Senior Researcher, Research Institute for Problems of Ecology and Mineral Wealth Use of Tatarstan Academy of Sciences, 28, Daurskaya st., Kazan, 420087, Russia, E-mail: [email protected].
Tatyana V. Kuznetsova, Researcher, Research Institute for Problems of Ecology and Mineral Wealth Use of Tatarstan Academy of Sciences, 28, Daurskaya st., Kazan, 420087, Russia, E-mail: [email protected].
1/212!
