CC BY
30
Литература
1. Кравцов П.В. Влияние слабого электрического тока на развитие и активность почвенных микроорганизмов. ; Автореф. дис. канд. биол. наук. -Ульяновск: Центральная генетическая лаборатория им. И.В. Мичурина, 1965.
2. Савич В.И., Ванькова A.A., Гущин В.П., Наумова Е.В. // Известия ТСХА - 1989. - Вып.2. - С.63-71.
3. Шустов В.А. Электрический обогрев и воздействие электрических токов на растения в защищенном грунте. : Автореф. дис. канд.техн. наук. - М.: ТСХА, 1961.
4. Федотов Г.Н., Неклюдов А.Д. Взаимодействие водных растворов с гумусом при их движении через слой почвы // Экологические системы и приборы. - 2001. - № 6. - С.62-66.
5. Федотов Г.Н., Неклюдов А.Д. Электрические поля в почвах и их влияние на рост растений // Экологические системы и приборы. - 2001. - № 10. - С.23-26.
6. Федотов Г.Н., Неклюдов А.Д., Олиференко Г.Л. Электроды для измерения электрических полей в почвах // Экологические системы и приборы. -2002.-№ 1. -С.16-18.
7. Федотов Г.Н., Неклюдов А.Д. Фильтрационные электрические поля и почвенная экология растений // Экологические системы и приборы. - 2002. -№4.-С.7-12.
ХИМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ПОЧВЕННЫХ СОСТАВЛЯЮЩИХ ПОД НЕКОТОРЫМИ ДРЕВЕСНЫМИ РАСТЕНИЯМИ
И.Е. АВТУХОВИЧ, Московская селъско-хозяйственная академия им. К.А. Тимирязева,
Ж.Р. ГОБРАН, профессор кафедры экологии и исследования окружающей среды Шведского сельскохозяйственного университета г. Уппсала
Данная работа посвящена изучению и сравнению основных химических характеристик почвы таких, как рНка N, Р и К под тремя различными древесными породами: сосной обыкновенной (Pinus sylvestris), лиственницей сибирской (Larix sibiricä) и березой повислой (Betula pendula), произрастающих на Лесной опытной даче МСХА на расстояниях 5 м и 50 м от источника загрязнения - автодороги. В качестве почвенных составляющих рассматриваются: почвеннокорневая поверхность (ПКП -), ризо - (Р-) и общая масса почвы (ОМП - ) - почва, находящаяся вне корневой системы. На основе проведенных исследований было установлено, что величина показателя рНка в указанных почвенных составляющих изменяется в следующем порядке: ПКП - < Р - < ОМП -для обоих расстояний от источника загрязнения и для всех исследуемых древесных пород. При этом величина рНка оказалась выше на расстоянии 5 м от дороги. Последовательность увеличения концентраций азота (NH4+) и калия (К+) в почвенных составляющих была следующей: ОМП - < Р - < ПКП - на всех удалениях от источника за-
грязнения и для всех исследованных древесных пород. Наличие самых высоких концентраций этих элементов имело место на расстоянии 5 м от источника загрязнения. Последовательность изменения концентраций доступного фосфора в компонентах почвы в нашем эксперименте была следующей: ПКП - < Р- < ОМП а общего, неорганического и органического: ОМП - < Р - < ПКП - на всех расстояниях от источника загрязнения и для всех древесных пород.
В последние годы для защиты окружающей среды и нейтрализации поллютан-тов широко используются биологические методы. Для детоксикации загрязненных почв большой интерес заслуживает зарубежный метод использования непищевых растений, так называемое «фитообезвреживание» [12,16]. При этом, ризосфера растений играет ключевую роль в контролировании загрязнения почвы токсическими концентрациями химических элементов [13].
Для изучения вопросов почвеннокорневого взаимодействия и выявления роли ризосферы в процессе изменения почвы должен быть использован комплексный
подход к изучению почвенных составляющих: ОМП Р ПКП Одним из основных элементов комплексного изучения почвы является общий химический анализ этих компонентов.
Начиная данный анализ, нами планируется изучить особенности почвенной реакции pHicci и содержания макроэлементов N Р К в почвенных составляющих: ОМП Р-, ПКП а также, сделаются попытки выявления закономерностей изменения этих показателей в зависимости от числа и распространением корней в почве, вида древесных пород и их удаления от источника загрязнения (5 м и 50 м).
Методика
Объекты наших исследований включают 3 вида светолюбивых древесных пород: лиственницу сибирскую (Larix sibirica), сосну обыкновенную (Pinus sylvesrtis), березу повислую (Betula pendula), произрастающих на Лесной опытной даче (ЛОД) Московской сельскохозяйственной академии им. К.А. Тимирязева на расстояниях 5 м и 50 м от источника загрязнения - автодороги.
Для изучения почвенных составляющих под этими древесными растениями нами были взяты пробы почвы по краю лесного массива (на расстоянии 5 м) и в его глубине (на расстоянии 50 м).
Выбор указанных древесных растений для исследования обусловлен прежде всего относительным единообразием условий их произрастания. Они произрастают вдоль одного и того же источника загрязнения - автодороги, а также одновозрастно-стью деревьев (70-80 лет), наличием собственной пробной площади для каждой древесной породы и относительной чистотой их посадок, т.е. относительным отсутствием в них примесей других древесных пород, затрудняющих выделение влияния конкретной изучаемой древесной породы на почву. Известна также значительная роль данных древесных пород в отношении биодетоксикации [4]. При этом, ряд исследователей отмечают, что береза является гипераккумулятором таких элементов как Pb, Mn, Fe, Zn и Cu [2].
Отбор и разделение почвенных образцов на отдельные почвенные составляющие (ОМП -, Р -, ПКП-) был произведен по зарубежной методике Г. Гобрана [12].
Химический анализ почвенных образцов был проведен по общеизвестным отечественным методикам, а также с использованием иностранных [9].
Результаты
На основе проведенных исследований нами была выявлена следующая последовательность повышения величины рНКС1 в почвенных составляющих: ПКП - < Р - < ОМП -для всех древесных растений: лиственница сибирская (Larix sibirica), сосна обыкновенная (Finns sylvestris) и береза повислая (Betula pendula) на разных расстояниях 5 м и 50 м от источника загрязнения (рис. 2), что может бьггь объяснено присутствием в таких почвенных составляющих как ПЖП - и Р - высокого содержания кислотных выделений: низкомолекулярных кислот, аминокислот, фенольных кислот и других, реализуемых в ризосферу корнями и микроорганизмами, а также значительным вкладом от выделения катиона водорода Н*", в результате поглощения питательных веществ корнями растений [10,12,13]. Увеличение числа корней в почве положительно коррелирует с повышением кислотности - «ризосферное влияние». Так, по данным К.С. Кочаряна, 2000 [1] (рис.1), повышенное число тонких корней отмечено у сосны, по сравнению с березой, что обеспечивает способность производить и выделять больше кислот этой древесной породой. Следствием этого является более низкая величина рНш под сосной - 3,7-5,1, чем под березой - 4,2-5,4 (рис.1). В работе [5] также отмечена связь между величиной pH и развитием корней. Им указывается, что в почвах с pH = 3,5, длина и развитие тонких корней является наилучшим, а в почвах с pH = 6,5 более слабым.
Более высокая кислотность почвы под сосной, по сравнению с лиственницей и березой, может быть также объяснена более кислой реакцией опада хвои сосны, обусловленной ее биологическими особенностями.
40-fT
35-
30-
25-
20-
15-
37.3
Мл
27,1 /-
е
■F
Бяреэа Соек«
Рис. 1. Среднее число тонких корней (<2мм) на 1 дм2 почвы 60-80 летней березы (Betula pendula) и сосны (Pinus sylvesrtis) на Московской лесной станции ТСХА по К.С. Корчагину [1]
Рис. 2. рНш в ОМП - Р - и ПКП -почвенных составляющих для сосны, березы и лиственницы на расстояниях 5 м и 50 м от источника загрязнения на ЛОД ТСХА
фйшащГ4
ПКП- ОМП-
Рис. 3. Легкогидролизуемый N мг/100 г воздушно-сухой почвы (по Тюрину и Кононовой) для ОМП - Р - и ПКП почвенных составляющих под сосной, березой и лиственницей на двух расстояниях от источника загрязнения (автодороги) - 5 м и 50 м на ЛОД ТСХА
На основании проведенных нами исследований выявлено, что более низкая кислотность отмечена в почве всех древесных пород на расстоянии 5 м от источника загрязнения по сравнению с расстоянием 50 м (рис. 2). Это связано с влиянием противогололедных солей (КС1), имеющих щелочную реакцию [3].
Доступный азот нами был определен по методике Тюрина и Кононовой в формах: NH/, NO4' и частично, в органической форме. Концентрация доступного азота повышалась с повышением содержания катионов водорода Н+ (рис. 3) в следующей последовательности: ОМП - < Р - < ПКП На основании этого результата, было сделано предположение, что в почвах объектов исследований азот преобладает в форме NH/. По мнению [8], в кислых почвах темпы нитрификации являются очень низкими и следовательно, азот поглощается в форме NH/. В этом случае поглощение катионов будет преобладать над поглощением анионов, что должно выражаться в последовательном выделении катионов водорода Н+ и в понижении pH в ризосфере, по сравнению с общей массой почвы. Отметим, что кислые почвы типичны для г. Москвы и Подмосковья. Обогащение почвы ризосферы азотом также связано с высоким влиянием органических кислот, таких как аминокислоты, реализуемых корнями [12]. Повышение концентраций азота в форме NH/ при понижении рНкс! подтверждено [12]. [17] также считает, что в некоторых почвах таких как кислые подзолы, норма нитрификации очень низка и азот поглощается в основном как NH/. Катион - поглощение, в этом случае, будет подавлять анион- поглощение и это приведет к подкислению ризосферы. Однако, [И] считает, что береза предпочитает азот в форме NO3', в то время как сосна предпочитает NH/. [15] предполагает, что у деревьев -лиственницы и сосны поглощение азота в аммонийной форме значительно выше, чем в нитратной форме и, кроме того, лиственница имеет более развитую транспортную систему, по сравнению с сосной, и в результате этого, имеет более высокие темпы поглоще-
ния азота. Такие результаты, по мнению автора, также связаны с более высокой активностью нитратредуктазы в корнях.
В результате детального изучения содержания азота в формах №14+ и N03' и распределения его по почвенным компонентам, нами была подтверждена гипотеза о том, что азот преобладает в данной почве в ЫН/ форме и содержание его увеличивается от ОМП-по направлению к ПКП - (ОМП - < Р < -ПКП ~). Эта закономерность сохраняется для всех изучаемых древесных пород. Так, для лиственницы содержание азота в МН/ форме увеличивается следующим образом: 1,4 < 3,6
< 5,8 мг/100г возд. сух. почвы. В отношении распределения азота в форме N03' по почвенным компонентам, в данном эксперименте четкой закономерности не обнаружено.
Нами отмечено, что накопление азота в почвах изучаемых объектов на расстоянии 5 м от источника загрязнения несколько выше, чем на расстоянии 50 м, что происходит за счет повышения содержания азота в N03* форме. Данное увеличение концентрации Юз’ совпадает с подщелачиванием почвы вблизи автодороги (рис. 2), и может быть вызвано транспортными эмиссиями оксидов азота.
По данным наших исследований, содержание доступного фосфора уменьшается с уменьшением величины рН[СС1 в следующей последовательности: ОМП - > Р - > ПКП - (рис. 4). Однако, это противоречит результатам представленным в работе [12]. Эти противоречия могут быть объяснены различными методиками и условиями проведения эксперимента. Отметим, что в почвах объектов наших исследований содержание фосфора довольно низкое, по сравнению с почвами древесных растений в других регионах г. Москвы, т.е. фосфор является лимитирующим фактором, следовательно, изучаемые нами древесные растения, очевидно, пытаются компенсировать этот недостаток путем поглощения фосфора из почвы, ведь, как известно, растения могут поглощать фосфор только из почвы. Наибольшее количество корней находится в ПКП - и Р - и за счет этого в данных почвенных составляющих процесс поглощения доступного фос-
фора идет значительно интенсивнее, чем в ОМП Последнее может послужить объяснением меньшего содержания доступного фосфора в ПКП - и Р - почвенных составляющих, по сравнению с ОМП - (рис. 4). Кроме того, противоречивость результатов исследований, может быть объяснена разницей использованных химических экстраген-
тов. В наших исследованиях была использована 0,2 НС1. Эта вытяжка является более слабой, по сравнению с вытяжкой, использованной другими исследователями и способна извлечь из почвы только доступные формы фосфора. Растворяющая способность данной вытяжки по силе равна корневым выделениям.
□Сосна
■брвэа
■Лиственница
DСосна ■ Брёза ■Лиственница
Рис. 4. Доступный фосфор Р205 в мг/100 г возд. сух. почвы (по Кирсанову) в почвенных составляющих: ОМП - Р -и ПКП - под сосной, березой и лиственницей, на расстоянии от источника загрязнения (автодороги) -5 м и 50 м на ЛОД ТСХА
Рис. 5. Доступный калий К20 в мг/100 г возд. сух. почвы (по Кирсанову) для почвенных составляющих: ОМП - Р -и ПКП - под сосной, березой и лиственницей, на расстоянии от источника загрязнения (автодороги) -5 м и 50 м на ЛОД ТСХА
Данная последовательность уменьшения концентраций доступного фосфора: ОМП - > Р - > ПКП - также объясняется изменениями в реакции почвы. Так, рН«а в почвах объектов наших исследований, увеличивается от ПКП - до ОМП - с 3,7 до 5,0 (рис.2), а согласно [20], в этом интервале рНкс! фосфор представлен как Н2РО4' и его
содержание повышается по направлению от 3,7 до 5,0, следовательно от ПКП - до ОМП
В связи с тем, что береза и лиственница сменяют листву каждый сезон, и обогащение фосфором идет более интенсивно, что, вероятно, служит причиной более низких концентраций доступного фосфора под
сосной, по сравнению с этими древесными породами.
В результате расширенного анализа распределения фосфора по различным фракциям: фосфор общий (Робщ), фосфор неорганический (Рнеорг), фосфор органический (Рорг) и почвенным компонентам (ОМП - , Р - , ПКП -), для всех изучаемых древесных пород, нами была выявлена закономерность повышения содержания фосфора, согласующаяся с данными [9]. Так, для березы содержание Робщ увеличивалось от ОМП -по направлению к ПКП 9,0 <37,1 < 38,4мг/'кг, Рнеорг 4,1 < 31,5 < 31,9 , Рорг 5,0
< 5,6 < 6,5мг/100г возд сух. почвы. Аналогичная последовательность в увеличении концентраций фосфора наблюдается для всех изучаемых нами древесных пород.
Наиболее высокое содержание фосфора Робщ, Рнеорг и Рорг в почвенных компонентах ПКП - и Р - обусловлено высоким содержанием органического материала [9].
В условиях более высокого загрязнения (расстояние от дороги 5 м), содержание фосфора оказалось выше, чем на расстоянии 50 м, что возможно явилось результатом антропогенных эмиссий.
Согласно данным наших исследований, (рис. 5) содержание доступного калия выше на расстоянии 5 м от источника загрязнения, что, вероятно, связано с влиянием красно-окрашенных противогололедных солей (КС1), рассыпаемых по дорогам Москвы [3] и, в частности, вдоль объектов наших исследований. Концентрация калия в почвенных компонентах, повышается от ОМП - по направлению к ПКП ОМП - < Р - < ПКП что связано с повышенными концентрациями катионов водорода Н+ в ПКП - и Р - (рис.2). Повышенная кислотность создает более коррозийные условия для почвенных минералов: мусковит, биотит, каолинит, флогопит (ил-лит) и ведет к последовательному высвобождению доступного калия [12]. Высокое содержание катионов калия К+ при наличии повышенных концентраций катионов водорода Н+ в ПКГ1 - и Р - почвенных составляющих согласуется с «Концептуальной моделью Ж. Гобрана» [12], и объясняется соревнованием
между катионами Н+ и К+, приводящим к вытеснению калия в почвенный раствор.
Нами была выявлена интересная закономерность в концентрировании калия в почве под березой на расстоянии 50 м от источника загрязнения (рис.5). Так, содержание калия под березой на этом расстоянии, самое низкое по сравнению с другими изучаемыми нами древесными породами (41-61мг/100г почвы), что, вероятно, может быть объяснено более высоким значением рНксп под этой древесной породой (рис.З). Это также может быть объяснено разницей корневых систем трех изучаемых древесных пород. По данным [18,11], Pinus sylvestris и Larix характеризуются более глубокой корневой системой, способной проникать в более глубокие слои почвы и извлекать оттуда необходимые питательные элементы. Таким образом, корни сосны и лиственницы действуют как насос, откачивая из более глубоких слоев основные катионы, такие как К+, в то время как береза характеризуется неглубокой корневой системой и, поэтому поиск питательных веществ осуществляется ею только в верхних слоях почвы [И]. Наименьшее содержание калия под березой также может быть связано с тем фактором, что береза меняет листву каждый сезон и имеет более высокую массу спада, следовательно, она более требовательна к питательным веществам (К, Р, Са и т.д.) и в больших количествах поглощает их из почвы. В работе [6] отмечается, что по этой причине, береза потребляет больше калия, чем ель.
Однако, на расстоянии 5 м от источника загрязнения, где концентрации калия выше, в следствие влияния противогололедных солей, чем на расстоянии 50 м, содержание калия в почве под березой выше при более высоких значениях рНца по сравнению с другими изучаемыми древесными породами (71,5-220). Этот факт, вероятно, может быть объяснен неравномерным распределением соли КС1 вдоль дороги и, следовательно, вдоль объектов исследований. По нашему предположению, на уровне пробной площади, где произрастает береза, ежегодно рассыпалось больше солей, чем на уровне других
изучаемых пробных площадей, результатом чего, явилось перенасыщение почвы калием. Корни березы не в состоянии поглотить слишком высокое количество калия и аккумулируют этот элемент в ПКП - и Р - почвенных составляющих, где кислотность (концентрация Н‘) выше, чем в ОМП
Выводы
1. Количество тонких корней коррелирует с повышением почвенной кислотности, обусловленной наличием Н+ (понижением рНксО- Последовательность повышения рНка в почвенных составляющих следующая: ПКП - < Р - < ОМП - для обоих расстояний от источника загрязнения и всех изучаемых видов древесных растений. рНка выше на расстоянии 5 м от дороги, чем на расстоянии 50 м.
2. Последовательность увеличения содержания азота, предположительно в форме ТЧН/, а также калия К+ следующая: ОМП - < Р - < ПКП - на всех удалениях от источника загрязнения и для всех видов древесных растений. Наивысшие концентрации этих элементов зарегистрированы на расстоянии 5 м от дороги.
3. В нашем эксперименте последовательность повышения содержания доступного фосфора в почвенных составляющих следующая: ПКП - < Р - < ОМП -, в то время как, для Робщ, Рнеорг и Рорг, наблюдается противоположная последовательность в накоплении: ОМП - < р - < ПКП - на всех дистанциях от источника загрязнения и для всех изучаемых древесных пород. Выявлено, что на расстоянии 5 м от источника загрязнения концентрации этого элемента наивысшие. В почвах объектов исследований отмечено довольно низкое содержание фосфора.
Литература
1. Кочарян К.С. Древесные растения в условия крупного мегаполиса. Докт. диссерт. - М.: МСХА, 2000. -300 с.
2. Тарабрт А.Д., Матвеева Ж.В. Ботаника. - М.: Агро-промиздат, 1989.-С. 12-40.
3. Экология большого города // Альманах. - М.: Прима-Пресс, 1998. - 151с.
4. Alribson, A. and Н.М. Eriksson. Variations in mineral nutrient and С distribution in the soil and vegetation compartments of five temperate tree species in ME Sweden. "Forest Ecology and Management", Uppsala, 1998 pp.262-273.
5. Arduini L, C. Ketter, D. L Godbold, Aonnis, A Stefani. The influence of pH on root morphology and mineral content of Pinus pinaster Ait Seedlings. Plant-Biosystems, 1998 132(l)pp.3-9.
6. Binkley D. Forest nutrition management. John Winley and Sons. New York, 1986 pp. 290.
7. Brandenberg P-О. Mixing birch in norway spruce stands. PhD. Thesis, Uppsala, 2001pp.30-54.
8. Clemensson-Lindell A. Norway spruce fine-root morphology and function influenced by nutrient application in forests. PhD. Thesis, Uppsala, 1994, pp. 12-14.
9. Clegg S., Gobran G. R. Rhizospheric P and К in forest soil manipulated with ammonium sulfate and water, Can. J. Soil Sei. 1997, pp. 525-533.
10. Courchesne, F., V. Seguin and a. Dufresne Solid phase fraction of metals in the rhizosphere of forest soils, in Trace elements in the rhizosphere, eds. G.R. Gobran, W.W. Wenze%l and E. Lonibi, CRC Press, 2000 320 pp.
11. Cui-Xioyang Behaviors of nitrogen nutrition of Pinus koraiensis and Betula platyphytta and their interspecific differentation, Yingyong-Shengtai-Xuebao, 9(2), 1998, pp. 123-127.
12. Gobran, G.R. andS. Clegg A Conceptual Model for nutrient availability in the Soil-Root System CanJ. Soil Sei. 1996,76:125-131.
13. Gobran, G.R,, W.W. WenzelandE. and E. Lombi Trace elements in the rhizosphere CRC Press, 2000,320 pp.
14. Greger, M Salix as phytoextractor. In Proceeding of SAIntemational Conference on Biogeochemistry of Trace Elements, Vien,. Ausstria, 1999, July 11-15, pp.872-873.
15. Malagoli M. ,A. Canal, S„ Quaggiotti, P. Pegoraro, A. Bottacin Differences in nitrate and ammonium uptake between Scots pine and European Larch. Agropolis, 2000., 221(1), pp. 1-3.
16. McGrath, S.P., F. Zhao and S.J. Dunham Consetraints to the growth and metal uptake by hyperaccumulator plants. In Proceeding of SAlntemational Conference on Biogeochemistry of Trace Elements, Wieim, Austria, 1999, July 11-15, pp. 10-11.
17. Nye P.H. Acid - base changes in the Rhizosphere. Advances in plant nutrition. 1986 V.2 (4), pp. 129-152.
18. Person, H. Root system of arboreal plants. Plant Roots. New York, Basel, Hong Kong, 2000,11, pp. 191-193.
19. Tributh, H., E. von Bogulawski, A. von Lieres, D. Steffens, and K. Mengel Effect of potassium removal by crops on transformation of illitic clay minerals. Soil Sei. 143,1987, pp. 404-409.
20. WilardL, Lindsay Chemical equilibria in soils. Wiley-inter science publication,1979, pp. 163-209.
