CC BY
48
АРИДНЫЕ ЭКОСИСТЕМЫ, 2016, том 22, №2 (67), с. 48-55.
= ОТРАСЛЕВЫЕ ПРОБЛЕМЫ ОСВОЕНИЯ ЗАСУШЛИВЫХ ЗЕМЕЛЬ =====
УДК 631.4, 581.132(134)
ФЛУОРЕСЦЕНТНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СИСТЕМЫ ПОЧВА-
РАСТЕНИЕ
© 2016 г. А.Т. Маммаев, М.Ю. Алиева, М.Х.-М. Магомедова, Е.В. Пиняскина
Прикаспийский институт биологических ресурсов Дагестанского научного центра РАН Россия, 367000, г. Махачкала, ул. Гаджиева, д. 45 E-mail: pibrdncran@mail
Поступила 03.09.2015 г.
Предлагается биофизический методический подход к оценке состояния почв по параметрам люминесценции гуминовых веществ и флуоресценции растений для разработки концептуальных основ применения методов при экспресс-мониторинге состояния почвы и моделирования экологического риска деградационных процессов. Использование оптических методов в исследовании проблем аридизации и загрязнения среды поможет своевременно информировать и расширить возможности прогнозирования дальнейшего развития событий, своевременно разработать способы предотвращения признаков деградации почвы на начальной стадии.
Ключевые слова: экспресс-мониторинг, лазерная индукция флуоресценции, гуминовые вещества, флуоресценция, фотосинтез, засоление почвы, тяжелые металлы, мониторинговые исследования.
Структурное состояние почвы - один из важнейших факторов ее экологической устойчивости и плодородия. Познание генезиса почвенного агрегата является необходимой научной предпосылкой для -разработки приемов сохранения агрономически ценной, стабильной структуры. Исследование закономерностей формирования элементов почвенной структуры отнесены к одной из важных проблем почвоведения (Зубкова, Карпачевский, 2001). К настоящему времени еще нет исчерпывающего научного объяснения механизмов формирования и устойчивости почвенной структуры. Особое внимание этот вопрос приобретает в связи с агрогенным воздействием на почву. Это влияние отражается на одном из основных факторов структурообразования - органическом веществе, а, следовательно, и на агрегатном уровне организации почвы. Идея об определяющей роли органического вещества в образовании почвенной структуры подтверждена исследованиями Н И. Саввинова (1931), И.В. Кузнецовой (1994).
Из всех сложных, взаимосвязанных процессов, происходящих в почвах, наиболее важное значение имеет регулирование направленности трансформации органического вещества. Известно, что люминесценция минералов является обязательным условием их характеристики. По цвету и спектру люминесценции оцениваются генетические особенности образований как важного диагностического признака (Горобец, 2001). Впервые люминесцентные характеристики гуминовых кислот в комплексе диагностических признаков, применяемых при реконструкции палеоприродной среды использованы О.А. Некрасовой (Некрасова, 2002).
Исследования, посвященные люминесценции почв (Маммаев и др.,2007, Ефремов, 2011, Martinsa, 2011) и почвенных компонентов до настоящего времени не проводились. Гумус и гуминовые кислоты (ГК) играют решающую роль в образовании агрономически важной структуры почвы и во многом определяют ее физические и химические свойства. Почвы, функционирующие в названных условиях, подвержены прямому воздействию солнечного света, поэтому как компоненты почв ГК претерпевают фотохимические превращения. Фотохимическая активность ГК заметным образом зависит и от типа почв, из которых они
были выделены (Ильин, 1975, Орлов, 1990). Отсутствие адекватного аналитического обеспечения и методологических подходов к анализу гуминовых веществ (ГВ) привело к тому, что, определение их класса основано на способе экстракции из природных объектов, а общепринятая классификация - на процессе фракционирования. Актуальность изучения фотохимической активности ГК особенно выросла в последнее время в связи с проблемой деградации почв под действием различных аридизационных и загрязняющих факторов (Залибеков, 2011).
За последние 30-40 лет на севере Дагестана усилилась аридизация, деградация земель, особое значение приобрела проблема засоления почв. Потери гумуса в почвахдостигают 25 -30% от валового их содержания. Помимо непосредственного сверхнормативного использования почвенных ресурсов, серьезный урон почвам наносит нерациональное природопользование, связанное с промышленной, транспортной, строительной и другими видами хозяйственной деятельности.
Почва как неотъемлемая часть любого наземного биогеоценоза и биосферы в целом является основным каналом стока загрязняющих веществ из атмосферы и их последующего поступления в наземные экосистемы. Загрязнение почвы выбросами транспорта связано с их составом. На поверхности почвы осаждаются тяжелые металлы, оксиды серы, азота, сажа и другие токсичные соединения.
Объекты и методы исследования
Предложены биофизические методы измерения зависимости лазерной индукции флуоресценции различных типов почв от разности содержания гумуса; исследования зависимости квантового выхода фотосинтеза растений от содержания гумуса и азота в почвах с различной степенью засоления и от уровнязагрязнения почв солями тяжелых металлов.
Исследованы почвы низменных, предгорных и горных районов республики Дагестан на фотолюминесцентных установках с использованием методов лазерной (азотный, аргоновый) индукции флуоресценции (ЛИФ), которые основаны на регистрации люминесцентного излучения полициклических ароматических углеводородов, присутствующих в почвах. Образцы почв нами отбирались по общепринятой методике (Орлов, 1990). Каждая фракция гранулометрического состава почвы была проанализирована в трех - пяти повторностях.
Проведен анализ почвы на засоленность, содержание гумуса (%) и гидролизуемого азота (мг/100г) в почвах с трех опытных площадок, измерялись квантовый выход фотосинтеза и количество фотосинтетических пигментов растений Кермек Мейера (УтошитМеуеп), произраставших на трех опытных площадках с различной степенью засоленности.
Изучена зависимость пигментного состава и фотосинтетической активности древесных растений г. Махачкала от степени транспортной нагрузки и содержания в почве солей тяжелых металлов. Произведен абсорбционный анализ почв на содержание тяжелых металлов (РЬ, Zn, №, Со, Си).
Измерения параметров флуоресценции растений проводились на портативном хлорофилл-флуориметре МГ№-РАМ YeinzWalzGmbH, количественное определение пигментов на спектрофотометре СФ-26. Концентрацию определяли по формуле Н.К. Lichtenthaler 1987 г. Математическую обработку материалов провели с применением статистического пакета «Statistica 6».
Результаты и обсуждение
Проведены исследования фотолюминесцентных характеристик отдельных типов почв Дагестана с учетом изменений происходящих всодержании гумуса.
Спектры люминесценции некоторых почв при возбуждении азотным лазером (рис.1 ) представляют одновершинные (черноземовидные) и двухвершинные (солончак) кривые. Светло-каштановые почвы представлены также двухвершинной кривой с максимумами в
области 480 и 550 нм. при возбуждении азотным лазером; одновершинным максимумом 520 нм. при возбуждении аргоновым лазером (Маммаев, 2014).
Определенный практический интерес представляет использование в качестве источника фотовозбуждения люминесценции почв аргонового лазера. Лазерная индукция флуоресценции (аргоновый лазер, Х-480нм) песчаной фракции светло-каштановой почвы представляет широкую полосу с максимальной длиной волны 520-530 нм (Маммаев, 2014).
Рис.1. Спектры флуоресценции отдельных типов почв. Fig. 1.Fluorescence spectra of individual soil types.
Другие исследованные нами образцы почв дали аналогичные по характеру кривые спектров люминесценции. Различия в показателях спектров люминесценции зависели от типов почв, количества гумуса и глубины отбора. Выявлена достоверная зависимость интенсивности люминесценции от гумифицированности почвенных образцов (табл.1). Исследования показали, что люминесцентные методы изучения почв дают возможность количественной дифференциации органического углерода в почвах.
Таблица 1. Лазернаяи ндукция флуоресценции различныхтипов почв Дагестана. Table 1. The laser induction of fluorescence of various typessoils of Dagestan.
Глубина разреза Каштановые почвы Лугово-каштановые Светло-каштановые
карбонатные почвы карбонатные почвы
Гумус, % ЛИФ, отн,ед. Гумус, % ЛИФ, отн,ед. Гумус, % ЛИФ, отн,ед.
0-30 0.78 3.6 2.8 8.3 1.3 4.6
30-50 0.68 2.8 1.9 5.2 0.8 3.4
50-70 0.42 1.9 1.2 4.1 0.5 2.1
70-100 0.35 1.1 0.7 2.9
Чувствительность метода ЛИФ фотохимического зондирования можно сделать достаточно высокой. Это обстоятельство с точки зрения дифференциации органического углерода, обусловливает преимущество данного метода перед другими, чувствительность которых постоянна и которой при малых различиях в свойствах ГК может оказаться недостаточными для их выявления. Кроме этого, люминесцентные методы исследования почв значительно менее трудоемки.
Определены зависимость квантового выхода фотосинтеза и пигментного состава растений от содержания гумуса и азота в почвах с различной степенью засоления.
Наибольшее процентное содержание гумуса обнаружено в типичных и бугристых солончаках, наименьшее на лугово-болотной почве (рис. 2А).
Наибольшая плотность растительных сообществ наблюдалась на лугово-болотной почве. Азот усваивается растениями и поэтому его концентрация на лугово-болотной почве самая низкая. Концентрация азота в бугристом солончаке и типичном солончаке в два раза превышает показателей концентрации азота лугово-болотной почвы (рис.2^).
Учитывая, что гумус является аккумулятором азота, можно полагать и концентрации азота больше на почвах, где наибольшие показатели гумуса.
Рис. 2. А - содержание гумуса и концентрация азота в почвах опытных участков с различной степенью засоления, В - квантовый выход фотосинтеза растений Кермек Мейера (LimoniumMeyeri), С-плотный остаток в почвах (%), D - содержание пигментов в листьях растений Кермек Мейера (мг/л).
Fig. 2A - humus content and the concentration of nitrogen in soils the experimental plots with varying degrees salinization, В - quantum yield of photosynthesis of plants Kermek Meyer (LimoniumMeyeri), C -dense residue in soils (%), D - the content of pigments in the leaves of plants Kermek Meyer (mg / l).
Обнаружена прямая корреляция квантового выхода фотосинтеза с содержанием гумуса и концентрацией азота в почвах: чем выше содержание гумуса и азота в почве, тем выше показания интенсивности квантового выхода фотосинтеза растений (рис. 2А, В).
Содержание фотосинтетических пигментов обратно коррелирует с содержанием гумуса и азота в почвах (рис. 2А, D). Наименьшая концентрация гумуса и азота в почве (рис. 2А)
стимулирует растения на увеличение содержания фотосинтетических пигментов (рис. 2П), что позволяет растениям уменьшить нагрузку на фотосинтетический аппарат, т.е. снизить интенсивность фотосинтеза на единицу пигмента (рис. 2В). Прямой зависимости квантового выхода фотосинтеза и соотношениясодержания пигментов в растениях от засоленности почвы по плотному остатку не обнаруживается (рис. 2 А, В, С, П).
Растения являются концентраторами тяжелых металлов (ТМ), которые могут поступать в них как из почвы, через корневую систему при поглощении почвенного раствора, содержащего высокие концентрации ТМ, так и непосредственно из атмосферного воздуха. На поступление ТМ в растения оказывают влияние химический состав почв, кислотно основные и окислительно-восстановительные условия, физические свойства, уровень микробиологической активности. К особо опасным для деревьев в случае их накопления относят кобальт, хром, медь, свинец, цинк, кадмий, ртуть.
Изучены древесные растения следующих видов: Робиния псевдоакация (ЯоЫтаряеиёоасаЫа), Платан восточный (РШаптопеМаИя L.), Тополь черный (Рори1тт^а L.), Клен остролистный (ЛсетрШапогёея L.), Ясень обыкновенный ((Frdxmusexcelsior). Для экспериментов были выбраны деревья, произрастающие на участках с различной степенью транспортной нагрузки. На каждой пробной площади были выбраны визуально неповрежденные деревья, находящиеся в одинаковых условиях освещенности и увлажнения. Для каждой из древесных пород изучались особи примерно одного возраста, измерения проводились в утренние часы одного дня. Исследования проводились в период физиологической и вегетативной активности объектов.
Таблица 2. Содержание тяжелых металлов в почвах опытных участков (мг/кг). Table 2. The content of heavy metals in soils of experimental plots (mg / kg).
^^^еталл Pb Zn Co Cu Ni
Парк 9.035 28.05 0.18 0.715 0.61
Проспект 21.5 37.35 0.301 2.46 0.64
Абсорбционный анализ почв, отобранных с исследуемых территорий на содержание (в мг/кг) тяжелых металлов (РЬ, Zn, №, Со, Си) выявил следующие закономерности: в почвах, отобранных в зоне проспекта содержание свинеца, меди, кобальта и цинка выше относительно этих показателей у образцов с контрольной территории. Отмечается повышение содержания меди в 3 раза, свинца в 2.4 раза, кобальта на 41%, цинка на 24%. По содержанию никеля существенных отличий не выявлено(табл.2).
В экспериментах отмечается различная чувствительность деревьев к неблагоприятным воздействиям в зависимости от видовой принадлежности. Фотосинтетическая активность листьев деревьев, произрастающих в парковой зоне на 10-15% выше, чем у деревьев на проспекте. Обнаружена положительная корреляция между загрязненностью почвы солями тяжелых металлов и величиной фотосинтетической активности хлорофилла, которая характеризует эффективность фотохимического преобразования энергии в фотосистеме II. Установлено, что в промышленных районах, где содержание в почве солей тяжелых металлов превышало допустимые нормы в 3 - 10 раз, фотосинтетическая активность хлоропластов растений достоверно уменьшалась (на 10-15 %) (Правкина, 2006).
Результаты исследований свидетельствуют, что ингибирующее действие ионов тяжелых металлов на фотосинтетические функции растений обусловлено их взаимодействием с компонентами фотосистемы II. В основе влияния ионов кобальта на функционирование фотосинтетического аппарата лежат их электростатические взаимодействия с поверхностными полярными группами белков свето-собирающего комплекса фотосистемы II
и участком связывания первичного хинона QA белка D1 реакционного центра фотосистемы II.
В городских условиях резервы продуктивности насаждений, не реализуются из-за техногенного обострения экологической обстановки. У растений развивается особое состояние - фитостресс в результате того, что в среде складывается ситуация, отличная от природной фоновой, затрудняющая естественное существование растений (Быков, Неверова, 2002).
В природных условиях для листьев находящихся в хорошем физиологическом состоянии показатель фотосинтетической активности хлоропластов приближается к 0.8. Показатели интенсивности квантового выхода фотосинтеза (рис.3) Робинии псевдоакации, Платана восточного, Клена остролистного и Ясеня обыкновенного для образцов, произрастающих на участках с различной степенью загрязнения транспортной нагрузки, отличаются незначительно, с общей тенденцией к снижению интенсивности Y(II) у образцов с опытного участка, демонстрируя устойчивость к загрязняющим факторам среды. Находятся в относительно хорошем состоянии. В экологически благоприятной питомниковой зоне парка г.Махачкала показатель Y(П) находится в пределах 0.812 - 0.702. На неблагоприятном ПО загрязненности ТМ участке 0.782 - 0.546.
Рис.3. Показатели квантового выхода фотосинтеза листьев древесных растений г.Махачкала. Fig. 3. Indicators of the quantum yield of photosynthesis of leaves of wood plants Makhachkala.
Наиболее значимое уменьшение показателя фотосинтетической активности отмечено у тополя и березы произрастающих в условиях транспортной нагрузкигде снижение фотосинтетической активности составляют (0.500 и 0.546 соответственно). Помимо повышения загрязнителей проявляются факторы дефицита минерального питания, водного и температурного стресса. Фотосинтетический аппарат березы и тополя в климатических условиях региона, возможно, является более чувствительным к стрессовым факторам (Алиева и др., 2014). На фотосинтез существенное влияние оказывает световой режим. Свет высокой интенсивности подавляет фотосинтез и вызывает разрушение пигментных комплексов (Бухарина и др., 2007; Быков, Неверова, 2002).
При изучении количественного и качественного пигментного состава листьев исследуемых видов не отмечено существенного отличия в содержании хлорофилла а и b. Содержание каратиноидов у растений, произрастающих на территории с повышенной транспортной нагрузкой несколько выше, чем у контрольных видов.
Показатели интенсивности квантового выхода фотосинтеза у листьев деревьев произрастающих в благоприятных условиях свидетельствует об их хорошем физиологическом состоянии. Наибольшую устойчивость к неблагоприятным факторам
показали Робиния псевдоакация, Платан восточный, Клен остролистный, Ясень обыкновенный. Флуоресцентные их показатели на опытных участках мало отличались от контрольных образцов, где более чувствительным к стрессовым факторам оказалась береза.
Заключение
Люминесцентныеметодыизученияпочв могут быть использованы для количественной дифференциации органического углерода в почвах. Достаточно высокая чувствительность метода ЛИФ фотохимического зондирования может быть применена при исследовании почв с незначительным количеством гуминовых веществ.
Выявленная прямая корреляция интенсивности фотосинтеза и обратная корреляция содержания пигментов в растениях с содержанием гумуса и азота в почве позволяет предложить биофизические измерения квантового выхода фотосинтеза, как метода обнаружения признаков деградации почвы на начальных этапах возникновения дисбаланса.
Выявлено угнетение фотосинтетической активности древесных растений, произрастающих на территориях с повышенным содержанием тяжелых металлов в почве, определена зависимость степени подавления фотосинтеза от ихвидовых характеристик и уровня воздействия повреждающих факторов. Метод оценки флуоресцентных показателей растений рекомендуется использовать при сравнительной оценке состояния зеленых насаждений и оперативном экологическом мониторинге городской среды.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Алиева М.Ю., Маммаев А.Т., Магомедова М.Х.-М., Пиняскина Е.В. 2014. Изучение параметров флуоресценции хлорофилла древесных растений в условиях различной транспортной нагрузки // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. Издательство - Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Самарский научный центр Российской академии наук. Том 16. №1(3). С.701-704. Бухарина И.Л., Поварницина Т.М., Ведерников К.Е. 2007. Эколого-биологические особенности древесных растений в урбанизированной среде. Ижевск: ФГОУ ВПО Ижевская ГСХА. 216 с.
Быков А.А., Неверова О.А. 2002. Моделирование загрязнения атмосферы и экологическое
зонирование территории г. Кемерово // Инженерная экология. № 6. С. 25-32. Горобец С., Рогожин А.А. 2001. Спектры люминесценции минералов. М. //Минеральное сырье. С.312-315.
Ефремов И.В. 2011. Исследование экологического статуса систем "почва-растение" степной зоны при антропогенном воздействии. Диссертация доктора биологических наук. Оренбург. 354 с.
Залибеков З.Г. 2011. Аридные земли мира и их динамика в условиях современного
климатического потепления//Аридные экосистемы. Т.17. № 1. С.5-14. Зубкова Т.А., Карпачевский Л.О. 2001. Матричная организация почв. Изд. «Русаки», 294 с. Ильин Н. П. 1975. Роль фотохимических реакций в образовании гумуса: Автореф. дис. канд.
биол. наук. Изд-во МГУ. 42с. Кузнецова И.В. 1994. Роль органического вещества в образовании водопрочной структуры
дерново-подзолистых почв // Почвоведение. № 5. С. 34-41. Маммаев А.Т.2014. Люминесцентные исследования почв Дагестана// Почвы аридных территорий и проблемы охраны их биологического разнообразия. Сборник статей по материалам научно-практической конференции (27-29 мая 2014г.), посвященной 80-летию д.б.н., проф., з.д.н. РФ, Залибекова З.Г. Махачкала: АЛЕФ (ИП Овчинников М.А.). С.112-116.
Маммаев А.Т., Ибрагимов М.М., Вердиев М.С. 2007. Оптические свойства некоторых почв Дагестана // Биофизические методы изучения растений, микроорганизмов и почв. Махачкала. С. 135-141.
Некрасова О.А. 2002. Гуминовые кислоты почв южного Урала и оценка возможностей их использования при палеореконструкциях природной среды. Диссертация кандидата биологических наук. Томск.194 с. Орлов Д. С. 1990. Гумусовые кислоты почв и общая теория гумификации. // М.: Изд-во МГУ. 325 с.
Правкина С.Д. 2006. Мониторинг экологического состояния агроландшафтов в зоне влияния выбросов транспорта и мобильной сельскохозяйственной техники (на примере Рязанской обл.). Рязань. Автореф. дисс. кандидата биол. наук. 37 с. Саввинов Н.И. 1931. Структура почвы и ее прочность на целине, перелоге и старопахотных участках. М.: 46 с.
Martinsa T,.Saabb S.C, Miloric D.M.B.P, Brinattib A.M., Rosa J.A.,. Cassarob F.A.MandPiresb L.F. 2011. Soil organic matter humification under different tillage managements evaluated by Laser Induced Fluorescence (LIF) and C/N ratio. Soil and Tillage Research Volume 111. Issue 2. Pages 231-235.
FLUORESCENTRESEARCHSOIL-PLANTSYSTEM © 2016. A.T. Mammaev, M.Y. Alieva, M.H.-M. Magomedova, E.V. Pinyaskina
Pricaspian Institute of Biological Resources of Dagestan Scientific Center RAS Russia, 367000, Makhachkala, Gadjieva str., 45 E-mail: [email protected]
Proposed to biophysical methodical approach to assessing the state of soil on parameters luminescence of humin substancesand fluorescence of plants for developing of conceptual bases of application given methods in the express - monitoring the state of soil and modeling of ecological risk degradationprocesses.The use of optical techniques in the investigation of problems aridization will duly inform and expand opportunities predicting further developments in a timely manner to develop ways to of preventing signs of of soil degradation at an early stage.
Keywords: laser fluorescence induction, humic substances, fluorescence, photosynthesis, soil salinization, heavy metals, monitoring studies.
