CC BY
34
РОЛЬ САМООРГАНИЗАЦИИ СИСТЕМЫ «ПОЧВА-РАСТЕНИЕ» В ВЫБОРЕ МЕТОДА ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ МЕЛИОРАЦИИ
М.А. Некрасова, А.С. Медведева
Экологический факультет, Российский университет дружбы народов, Подольское шоссе, 8/5, 113093, Москва, Россия
В статье рассмотрены процессы самоорганизации в системе «почва-растение» и приведены данные анализа препаратов на основе гуматов как химического мелиоранта в условиях техногенного загрязнения почв. Искусственная гумификация позволяет биологическим системам сохранять свойство самоподобия при загрязнении почв ионами свинца.
Введение. Важным фактором экологической безопасности городов является развитая система озеленения, однако в условиях города зеленые насаждения подвергаются воздействию мощного техногенного пресса. Одним из опасных загрязнителей окружающей среды городов являются тяжелые металлы, поступающие в почву и легко проникающие в растения.
Устойчивость зеленых насаждений к интенсивному антропогенному воздействию и их способность к восстановлению в огромной степени обусловлены наличием в почве гуминовых веществ. В настоящее время для стимуляции роста и развития растений в. сфере городского зеленого строительства широко используются препараты на основе гуматов калия, натрия, кальция.
Принципиально новым подходом к применению препаратов на основе гуматов может стать возможность их использования не только для стимуляции развития растений, но и для изучения и управления процессами самоочистки системы «почва-растение».
Препараты на основе гуматов активируют процессы биологической самоорганизации, естественные для незагрязненных биологических систем и тем самым повышают их устойчивость к неблагоприятным факторам окружающей среды.
Чрезмерные антропогенные нагрузки стали характерной причиной нарушения симметрии природных объектов [3]. Свойства самоподобия и симметрии обеспечивают выполнение законов самоорганизации в природных системах [4]. Анализ симметрии подобия растительности и выявление нарушений фрактальной геометрии природных систем могли бы стать надежными приемами биоиндикации экологических условий городов [2, 3].
Проведенные нами исследования позволили выявить эффективность действия на газонную траву различных препаратов на основе гуматов в условиях техногенного загрязнения почв ионами свинца.
Объекты исследования. Исследования проводились на природных и модельных образцах почвы. В качестве образца естественной почвы была взята серозеленая пылеватая супесь (QIII, Люблинский карьер). Гранулометрический и минеральный состав используемой почвы представлен соответственно в таблицах 1 и 2. По числу пластичности (СНиП 2.02.01-83) выбранная нами почва относится к супесям. Водно-физические свойства приведены в табл. 3.
Таблица 1
Гранулометрический состав почвы
Фракции, мм Содержание фракций, %
> 0,25 15,26
0,25 - 0,05 44.74
0,05 - 0,01 7,63
0,01 - 0,005 3.35
0,005 - 0,001 12.59
< 0,001 16,43
Таблица 2
Минеральный состав почвы
Пылеватая супесь Валовый состав, %
Название минералов
Щ {2 з Кварц 78,7
к Альбит 4,0
К 2 5 5 Роговая обманка 0,2
ш 2 X Г идросдюды 0,7
Микроклин 11,0
Иллит 4,0
э 1 Каолинит 0,6
о 3 5 & X « X * Вермикулит*
Смектиты 0,7
и £ Смешанослойные минералы
Рентгеноаморфное вещество 0,0
Таблица 3
Водно-физические свойства супеси
Показатели Значения, %
Максимальная молекулярная влагоемкостъ (по А,Ф. Лебедеву), \У„М11, 9,55
Нижний предел пластичности, \У0, 17
Верхний предел пластичности, АУі, 23
Число пластичности, 1р. 6
Свинец вносился в почву в виде растворов нитрата свинца с относительной концентрацией 1, 2, 5 и 10 ПДК.
В качестве образца гуматов был использован препарат «Гумат калия» (калиевые соли гуминовых кислот, марка А, жидкость, 70-80%, фирма-производитель «Грин Бэлт». Катионный состав используемого гумата представлен на рис. 1.
Report date: 27/06/2002 18il5:28 Printed by:
Title: ГК
Analysis from: 27/06/2002 16:27:15
File: M6271627.CHW Last save: 27/06/2002 16:48:58
Изменен! Пики вручную!
Method: KATmtW'.mtw Last save: 27/06/2002 16:44:32
Run operator:
Analysis number: 106
Quantitation method: Заказной Standard component: Нет
Normalization: 100.00
Сопс. Сопс. Name
мг/л %
3.83 10.43 аммоний
10.23 27.85 калий
13.70 37.30 натрий
1.12 3.06 магний
0. 64 1.74 литий
7.20 19.61 кальций
36.73 100.00 _ .
This report has been created by МультиХром для Windows Ampersand Ltd.
Рис. 1. Катионный состав препарата «Гумат калия»
Воздействие свинца на газонную траву изучалось на примере овсяницы красной (Festuka Rubra), широко использующейся в городском озеленении.
Методика исследования. Гуматы вносились в почву путем полива и опрыскивания всходов, а также проводилась предпосевная обработка семян и перемешивание гумата с почвой перед посевом.
Для изучения закономерностей роста газонной травы в условиях загрязнения почв ионами свинца и влияния на ее развитие препаратов на основе
гуматов нами была использована теория фрактальных структур в природе [1]. Для этого в процессе эксперимента использовались свойства гармонической пропорции (золотого сечения) — фрактала трехчастной структуры [2].
Данные экспериментальных исследований позволили построить диаграммы, отражающие отклонения от гармонических канонов в развитии газонной травы под действием химического загрязнения, в присутствии гуматов и без них. Было выявлено, что в чистых, не загрязненных ионами свинца почвах, длины корня и листа газонной травы соотносятся друг с другом, подчиняясь законам числового ряда Фибоначчи. Те же закономерности бьши выявлены при использовании препаратов на основе гуматов.
■корень
контроль 1ПДК 2 ПДК 5 ПДК І0ПДК концентрацня свинца
у * 0,0269х1 - 0,2б99х2 + 0,6879х + 1,0768 Я2 - 1
‘гармоническая пропорция (Ф = 1,618)
отношение длины растения к длине листа
• — Полиномиальная
аппроксимирующая
кривая
Рис. 2. Влияние различных концентраций свинца на рост и развитие овсяницы красной
в супесчаной почве
На диаграммах показано влияние различных концентраций свинца на рост и развитие овсяницы красной на супесчаной почве. Как видно из рис. 2, с увеличением концентрации свинца отношение длины растения к длине корня отклоняется от значений, соответствующих экологически благоприятным условиям, т.е. соответствующих числам Фибоначчи. Максимальных значений отклонения достигают при концентрации 2 ПДК и выше.
При использовании препарата «Гумат калия» (рис. 3) выявлено, что его применение положительно сказывается на развитии газонной травы, приближая отношения длины растения к длине корня к гармонической пропорции (1,618).
14
12
10
X 6
І I
контроль
гг
1ПДК 2 ПДК 5 пдк концентрация свинца
у = -0,0905х + 0,7009)1 - 1.664ІХ + 2,7754 Я2 = 1
Растения не взошли
10 ПДК
2,2
2
1,8
1,6
1,4
1,2
1
0,8
0,6
0,4
0,2
О
I корень
■ лист
-гармоническая пропорцій (Ф=1,618)
---отношение длины
растеши к длине листа
----Полиномиальна»
аппроксимирующая
кривая
Рис. 3. Влияние различных концентраций свинца на рост и развитие овсяницы красной в супесчаной почве при внесении в нее гумата калия
На рис. 4 показано влияние различных способов обработки гуматом на онтогенетическое развитие овсяницы красной в загрязненной почве при концентрации свинца 2 ПДК.
16 14 12 В ю | 8 I 6
4
2
0
пп
зашчивание перемешивание попив опрыскивание способы обработм!
у = 0.0398Х3 - 0.3025Х3 + 0,6503х + 1,208
1,5
0.5
I корень
1 лист
’длина
растений длина
■ • - гармоническая
пропорция
(Ф=1,618)
■ — полиномюльная
апроксимируюшая
кривая
Рис. 4. Влияние различных способов обработки гуматом на онтогенетическое развитие овсяницы красной в загрязненной почве при концентрации свинца 2 ПДК
Как видно из рисунка, наилучший результат достигается при предпосевной обработке (замачивание семян и перемешивание гумата с почвой). По-видимому, это связано с тем, что всхожесть семян, рост и развитие растений во многом определяется «стартовыми возможностями» семян, то есть количественным и качественным составом запасных веществ семени, гормональным балансом зародыша и эндосперма, которые существенно зависят от условий выращивания материнских растений. Внесение гуматов в систему «почва-растение» перед посадкой семян активизирует процессы, усиливающие адаптационные возможности растений при развитии их на ранних стадиях.
Выводы. Анализируя полученные данные, можно говорить о фрактально-сти в законах развития газонной травы. Являясь нестационарной фрактальной структурой, газонная трава сохраняет свойство самоподобия как в чистых почвах, так и при искусственной гумификации. Свойство самоподобия проявляется в процессах миграции и массопереноса в системе «почва-растение» и в процессах роста и развитие.
Вероятно, в дальнейшем разработка этой методики позволит по «ботаническим» параметрам судить о степени угнетенности растений и разрабатывать нормы и формы внесения гуматов в почву.
Применение препаратов на основе гуматов, как одного из физикохимических методов экологической мелиорации ПТС в условиях хронического загрязнения почв тяжелыми металлами в концентрациях 1-5 ПДК, позволяет снизить токсическое действие ионов тяжелых металлов на развитие растений и повысить их устойчивость к неблагоприятным факторам антропогенного воздействия.
ЛИТЕРАТУРА
1. Мандельброт Б. Фрактальная геометрия природы. - Москва: Институт компьютерных исследований, 2б02. - 656 с.
2. Морозов А.Д. Введение в теорию фракталов. - Москва-Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2002. — 160 с.
3. Николаев В. А. Ландшафта ведение: Эстетика и дизайн: Учеб. пособие / В. А. Николаев. — М.: Аспект Пресс, 2003. — 176 с.
4. Синергетическая парадигма. Нелинейное мышление в науке и искусстве. — М.: Прогресс-Традиция, 2002. - 496 с.: ил.
ROLE OF SELF-ORGANISATION IN “SOIL - PLANT” SYSTEM IN A CHOICE OF ECOLOGICAL LAND IMPROVEMENT METHOD
M.A. Nekrasova, A.S. Medvedeva
Ecological Faculty, Russian Peoples ’ Friendship University,
Podolskoye shosse, 8/5, 113093. Moscow, Russia
In this paper processes of self-oiganisation in “soil-plant” system are viewed and sample log of humic acids salts-based preparations as chemical amendment in conditions of man-caused soiling are listed. Artificial humification allows biological systems to keep self-similarity property during soiling with lead ions.
