CC BY
5
ВЕСТНИК МОСКОВСКОГО УНИВЕРСИТЕТА. СЕРИЯ 17. ПОЧВОВЕДЕНИЕ. 2024. Т. 79. № 1 LOMONOSOV SOIL SCIENCE JOURNAL. 2024. Vol. 79. No. 1
УДК 631.4 |(сс)Т7аТТЯ
DOI: 10.55959/MSU0137-0944-17-2024-79-1-33-41
ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ РАЗЛИЧНЫХ ФОРМ АЗОТНЫХ УДОБРЕНИЙ ПРИ ВЫРАЩИВАНИИ РАСТЕНИЙ-РЕМЕДИАНТОВ НА НЕФТЕЗАГРЯЗНЕННОМ ЧЕРНОЗЕМЕ ТИПИЧНОМ
А. Д. Гальцова*, Р. Р. Кинжаев, А. В. Арзамазова, В. А. Романенков
МГУ имени М.В. Ломоносова, факультет почвоведения, 119991, Россия, Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 12 * E-mail: [email protected]
В работе исследована роль оптимизации условий питания и развития смеси злаковых трав в нефтезагряз-ненном черноземе типичном при высоком уровне загрязнения. Изучено влияние различных форм азотных минеральных удобрений при среднем уровне обеспеченности растений азотом на фоне нефтезагрязнения с использованием показателей, характеризующих агрохимические и ферментативные свойства почвы, а также продуктивность и качественный состав растений-ремедиантов. Загрязнение почв нефтью в дозах 5 г нефти-кг-1 и 7 г нефти-кг-1 оказало значительное негативное воздействие на продуктивность растений-реме-диантов, выраженное в снижении биомассы и содержания основных макроэлементов (NPK). Отмечено, что при оптимизации условий питания растений с помощью минеральных удобрений увеличивается надземная биомасса и улучшается качественный состав растений, произрастающих в условиях нефтезагрязнения. Показано, что максимально благоприятные условия для роста и развития растений формировались при внесении нитратной формы азотных удобрений по сравнению с аммонийной и аммонийно-нитратной в эквивалентных дозах. Отмечена высокая зависимость активности исследуемых ферментов (каталазы, уреазы и фосфатазы) от содержания нефти в почве. На фоне применения минеральных удобрений ферментативная активность чернозема типичного повышается пропорционально снижению содержания нефти в почве, что свидетельствует об усилении процессов деградации углеводородов нефти при внесении минеральных удобрений.
Ключевые слова: нефть, нефтепродукты, фиторемедиация, минеральные удобрения, ферментативная активность почв.
Введение
Загрязнение почв нефтью и нефтепродуктами является серьезной экологической проблемой, требующей комплексного подхода для ее решения. Зачастую попадание нефтезагрязнения в почву обусловлено аварийными разливами, происходящими в результате добычи, переработки и транспортировки ископаемого топлива и нефтепродуктов. Расширение масштабов использования углеводородов нефти привело к обострению существующей проблемы и, как следствие, к необходимости разработки современных научно-обоснованных путей для ее решения [Tang et al., 2011].
На текущий момент разрабатываются технологии очистки и восстановления нарушенных земель. Особое внимание уделяется разработке биологических методов рекультивации, безвредных для окружающей среды и особенно привлекательных из-за их невысокой стоимости и относительно простой реализации. Проведение данных мероприятий особенно актуально на территориях сельскохо-
зяйственного назначения, где важно восстановить утраченную ценность земли, подвергшейся техногенному воздействию.
Однако проводимые на данный момент исследования посвящены в большей степени процессам микробной деградации поллютанта в почве, а агрохимическому и биохимическому аспекту уделяется недостаточно внимания, в то время как создание оптимального агрохимического фона, благоприятного для жизнедеятельности растений-ремедиантов и углеводородокисляющих микроорганизмов, может стать ключевым аспектом и значительно усилить процессы деградации углеводородов нефти [Незпа-А&еШ, 2013; "Ми е! а1., 2020].
Целью работы являлось изучение возможностей оптимизации агрохимических свойств нефте-загрязненного чернозема типичного путем применения различных форм азотных удобрений для повышения эффективности растений-ремедиантов и микроорганизмов-нефтедеструкторов и восстановления плодородия и качества почв.
© Гальцова А.Д., Кинжаев Р.Р., Арзамазова А.В., Романенков В.А., 2024
Материалы и методы
Объекты исследования. Исследования проводились в вегетационных опытах на базе вегетационного домика факультета почвоведения МГУ имени М.В. Ломоносова в 2020-2022 гг. Предварительно была разработана схема опыта, реализованная в трехкратной повторности (табл. 1).
Таблица 1
Схема опыта
Доза загрязнения Форма удобрения Условное обозначение варианта опыта
Почва — чернозем типичный
Контроль незагрязненный (КН) Контроль без удобрений КН
ЫаммРК КН + ЫаммРК
ЫнитрРК КН + ЫнитрРК
ЫаммЫнитрРК КН + ЫаммЫнитрРК
5 г нефти-кг-1 почвы Контроль без удобрений КН + 5 г нефти
ЫаммРК 5 г нефти + ЫаммРК
ЫнитрРК 5 г нефти + ЫнитрРК
ЫаммЫнитрРК 5 г нефти + ЫаммЫнитрРК
7 г нефти-кг-1 почвы Контроль без удобрений КН + 7 г нефти
ЫаммРК 7 г нефти + ЫаммРК
ЫнитрРК 7 г нефти + ЫнитрРК
ЫаммЫнитрРК 7 г нефти + ЫаммЫнитрРК
Объектом исследования стал пахотный горизонт чернозема типичного. Образцы незагрязненной почвы были отобраны в Воронежской области с территории государственного природного заказника «Каменная степь» в соответствии с ГОСТ 17.4.3.01-2017. Для создания загрязненных вариантов к части отобранного образца предварительно было добавлено расчетное количество нефти капельным методом. Предварительно измельченная и просеянная почва распределялась на ровной поверхности тонким слоем, непосредственно на нее по каплям добавлялась товарная нефть, после чего почвенный образец был многократно тщательно перемешан, для того чтобы гарантировать равномерное распределение загрязнителя. Нефтезагрязненный образец был подготовлен предварительно, за три месяца до начала вегетационного опыта, для того чтобы наиболее легкие и токсичные для растений и микроорганизмов компоненты нефти успели улетучиться. По истечении этого периода времени в образце было определено содержание нефтепродуктов для последующего расчета и создания загрязненных вариантов в соответствии со схемой опыта. Для создания загрязненных вариантов опыта к конт-
рольной незагрязненной почве (КН) добавлялось заранее рассчитанное количество почвы, загрязненной нефтью в лабораторных условиях. Затем проводилась тщательная гомогенизация смеси для равномерного распределения поллютанта во всем объеме почвенного образца. Таким образом создавались две дозы загрязнения почв нефтью, условно обозначенные как 5 г нефти • кг-1 почвы и 7 г нефти • кг-1 почвы (соответствуют фактическому содержанию нефтепродуктов в почвах до закладки вегетационного опыта 4 890 мг • кг-1 почвы и 7 200 мг • кг-1 почвы, соответственно). Исследуемые дозы относятся к высокому уровню загрязнения почв нефтью согласно «Методическим рекомендациям по выявлению деградированных и загрязненных земель» и представляют собой типичные уровни содержания нефтепродуктов в почве, при которых проводятся фитомелиоративные мероприятия.
Оптимизация агрохимических свойств почвы была произведена при помощи комплексных минеральных удобрений, содержащих основные элементы минерального питания (№К). Для расчета доз удобрений, вносимых в почву, использовались группировки почв по обеспеченности растений элементами минерального питания. В данном исследовании формировался средний уровень обеспеченности ^ 30 мг • кг-1, Р 75 мг • кг-1, К 60 мг • кг-1). Используя различные формы азотных удобрений, создавались разные условия питания растений (табл. 2). Для создания запланированного уровня обеспеченности дополнительно вносились также фосфорные и калийные удобрения.
Таблица 2
Применяемые удобрения
Условное обозначение варианта опыта Удобрение
Азотное Фосфорное Калийное
ШммРК Аммоний( лый двузам Суперфоа осфорнокис-1ещенный + ат простой Хлорид калия
ШитрРК Нитрат калия Суперфосфат простой Нитрат калия + Хлорид калия
№мм№итрРК Нитрат аммония Суперфосфат простой Хлорид калия
Минеральные удобрения вносились непосредственно в почву, затем тщательно перемешивались для формирования оптимальных условий произрастания трав-ремедиантов.
В качестве тест-объекта была использована ре-культивационная смесь семян злаковых трав следующего состава:
- Тимофеевка луговая (Phleum pratense L.) — 40%;
- Кострец безостый (Bromopsis inermis (Leyss.) Holub) — 30%;
- Овсяница луговая (Festucapratensis Huds.) — 30%.
Используемая травосмесь широко применяется при проведении фитомелиорации в рамках биологического этапа при восстановлении нефте-загрязненных почв в различных почвенно-клима-тических зонах. Высев смеси трав производился с повышенной нормой (80 кг • га-1) из-за высокой степени загрязнения почв нефтью и, следовательно, сложившихся неблагоприятных условий для роста и развития растений.
После окончания вегетационного периода, длившегося 56 дней, была проведена срезка полученной биомассы растений и отобраны образцы почвы, которые впоследствии были подготовлены для дальнейших аналитических исследований.
Методы исследований. Определение агрохимических свойств почвы производилось с использованием общепринятых методик: рНкс1 (ГОСТ 26483), подвижные формы фосфора и обменного калия по методу Чирикова в модификации ЦИНАО (ГОСТ 26204), содержание аммонийного азота по Гранвальд-Ляжу [Минеев, 2001], содержание нитратного азота колориметрически [Минеев, 2001]. Ферментативная активность почв измерялась при помощи следующих методик: активность ката-лазы — титриметрически по методу Джонсона и Темпле [Хазиев, 2005], активность уреазы — инкубацией навески почвы с раствором мочевины [Хазиев, 2005], общая фосфатазная активность — с использованием глицерофосфата натрия [Минеев, 2001]. Анализ содержания макроэлементов в биомассе растений производился по общепринятым методикам после мокрого озоления по Гинзбург. Содержание нефтепродуктов определялось методом ИК-спектрометрии (ПНД Ф 16.1:2.2.22-98).
Статистическая обработка данных производилась с помощью стандартных пакетов Microsoft Excel 2013 и Statistica 10. Результаты сравнивались с использованием наименьшей существенной разницы (НСР (LSD)) с уровнем значимости 0,05. Корреляционный анализ данных проводили с использованием коэффициентов корреляции Пирсона (r), достоверность различий между значениями оценивали по t-критерию Стьюдента (p<0,01). На всех графиках данные представлены в виде средних арифметических и стандартных отклонений.
Результаты
Агрохимические свойства почв. До закладки вегетационного опыта в отобранных незагрязненных образцах почв, взятых в качестве контроля, были определены основные агрохимические показатели. Чернозем типичный, не загрязненный нефтью, по степени кислотности имел нейтральную реакцию среды (рНкс1 6,43±0,14), относился к низкому уровню обеспеченности растений по содержанию подвижного фосфора и обменного калия — 26,8 мг P2O5 • кг-1 почвы и 11,2 мг K2O • кг-1 почвы, а также обладал высоким содержанием гумуса (8,1%), согласно градации, представленной Л.А. Гришиной и Д.С. Орловым.
После окончания вегетационного опыта в почвах всех вариантов опыта было определено содержание аммонийного и нитратного азота (рис. 1).
Нефтезагрязнение привело к последовательному снижению на 70-100% содержания исследуемых форм азота в почве. Негативное воздействие нефти было более выраженным по отношению к содержанию нитратного азота в почве. Это привело
60
50
40
30
Ц 20
Ф О
о 10
lili Vi I I ^Tv lili lililí» gilt
^ оЬ ob
Контроль незагрязненный
о^ оЬ оЬ
Доза загрязнения: 5 г нефти • кг-1
■ Содержание N-NH4, мг-кг"1
■ Содержание N-NO3, мг-кг1
▲ Содержание N-NH4 + N-NO3, мг-кг-1
■нгг
HI
^ О^ оЬ оЬ
Доза загрязнения: 7 г нефти • кг-1
Рис. 1. Содержание минерального, нитратного и аммонийного азота в черноземе типичном
0
200 180 1 160 I 140 ^ 120 ® 100 I 80
I. 60
(Ц
§ 40 О
20 0
400
350
-1 г 160
к 300
о
250
е
и н 200
а
р 150
е
ч. о 100
о
50
0
Г
ИнитрРК
ЫаммЫнитрРК
ИнитрРК
ЫаммЫнитрРК
Незагрязненный контроль 5 г нефти • кг1 7 г нефти • кг-1
Незагрязненный контроль 5 г нефти • кг1 7 г нефти • кг-1
Рис. 2. Содержание подвижного фосфора и обменного калия в черноземе типичном
к изменению соотношения в почве с 1:1,1
в незагрязненной почве до 1:0,7 в загрязненной.
Внесение удобрений привело к закономерному повышению содержания минерального азота в черноземе типичном. Отмечено также, что удобрения оказывали более интенсивное действие на вариантах с большей дозой загрязнения почв нефтью (7 ркг-1).
В исследовании содержания подвижного фосфора на черноземе типичном также отмечено значимое негативное воздействие нефти, проявляющееся в снижении количества данного элемента в почве на всех вариантах опыта (рис. 2) на 30-45%.
Применение фосфорсодержащих удобрений привело к уменьшению различий между незагрязненной и загрязненной почвой, тем самым компенсировав негативное действие нефти.
Изменение содержания обменного калия в черноземе типичном под воздействием нефтезагряз-нения характеризуется динамикой, аналогичной для подвижного фосфора (рис. 2). Незагрязненная почва, на которой не применялись удобрения, показывает большее содержание обменного калия на 22 и 36% по сравнению с почвой, загрязненной нефтью в дозе 5 г-кг-1 и 7 г-кг-1, соответственно. Применение минеральных удобрений привело к увеличению содержания этого макроэлемента в почве на 15-20%, что в значительной степени улучшает условия питания растений.
При этом стоит отметить, что на всех вариантах опыта исследуемые дозы загрязнения оказали одинаковый по интенсивности негативный эффект по отношению к содержанию подвижного фосфора и обменного калия в почве.
Продуктивность и качественный состав биомассы растений. Продуктивность трав-реме-диантов снизилась на фоне нефтезагрязнения на 83-146% по сравнению с аналогичными незагрязненными контрольными вариантами (рис. 3). На вариантах с внесением минеральных удобрений надземная биомасса тест-культур увеличилась на
20-72% по отношению к неудобренным вариантам опыта. Стимуляция развития растений была наиболее заметна в варианте №итрРК. На всех вариантах с внесением удобрений в незагрязненной почве и при загрязнении нефтью в дозе 5 г-кг-1 наблюдался значимый рост урожайности, при загрязнении в дозе 7 г-кг-1 рост проявлялся на уровне тенденции.
Анализ качественного состава полученной биомассы злаковых трав показал наличие сильного негативного воздействия нефтезагрязнения на основные макроэлементы в растении (№К) (рис. 4).
Содержание азота в растениях, произрастающих на загрязненных почвах, было ниже на 12-54%, фосфора — на 22-40%, калия — на 10-35% по сравнению с незагрязненным контролем. Применение удобрений привело к улучшению условий питания растений, которое выражалось в увеличении содержания указанных выше макроэлементов в биомассе трав. Содержание азота стало выше на 24-48%, фосфора — на 20-65%, калия — на 26-61%. Содержание элементов возрастало в ряду калий > азот > фосфор. Наибольший эффект наблюдался также в варианте №итрРК, при этом значимость влияния была заметна при двух уровнях загрязнения.
14
5 12
10
—
-г —
-р
I 1
1 1 1 I J й
ЫнитрРК ЫаммЫнитрРК
Незагрязненный контроль 5 г нефти • кг1 | 7 г нефти • кг1
Рис. 3. Биомасса растений
К
К
8
6
4
2
0
К
ши
ЫаммРК ЫнитрРК
Незагрязненный контроль 5 г нефти • кг-1 7 г нефти • кг1
МаммЫнитрРК
® & ¡§ 0,3
^ СО
б ю 0,21
т
■ I
ЫаммРК
Незагрязненный контроль 5 г нефти • кг1 7 г нефти • кг1
И
ЫнитрРК
ЫаммЫнитрРК
К ЫаммРК ЫнитрРК ЫаммЫнитрРК
Незагрязненный контроль 5 г нефти • кг1 | 7 г нефти • кг-1
Рис. 4. Содержание азота, фосфора и калия в биомассе растений
Активность ферментов. Для оценки состояния нефтезагрязненных почв была проанализирована активность следующих ферментов — каталазы, уреазы, фосфатазы (табл. 3).
Ингибирование каталазной активности на 14-63% под воздействием нефтезагрязнения отмечено на всех вариантах опыта. При этом чем больше была доза загрязнения почвы, тем сильнее проявлялось негативное воздействие нефти. Обратная зависимость активности каталазы от дозы нефтезагрязнения также обнаруживается в корреляционном анализе (г = -0,67, р<0,01).
Нефтезагрязнение также привело к подавлению активности уреазы на 18-62% по сравнению
с незагрязненным контролем. При оптимизации агрохимических свойств почвы сохранилось негативное воздействие нефти, однако его интенсивность снизилась, а активность фермента возрастала на 29-113%. Правильно подобранная форма удобрений позволяла достигать активности ферментов в нефтезагрязненной почве, сопоставимой с контрольным незагрязненным вариантом. Активность уреазы снижалась в ряду №итрРК > ^ммРК > №итр^ммРК, активность каталазы возрастала больше при внесении №итрРК при примерно равном влиянии форм ^ммРК и №итр№ммРК.
Аналогичная динамика наблюдалась и для активности фосфатазы в почве. Присутствие загрязнителя в почве приводило к подавлению активности данного фермента на 31-66% в вариантах, на которых не применялись агрохимические средства. Наблюдалась существенная разница между дозами загрязнения по отношению к активности фосфатазы: интенсивность воздействия большей дозы загрязнения оказалась сильнее по сравнению с меньшей дозой в среднем на 35%. На фоне применения удобрений активность фосфатазы восстанавливалась на 7-48% в зависимости от применяемой формы азотных удобрений, оставаясь при загрязнении 7 г нефти-кг-1 почвы ниже, чем в варианте КН.
Остаточное содержание нефтепродуктов. За время проведения вегетационного опыта содержание нефтепродуктов в почве обнаружило тен-
Таблица 3
Активность ферментов в черноземе типичном
Вариант Активность каталазы, см3 0,Ш KMnO4/1 г почвы Активность уреазы, мг N-N^/10 г почвы Активность фосфатазы, мг P205/100 г почвы
КН 1,14±0,07 29,1±1,76 9,3±0,67
КН + ЫаммРК 1,35±0,06 42,9±4,92 12,4±0,45
КН + ЫнитрРК 1,75±0,06 62,1±1,63 10,9±0,52
КН + МаммЫнитрРК 1,23±0,04 37,5±4,77 11,4±0,51
КН + 5 г нефти 1,00±0,03 24,7±1,21 7,1±0,60
5 г нефти + ЫаммРК 1,05±0,07 36,5±1,85 10,5±0,56
5 г нефти + ЫнитрРК 1,14±0,08 48,4±1,80 8,3±0,51
5 г нефти + МаммЫнитрРК 1,05±0,03 27,7±1,37 8,2±0,58
КН + 7 г нефти 0,70±0,07 17,9±1,75 5,6±0,39
7 г нефти + ЫаммРК 1,05±0,05 25,1±2,73 7,7±0,58
7 г нефти + ЫнитрРК 1,23±0,06 46,7±1,39 6,0±0,50
7 г нефти + МаммЫнитрРК 1,05±0,04 15,4±2,41 6,0±0,51
0
К
0
К
И 5 г нефти • кг-1 И 7 г нефти • кг-1
Рис. 5. Остаточное содержание нефтепродуктов в черноземе типичном
денцию к снижению на 8-22% на фоне применения удобрений (рис. 5). Более интенсивная деструкция нефти в почве наблюдалась на вариантах с изначально более низкой дозой загрязнителя (5 г нефти-кг-1). Содержание нефти в этих вариантах снизилось на 9-22%, в то время как на варианте с дозой загрязнения 7 г нефти-кг-1 — на 8-17%.
Обсуждение
Агрохимические свойства почв. Результаты агрохимического анализа чернозема типичного свидетельствуют о значительном ухудшении комплекса свойств чернозема типичного под воздействием не-фтезагрязнения.
Негативное воздействие нефти проявляется в снижении содержания минерального азота в почве. Основываясь на литературных данных, можно предположить, что подобное изменение связано с резким увеличением диапазона соотношения С^ при попадании углеводородов нефти в почву и, как следствие, трансформацией условий развития микроорганизмов [Смирнова, Панина, 2015; Назарюк, Калимуллина, 2020].
Помимо общего снижения количества минерального азота, в почве происходят изменения в соотношении аммонийного и нитратного азота. Отмечается более интенсивное воздействие не-фтезагрязнения на содержание нитратного азота по сравнению с аммонийной формой азота. Это, вероятнее всего, связано с заметным ухудшением условий аэрации в нефтезагрязненных почвах и, как следствие, снижением интенсивности процессов нитрификации с накоплением аммонийной формы азота [Смирнова, Панина, 2015].
Внесение удобрений приводит к повышению содержания исследуемых форм минерального азота. При этом наибольшее его содержание в почве по окончании вегетационного опыта наблюдается на варианте с внесением нитратной формы азотных удобрений.
Содержание аммонийной и нитратной форм азота возрастало даже в тех случаях, когда приме-
нялись удобрения, не содержащие соответствующей формы азота. Наличие данного эффекта отмечено вне зависимости от присутствия загрязнения, однако при нефтезагрязнении оно было не столь выражено. Это, вероятно, свидетельствует о протекании, несмотря на присутствие в почве загрязнителя, естественных процессов трансформации соединений азота, которые в нефтезагрязненных почвах зачастую в определенной степени ингиби-руются [Назарюк, Калимуллина, 2020].
В литературе отмечается взаимосвязь между количеством аммонификаторов в почве и активностью уреазы [Смирнова, Панина, 2015]. Между тем в нашем исследовании корреляционная связь между содержанием аммонийного азота и активностью уреазы отсутствовала (г = 0,19, р <0,05). В связи с этим можно предположить, что активность аммони-фикаторов в данном исследовании не влияла на содержание аммонийного азота в почве, а увеличение его количества могло быть обусловлено действием применяемых удобрений.
Содержание подвижного фосфора и обменного калия в черноземе типичном также снижалось вследствие загрязнения почвы нефтью при снижении уровня обеспеченности растений подвижным фосфором на одну градацию — с повышенного до среднего. Применение удобрений позволило в некоторой степени снизить силу воздействия нефте-загрязнения и увеличить уровень обеспеченности вновь до повышенного при сохранении различий между загрязненными и незагрязненными вариантами.
Содержание обменного калия в черноземе типичном не столь сильно снижалось при нефтеза-грязнении. Почвы всех вариантов опыта относились к очень высокому уровню по содержанию обменного калия. Загрязнение нефтью и внесение удобрений не привели к изменению уровня обеспеченности, тем не менее различия между загрязненными и незагрязненными вариантами составляли 13-23% на фоне применения минеральных удобрений.
Продуктивность и качественный состав биомассы растений. Снижение продуктивности растений в условиях нефтезагрязнения — наиболее часто диагностируемый результат действия нефти и продуктов ее переработки [Ковалева и др., 2022; Х1е, 2018]. В нашем опыте снижение надземной биомассы зависело от остаточного содержания нефтепродуктов в почве, что выражалось в высоком коэффициенте корреляции (г = -0,91, р<0,05). Данный результат свидетельствует о непосредственном сильном влиянии дозы загрязнения на биомассу растений, произрастающих в условиях стресса.
Оптимизация агрохимических свойств чернозема типичного при помощи минеральных удобрений привела к улучшению условий питания растений, что выразилось в увеличении надземной биомассы растений-ремедиантов. Также установ-
лена достоверная корреляционная связь между продуктивностью растений и содержанием в почве минерального азота (r = 0,74, р<0,01) и калия (r = 0,67, р<0,01). При этом значительно более тесная связь продуктивности растений наблюдалась с содержанием нитратного азота в почве (r = 0,74, р<0,01) по сравнению с аммонийным (r = 0,37, р<0,01).
Оценка продуктивности растений, произрастающих в условиях нефтяного стресса, проводится довольно часто и считается достаточно наглядным и чувствительным критерием, позволяющим совместно с другими показателями оценить экологическое состояние экосистемы, подвергшейся загрязнению [Ковалева и др., 2022; Banks, Schultz, 2005]. Влияние загрязнения на качество полученной биомассы исследуется значительно реже. По результатам нашего исследования показано достоверное негативное влияние нефтезагрязнения на качественное состояние растений. Об этом свидетельствует снижение содержания NPK в надземной биомассе трав-ремедиантов. Отмечено благоприятное влияние минеральных удобрений, на фоне применения которых содержание исследуемых макроэлементов в растениях возрастало в среднем в 1,4 раза по сравнению с растениями, произрастающими на вариантах без применения удобрений.
Отдельно следует отметить, что увеличение биомассы тест-культур на вариантах с применением удобрений происходило одновременно с улучшением ее качественного состава, что подтверждается высокой положительной корреляцией между продуктивностью растений и содержанием в них азота (r = 0,81, р<0,01), фосфора (r = 0,79, р<0,01) и калия (r = 0,74, р<0,01). Данный результат свидетельствует о важности создания благоприятного агрохимического фона, максимально сбалансированного с точки зрения количества и формы элементов минерального питания, особенно в условиях стресса.
По совокупной оценке влияния на продуктивность растений и качество биомассы максимально эффективным можно считать внесение нитратной формы азотных удобрений в варианте №итрРК.
Активность ферментов. Ферментативная активность, как правило, находится в обратной линейной зависимости от содержания нефти и нефтепродуктов в почве [Сулейманов, Назырова, 2007]. Аналогичные закономерности наблюдались и в нашем исследовании. Показано, что остаточное содержание нефтепродуктов изменяло активность каталазы (r = -0,67, р<0,01) и фосфатазы (r = -0,85, р<0,01).
На фоне применения минеральных удобрений отмечено повышение ферментативной активности чернозема типичного. Активность каталазы и фос-фатазы возрастала в среднем в 1,3 раза по сравнению с неудобренными вариантами, а активность уреазы — в 1,1-2 раза. Это может свидетельствовать о стимуляции восстановления нарушенных
биохимических процессов в почве и активизации деструкции углеводородов [Сулейманов и др., 2007].
При оптимизации агрохимических свойств почвы показано усиление процессов деградации углеводородов нефти в черноземе типичном. В среднем остаточное содержание нефти в почве было на 3-13% ниже на фоне применения минеральных удобрений по сравнению с теми вариантами, где они не вносились. Максимальная эффективность деструкции нефти наблюдалась при внесении нитратной формы азотных удобрений. Остальные формы азотных удобрений не показали столь высокой эффективности по отношению к остаточному содержанию нефтепродуктов в почве.
Заключение
В результате исследования выявлено, что при оптимизации условий питания растений и микроорганизмов с помощью минеральных удобрений усиливается протекание процессов деградации углеводородов нефти в черноземе типичном, что выражается в более высоком относительном снижении содержания нефти к концу вегетационного периода. Наибольшую эффективность при этом показала нитратная форма применяемых азотных удобрений.
На фоне применения комплекса минеральных удобрений выявлено увеличение надземной биомассы растений-ремедиантов на нефтезагрязнен-ных почвах. При этом увеличение продуктивности злаковых трав в условиях загрязнения произошло без потери их качества — содержание макроэлементов (№К) в растениях возрастало пропорционально увеличению биомассы. Максимальная результативность также была получена при внесении азотных удобрений в нитратной форме.
Таким образом, оптимизация условий питания растений в черноземе типичном позволяет значительно скомпенсировать негативное действие не-фтезагрязнения, интенсифицируя процессы восстановления почвы на фоне применения минеральных удобрений.
Информация о финансировании работы
Работа выполнена в рамках государственного задания Министерства науки и высшего образования Российской Федерации № 121041300098-7.
КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ковалева Е.И., Трофимов С.Я., Шоба С.А. Реакция высших растений на уровень нефтезагрязнения почв в вегетационном опыте // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 17. Почвоведение. 2022. № 3.
2. Минеев В.Г. Практикум по агрохимии. М., 2001.
3. Назарюк В.М., Калимуллина Ф.Р. Роль удобрений в азотном питании растений при загрязнении почвы нефтью // Агрохимия. 2020. № 4.
4. Смирнова Т.С., Панина Ю.Ю. Мониторинг углеводородного загрязнения почвы посредством анализа ее ферментативной активности // Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе. 2015. № 12.
5. Сулейманов Р.Р., Назырова Ф.И. Изменение бу-ферности почв при загрязнении нефтепромысловыми водами и сырой нефтью // Вестн. Оренбургского ун-та. 2007. № 4 (68).
6. Сулейманов Р.Р., Назырова Ф.И., Габбасова И.М. Изменение физико-химических свойств чернозема типичного в условиях загрязнения нефтепромысловыми сточными водами и рекультивации // Вестн. Оренбургского ун-та. 2008. № 9 (91).
7. Хазиев Ф.Х. Методы почвенной энзимологии. М., 2005.
8. Banks M.K., Schultz K.E. Comparison of Plants for Germination Toxicity Tests in Petroleum-Contaminated
Soils // Water Air Soil Pollut. 2005. Vol. 167, № 1-4. https:// doi.org/10.1007/s11270-005-8553-4
9. Hesnawi R.M., Adbeib M.M. Effect of Nutrient Source on Indigenous Biodegradation of Diesel Fuel Contaminated Soil // APCBEE Procedia. 2013. Vol. 5. https://doi. org/10.1016/j.apcbee.2013.05.093
10. Tang J., Wang M., Wang F. et al. Eco-toxicity of petroleum hydrocarbon contaminated soil // Journal of Environmental Sciences. 2011. Vol. 23, № 5. https://doi.org/10.1016/ S100-0742(10)60517-7
11. Wu M., Ma C., Wang D. et al. Nutrient drip irrigation for refractory hydrocarbon removal and microbial community shift in a historically petroleum-contaminated soil // Science of the Total Environment. 2020. Vol. 713. https://doi. org/10.1016/j.scitotenv.2019.136331
12. Xie W., Li R., Li X. et al. Different responses to soil petroleum contamination in monocultured and mixed plant systems // Ecotoxicology and Environmental Safety. 2018. Vol. 161. https://doi.org/10.1016/j.ecoenv.2018.06.053
Поступила в редакцию 27.09.2023 После доработки 07.11.2023 Принята к публикации 01.12.2023
ВЕСТНИК МОСКОВСКОГО УНИВЕРСИТЕТА. СЕРИЯ 17. ПОЧВОВЕДЕНИЕ. 2024. Т. 79. № 1 LOMONOSOV SOIL SCIENCE JOURNAL. 2024. Vol. 79. No. 1
ASSESSMENT OF EFFECTIVENESS OF DIFFERENT NITROGEN FERTILIZERS FORMS IN PHYTOREMEDIATION ON OIL-CONTAMINATED TYPICAL CHERNOZEM
A. D. Galtsova, R. R. Kinzhaev, A. V. Arzamazova, V. A. Romanenkov
The study investigated the role of optimized nutrition and the development of a mixture of cereal grasses in oil-contaminated typical chernozem soil with a high level of pollution. The influence of different forms of nitrogen fertilizers at a moderate level of plant nitrogen supply in the presence of oil pollution was investigated using indicators that characterize the agrochemical and enzymatic properties of the soil, as well as the productivity and qualitative composition of remedial plants. Soil contamination with oil at doses of 5 g oil per g of soil and 7 g oil per g of soil had a significant negative effect on the productivity of remedial plants, manifested in a reduction in biomass and the content of major elements (NPK). It was noted that optimized nutrition with mineral fertilizers increases biomass and improves the qualitative composition of plants growing under oil pollution conditions. It was shown that the most favorable conditions for the growth and development of plants were formed when nitrate forms of nitrogen fertilizers were applied compared to ammonium and ammonium-nitrate forms in equivalent doses. A high dependence of the activity of the studied enzymes (catalase, urease, and phosphatase) on the oil content in the soil was noted. When mineral fertilizers used, the enzymatic activity of typical chernozem increases proportionally to the decrease in oil content in the soil, that indicating an intensification of oil hydrocarbon degradation processes when mineral fertilizers are applied.
Keywords: oil pollution, phytoremediation, mineral fertilizers, soil enzymatic activity.
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ
Гальцова Анастасия Дмитриевна, аспирант кафедры агрохимии и биохимии растений факультета почвоведения МГУ имени М.В. Ломоносова, e-mail: [email protected]
Кинжаев Руслан Рафаилович, канд. биол. наук, ст. науч. сотр. кафедры агрохимии и биохимии растений факультета почвоведения МГУ имени М.В. Ломоносова, е-mail: [email protected]
Арзамазова Анна Вадимовна, канд. биол. наук, доцент кафедры агрохимии и биохимии растений факультета почвоведения МГУ имени М.В. Ломоносова, е-mail: [email protected]
Романенков Владимир Аркадьевич, докт. биол. наук, профессор кафедры агрохимии и биохимии растений факультета почвоведения МГУ имени М.В. Ломоносова, е-mail: [email protected]
© Galtsova A.D., Kinzhaev R.R., Arzamazova A.V., Romanenkov V.A., 2024
