CC BY
52
ИЗВЕСТИЯ
ПЕНЗЕНСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ПЕДАГОГИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА имени В. Г. БЕЛИНСКОГО ЕСТЕСТВЕННЫЕ НАУКИ № 25 2011
IZVESTIA
PENZENSKOGO GOSUDARSTVENNOGO PEDAGOGICHESKOGO UNIVERSITETA imeni V. G. BELINSKOGO NATURAL SCIENCES № 25 2011
УДК 631.468
СООБЩЕСТВА КРУПНЫХ ПОЧВЕННЫХ ЖИВОТНЫХ НА ГРАНИЦЕ УЧАСТКОВ СЛАБОГО И СИЛЬНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ ОТ КОСОГОРСКОГО МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО КОМБИНАТА (ТУЛЬСКАЯ ОБЛАСТЬ)1
© Ж. В. ФИЛИМОНОВА*, К. Б. ГОНГАЛЬСКИЙ**
* Тульский государственный университет им. Л. Н. Толстого, кафедра биологии и экологии e-mail: [email protected].
** Институт проблем экологии и эволюции им. А. Н. Северцова РАН, лаборатория экологических функций почв e-mail: [email protected]
Филимонова Ж. В., Гонгальский К. Б. - Сообщества крупных почвенных животных на границе участков слабого и сильного загрязнения от Косогорского металлургического комбината (Тульская область) // Известия
ПГПУ им. В.Г. Белинского. 2011. № 25. С. 472-477. - Почвенная мезофауна и содержание тяжелых металлов в почве изучены в импактной зоне (в 600 м от комбината) Косогорского металлургического комбината и в контроле (в 10 км от комбината) (Тульская обл.). На участке размером 10.0 х 22.5 м отбирали по 50 проб (по сетке 5 х 10 с шагом 2.5 м. Верхние 5рядов проб находились в незаливаемой зоне, а нижние 5 - в зоне, заливаемой половодьем реки Воронки. Затопляемая половодьем часть участка в импактной зоне была достоверно выше загрязнена водорастворимой фракцией железа, для остальных тяжелых металлов различия были недостоверны. Судя по вариограммам, разнообразие почвенной мезофауны на контрольном участке градуально менялось от уреза воды вверх по склону, тогда как на загрязненном участке градиент не выделялся. Разделение участка в импактной зоне на затопляемый и незатопляемый выявило пространственную структуру сообществ почвенной мезофауны в пределах каждой из частей, т.е. между сообществами проходит граница по зоне затопления. Можно заключить, что степень загрязнения участка является параметром, формирующим пространственную структуру сообществ почвенной мезофауны. Ключевые слова: почвенные животные, тяжелые металлы, пространственная гетерогенность.
Filimonova Zh. V., Gongalsky K. B. - Communities of soil macrofauna at a boundary between plots of high and low pollution from Kosogorsky metallurgical plant (Tula Region, Russia) // Izv. Penz. gos. pedagog. univ. im.i V.G. Be-linskogo. 2011. № 25. P. 472-477. - Soil macrofauna and concentrations of heavy metals in the soil were studied in the vicinity of Kosogorsky metallurgical plant in Tula Region, Russia. Two sites were chosen, one in the impact zone (600 m from the smelter) and another one in an unpolluted zone (10 km). At each site, a plot of 10.0*22.5 m in size was sampled. Fifty samples were collected at each site forming a grid of 5*10 dots with a 2.5 m between the samples. Upper 5 rows laid in unflooded area, and lower 5 rows in annually flooded area by the river Voronka. Flooded area was significantly higher polluted by water-soluble iron. Other metals’ concentrations in soil did not differ. According to variograms, the diversity of soil macrofauna in control site gradually differed upslope, whilst there were no such a tendency in the polluted site. Dividing the polluted plot into upper and lower parts resulted in revealing distinct spatial structure of soil macrofauna within each part, meaning that there was a boundary between the parts coinciding with the flooding line. The level of pollution is a factor forming spatial structure of soil macrofaunal communities.
Keywords: soil animals, heavy metals, spatial heterogeneity.
Пространственное распределение почвенных сообществ,численность,индивидуальныепараметры), животных - один из важных показателей состояния их так и от внешних факторов (биотических и абиотиче-сообществ, зависящий как от внутренних (структура ских). Среди факторов, влияющих на структуру со-
‘Материалы,представленныена ВторойВсероссийской с международным участием полевойшколепо почвеннойзооло-гии и экологии для молодых ученых (Пенза, 12-16 сентября 2011 г.), проведенной при финансовой поддержке РФФИ (грант № 11-04-06824-моб_г), гранта Президента РФ (проект МД-4662.2010.04) и Пензенского государственного педагогического университета им. В.Г. Белинского.
обществ почвообитающих животных, немаловажным является загрязнение. В обширной литературе, посвященной этому вопросу, показаны факторы и механизмы воздействия на популяции почвенных животных, в частности промышленного загрязнения почвы, в числе действующих агентов которого выделяются тяжелые металлы. в последнее десятилетие вопросу неоднородности распределения как самих сообществ почвенных животных, так и загрязняющих веществ в почве, посвящено множество работ [2, 11, 12, 15], которые в значительной мере опираются на новую методологию изучения пространственной структуры тех или иных явлений. Получившая в геологии и почвоведении широкое распространение геостатистика, оперирующая пространственно зависимыми данными, находит все большее применение в почвенной зоологии и экологии [10]. Такая методология позволяет анализировать зависимость пространственной структуры сообществ почвообитающих организмов от структуры распределения не только природных факторов, но и факторов антропогенного происхождения.
Многие почвенные животные избегают участков почвы, уровень загрязнения которых выше окружающего фона [11, 14, 16], что привело к появлению специальной экотоксикологической методики [7]. В экспериментах с микрокосмами показано [17], что при заселении дефаунированной почвы, загрязненной неравномерно, почвенная фауна концентрируется на участках с минимальным загрязнением. Однако показать такие эффекты в полевых условиях было непросто, в первую очередь, из-за сложной пространствен-нойструктурысообществпочвообитающихживотных.
Для анализа распределения популяций животных почвообитающих животных применялся геоста-тистический анализ. Нашей задачей было оценить, совпадают ли в границы сообществ почвенных животных с границами участков почвы, загрязненной тяжелыми металлами в разной степени. Исследование проведено на примере воздействия Косогорского металлургического комбината.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ
Сбор материала проводили в мае 2008 г. в Тульской обл. в окрестностях Косогорского металлургического комбината. Основными загрязняющими агентами в выбросах комбината являются Fe, Pb, Zn, Cu, Cd, а также оксиды серы. Комбинат работает с конца 18 века, поэтому хроническое загрязнение прилегающих участков достигает значительного уровня [18].
На берегу р. Воронки были выбраны два участка. Один участок располагался в импактной зоне (в 600 м от комбината), второй - контрольный (в 10 км от комбината). Растительность представлена крапивой двудомной ( Urtica dioica L) и снытью обыкновенной (Aegopodium podagraria L). Почвы аллювиальные, но их структура значительно изменена многолетними выбросами шлаков из печей металлургического комбината. На участке размером 10.0 х 22.5 м отбирали по 50 проб по регулярной сетке с шагом 2.5 м. Верхние 5 рядов проб находились в незаливаемой зоне, а ниж-
ние 5 - в зоне, заливаемой половодьем. Пробы отбирали буром диаметром 9.8 см (площадь пробы 76 см2) до глубины 15 см. Почвенные пробы сразу же после отбора помещали в пронумерованные полиэтиленовые пакеты и животных выбирали вручную в лаборатории. Животных определяли в основном до уровня семейства. В качестве показателей сообществ использовали число таксономических групп и общее число животных в пробе.
В почвенных пробах измеряли массу почвы (< 2 мм), камней (> 5 мм), подстилки. В каждой пробе определяли рН и влагоудерживающую способность почвы (ВУС) [1].
Методом рентгенфлуоресцентного анализа в Лаборатории радиоэкологического мониторинга регионов АЭС и биоиндикации Института проблем экологии и эволюции им. А.Н. Северцова РАН (аналитик Л.А. Пельгунова) в почве были определены содержания водорастворимых форм 14 элементов (Ti, V, Cr, Mn, Fe, Ni, Cu, Zn, As, Rb, Sr, Y, Ba, Pb), из которых для анализа были выбраны 6, важных в районе исследования. Водные вытяжки приготовлялись по Е.В. Аринушкиной [1].
Статистическую обработку результатов и построение диаграмм проводили при помощи программ Statistica6.0.Длявсехпараметровопределялисреднее и стандартную ошибку. радиус автокорреляции для исследованных параметров определяли с помощью программы VarioWin 2.2.
РЕЗУЛЬТАТЫ
Качество почв и почвенная мезофауна исследованных участков. Почвы в импактной зоне комбината были менее кислые, содержали меньшую долю органического вещества, и меньшую массу подстилки, чем в контроле (табл. 1). Загрязнение металлами контрольного участка ниже, чем импактного [4]. Нижняя часть участка в импактной зоне, затапливаемая половодьем, загрязнена тяжелыми металлами сильнее, чем верхняя^е(р=0,048),РЬ(р=0,063)^п(п^.),Мп(п^.) (табл. 2).
Всего было извлечено из почвы 298 животных 35 таксономических групп (табл. 3). Наненарушенном участке численность почвенной мезофауны достигала 568±38 экз./м2, причем на затопляемой части она была выше (611), чем на незатопляемой (511) . На импакт-ном участке численность была ниже - 211±17 экз./м2, а различий между верхней и нижней частями участка не наблюдалось (221 и 200 экз./м2, соответственно). В контроле доминировали дождевые черви (42), личинки жужелиц (90) и щелкунов (68), галлиц (42), ста-филиниды (76), цикадки (68). В верхней части участка по сравнению с нижней было больше дождевых червей, пауков, проволочников, стафилинид, и меньше -геофилид. На импактном участке доминировали дождевые черви (45 экз./м2), личинки галлиц (24) и мокрицы (26), которые отсутствовали в контроле. дождевые черви были в основном найдены на верхней части участка, как и пауки, кивсяки и мокрицы; в нижней части было больше геофилид и стафилинид.
Таблица 1
Физико-химические показатели почв на исследованных участках около Косогорского комбината
Участок Фоновый Импактный
Ряды проб Среднее Верх Низ Среднее Верх Низ
Масса пробы, г 837±16 844±24 829±21 902±20 904±28 900±29
Масса камней (> 5 мм), г 276±17 284±25 268±22 279±14 247.5±15 310.3±22
Масса почвы (<2 мм), г 141±7 134±8 147±12 265±10 282.6±16 247.4±10
Масса подстилки, г 13.6±6.5 14.5±8.3 12.6±9.5 9.6±2.5 6.4±1.4 12.8±4.0
Влагоудерживающаяспособность,% 22.6±0.7 22.9±1.4 22.3±0.5 17.4±0.7 18.5±1.1 16.3±0.7
Потери от прокаливания, % 88.3±2.0 89.0±2.3 87.5±3.3 76.6±1.2 76.9±1.7 76.3±1.7
рН 4.6±0.06 4.7±0.10 4.6±0.06 6.6±0.02 6.6±0.03 6.5±0.03
Таблица 2
Содержание тяжелых металлов (мг/кг) в водной вытяжке из почв на импактном участке около Косогорского комбината. Одинаковыми буквами обозначены величины, не отличающиеся по результатам однофакторного дисперсионного анализа (р<0.05)
Концентрация. мг/кг Среднее Верх Низ
Mn 2.4±0.2 2.2±0.3а 2.6±0.3а
Fe 5.9±0.4 4.5±0.6a 7.3±1.3b
Co 0.1±0.0 0.1±0.0a 0.1±0.0a
Cu 0.0±0.0 0.0±0.0a 0.0±0.0a
Zn 0.6±0.0 0.5±0.1a 0.7±0.1a
Pb 0.01±0.00 0.01±0.00a 0.02±0.00a
Влияние пространственной неоднородности загрязнения почвы на распределение почвенных беспозвоночных. Вариограмма разнообразия почвенной мезофауны на ненарушенном участке показала присутствие тренда, для которого невозможно выявить размер автокорреляции (рис. 1А): кривая не достигает плато. Следовательно,изучаемыйпараметрнаходится в пределах градиента, наиболее вероятным является склон к реке.
На участке в импактной зоне радиус автокорреляции выявить также невозможно (рис. 1Б) из-за отсутствия пространственной структурированности данных: ни одна из возможных моделей вариограмм не описывает наблюдаемое распределение точек.
Раздельно проведенный анализ верхней (неза-ливаемой в половодье) и нижней (заливаемой) частей площадки в импактной зоне показал, что для каждой из них выделяются пятна автокорреляции с радиусом около 1.5 лага (3.75 м).
обсуждение
На фоновом участке выявлен типичный комплекс почвенных животных, характерный для центрального Нечерноземья России [3]. На участках, представленных в работе, наш коллектив проводил многолетние наблюдения, и результаты учетов чис-
ленности хорошо согласуются с полученными ранее данными [4, 5, 18]. С другой стороны, стабильный ис-точникзагрязнения,действующий более сталет,не ме-няетсерьезнымобразомсодержаний металлов впочве. Как показано в многочисленных работах, содержания водной вытяжки тяжелых металлов в почве являются одним из наиболее важных параметров почвенной экосистемы, определяющей реакцию обитающих в ней организмов на загрязнение [8, 19]. Однако наши наблюдения по воздействию Косогорского металлургического комбината не включали в себя анализа пространственного распределения загрязнения, которое является важным аспектом понимания воздействия загрязнителя на почвенных животных [9, 13].
С водными потоками геохимически активные соединения железа, марганца интенсивно мигрируют, но присменеокислительно-восстановительногорежи-ма (при прохождении потоков через геохимические барьеры) соединения железа и марганца осаждаются и аккумулируются как в транзитных, так и в аккумулятивных ландшафтах [6]. Это подтверждают и наши данные, свидетельствующие о больших концентрациях железа в нижней части исследованного участка (табл. 2). Помимо железа, несколько более высокие концентрации ряда других тяжелых металлов создают зону более сильного загрязнения вдоль водотока.
Таблица 3
Численность (экз./м2, среднее ± стандартная ошибка) крупных почвенных беспозвоночных
в окрестностях Косогорского комбината
Участок Импактный Фоновый
Таксономическая группа Среднее Верх Низ Среднее Верх Низ
Lumbricidae 44.7±12.2 63.2±17.2 26.3±10.7 42.1±12.2 31.6±17.5 52.6±17.0
Oniscidea 26.3±10.2 36.8±14.3 15.8±11.6 - - -
Pseudoscorpiones 7.9±3.8 5.3±5.3 10.5±7.3 - - -
Aranea 10.5±6.3 15.8±8.7 5.3±5.3 28.9±8.3 15.8±11.6 42.1±16.5
Geophilida 21.1±5.2 10.5±7.3 31.6±11.5 5.3±5.3 10.5±7.3 -
Polidesmida 5.3±7.6 10.5±10.5 - - - -
Julidae 7.9±7.6 10.5±10.5 5.3±5.3 - - -
Aphidinea 5.3±0.1 - 10.5±7.3 15.8±11.9 21.1±16.4 10.5±7.3
Cicadellidae 2.6±0.0 - 5.3±5.3 44.7±8.9 42.1±12.5 47.4±15.0
Thysanoptera - - - 18.4±6.3 15.8±8.7 21.1±9.8
Hemiptera - - - 10.5±7.6 15.8±11.6 5.3±5.3
Psocoptera - - - 5.3±3.9 5.3±5.3 5.3±5.3
Apionidae i* - - - 5.3±7.6 10.5±10.5 -
Elateridae i 2.6±0.0 - 5.3±5.3 2.6±0.0 - 5.3±5.3
Elateridae l** 5.3±0.0 5.3±5.3 5.3±5.3 68.4±14.1 42.1±19.7 94.7±33.6
Carabidae l 5.3±0.1 - 10.5±7.3 89.5±14.2 89.5±19.7 89.5±18.2
Carabidae i - - - 7.9±0.1 5.3±5.3 10.5±7.3
Lathridiidae i 2.6±0.0 - 5.3±5.3 - - -
Staphylinidae i 10.5±3.8 5.3±5.3 15.8±8.7 76.3±9.4 26.3±13.2 126.3±29.9
Staphylinidae l - - - 18.4±8.3 21.1±12.4 15.8±8.7
Cantharidae l - - - 5.3±3.8 5.3±5.3 5.3±5.3
Scarabaeidae l 2.6±0.0 - 5.3±5.3 7.9±8.3 15.8±11.6 -
Curculionidae i 2.6±0.0 - 5.3±5.3 15.8±5.2 15.8±8.7 15.8±11.6
Curculionidae l - - - 15.8±5.3 26.3±17.0 5.3±5.3
Coleoptera l,p, прочие - - - 2.6±3.8 5.3±5.3 -
Asilidae l 2.6±3.8 5.3±5.3 0.0±0.0 5.3±3.8 5.3±5.3 5.3±5.3
Chironomidae l - - - 2.6±0.0 - 5.3±5.3
Cecidomyiidae l 23.7±6.3 21.1±9.8 26.3±10.7 42.1±14.1 42.1±19.7 42.1±12.5
Micetophilidae l -- - - 5.3±3.8 5.3±5.3 5.3±5.3
Muscidae l 2.6±0.0 - 5.3±5.3 5.3±0.1 - 10.5±10.5
Sciaridae l - - - 2.6±3.8 5.3±5.3 -
Rhagionidae l 2.6±3.8 5.3±5.3 0.0±0.0 2.6±0.0 - 5.3±5.3
Mollusca 15.8±7.7 26.3±10.7 5.3±5.3 10.5±9.0 21.1±12.4 -
Lepidoptera p - - - 5.3±5.3 10.5±7.3 -
Symphila*** 44.7 ±5.2 26.3±13.2 632±21.6 1142.1±151.2 1157.9±255.1 1126.3±320.7
Общая численность, экз./м2 211±17 221±20 200±14 568±38 511±38 626±38
Число групп 21±1.48 13±1.5 18±1.5 29.0±3.3 25±3.0 22±3.7
2.4±0.2 1.6±0.2 3.5±0.4 5.7±0.3
* i - имаго, ** l - личинки, *** - в подсчете общей численности не участвовали
H
Рис. 1. Вариограммы числа таксономических групп почвенной мезофауны на контрольном участке (А) и в импактной зоне Косогорского металлургического комбината (Б).
N N
Рис. 2. Вариограммы числа таксономических групп почвенной мезофауны в импактной зоне Косогорского металлургического комбината в незаливаемой (А) и заливаемой (Б) половодьем частях участка.
При повышенном уровне загрязнения субстрата почвенные организмы начинают избегать участков с вы-сокимсодержаниемметаллов[5].Этообуславливаетфор-мирование структуры почвенных беспозвоночных на за-грязненныхтерриториях.Какудалосьпоказатьнамвдан-нойработе,границыучастковразнойстепенизагрязнения формируют границы сообществ почвенных животных.
Благодарности. Исследование проведено при финансовой поддержке РФФИ (грант 06-05-64902), Фонда содействия отечественной науке и Гранта Президента РФ для молодых ученых (МК-1046.2005.4) и Министерством образования и науки РФ в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы». Авторы благодарны Л.А. Пельгуно-вой (ИПЭЭ РАН) за измерение содержаний химических элементов в почвенных вытяжках, Д.И. Коробушкину и студентам ТГПУ за помощь в отборе проб.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Аринушкина Е.В. Руководство по химическому анализу почв. М.: Изд-во МГУ, 1970. 487 с.
2. ВоробейчикЕ.Л., ПозолотинаВ.Н.Микромасштабное пространственное варьирование фитотоксичности лесной подстилки // Экология. 2003. № 6. С. 420-427.
3. Гиляров М.С. Зоологический метод диагностики почв. М.: Наука. 1965. 278 с.
4. Гонгальский К.Б., Филимонова Ж.В., Покаржев-ский А.Д., Бутовский Р.О. Различия реакции герпе-тобионтов и геобионтов на воздействие Косогорского металлургического комбината (Тульская обл.) // Экология. 2007. № 1. С. 55-60.
5. Гонгальский К.Б., Филимонова Ж.В., Зайцев А.С. Связьпространственногораспределениячисленности почвенных беспозвоночных и содержания тяжелых металлов в почве в окрестностях Косогорского метал-лургическогокомбината(Тульскаяобл.)//Экология. 2010. № 1. С. 70-73.
6. Перельман А.И., Касимов Н.С. Геохимия ландшафта. М.: Астрея-2000. 1999. 767 с.
7. Amorim M.J.B., Rombke J., Soares A. Avoidance behaviour of Enchytraeus albidus: effects of benomyl, carben-dazim, phenmedipham and different soil types // Chemo-sphere. 2005. V. 59. P. 501-510.
8. BengtssonG.,RundgrenS.Ground-livinginvertebratesin metal-polluted forest soils // Ambio. 1984. V. 13. P. 29-33.
9. Bringmark E., Bringmark L. Improved soil monitoring by use of spatial patterns // Ambio. 1998. V. 27. P. 45-52.
10. Ettema C.H., Wardle D.A., 2002. Spatial soil ecology // Trends in Ecology and Evolution. V. 17. P. 177-183.
11. Fenoglio S., Cucco M., Bo T., Gay P., Malacarne G. Colonisation by ground and edaphic invertebrates of soil
patches with different pollution levels // Period. Biol. 2007. V. 109. P. 37-45.
12. GinocchioR.,CarvalloG.,ToroI.,BustamanteE.,SilvaY., Sepulveda N. Micro-spatial variation of soil metal pollution and plant recruitment near a copper smelter in Central Chile // Environ. Pollut. 2004. V. 127. P. 343-352.
13. Hoy C.W., Head G.P., Hall F.R. Spatial heterogeneity and insect adaptation to toxins // Ann. Rev. Entomol. 1998. V. 43. P. 571-594.
14. Loureiro S., Soares A.M.V.M., Nogueira A.J.A. Terrestrial avoidance behaviour tests as screening tool to assess soil contamination // Environ. Pollut. 2005. V. 138. P. 121-131.
15. Robertson G.P., Crum J.R., Ellis B.G. The spatial variability of soil resources following long-term disturbance // Oecologia. 1993. V. 93. P. 451-456.
16. Salminen J., Haimi J. Horizontal distribution of copper, nickel and enchytraeid worms in polluted soil // Environ. Pollut. 1999. V. 104. P. 351-358.
17. Salminen J., Sulkava P. Distribution of soil animals in patchily contaminated soil // Soil Biol. Biochem. 1996. V. 28. P. 1349-1355.
18.van Straalen N.M., Butovsky R.O., Pokar-zhevskii A.D., Zaitsev A.S., Verhoef S.C. Metal concentrations in soil and invertebrates in the vicinity of a metallurgical factory near Tula (Russia) // Pedobiologia. 2001. V. 45. P. 451-466.
19. van Gestel C.A.M. The influence of soil characteristics on the toxicity of chemicals for earthworms: a review // Ecotoxicology of earthworms. N.Y.: Intercept, 1992. P. 44-54.
