Исследование физико-химических и биологических параметров почв самозарастающего карьерно-отвального комплекса после внесения препарата Life Force Humate Balance

АЛЕКСЕЕВ И.И.
ДМИТРАКОВА Я.А.

Санкт-Петербургский государственный университет

Введение.

Карьерно-отвальные комплексы обычно рассматриваются как пример экстремального нарушения экосистемы. При этом общая площадь, занятая карьерами, существенно выросла за последние несколько столетий и продолжает расти [1].

Мероприятия по эксплуатации карьеров могут привести к интенсификации шумового и пылевого загрязнения, а также изменить существующий на месте карьера почвенный покров, гидрогеологический и гидрологический режимы, нарушить естественные местообитания животных и растений, изменить картину имеющихся генетических ресурсов [2, 3].

Главные лимитирующие факторы для функционирования растительных сообществ на карьерно-отвальных комплексах – доступность питательных элементов и благоприятные физические свойства почвы [4]. Отдельной проблемой является вопрос восстановления неиспользуемых карьеров. Использование различных подходов к восстановлению карьеров служит предпосылкой для различий в уровнях биоразнообразия и выполняемых экологических функциях.

В случае cамозарастания карьеров восстанавливающиеся экосистемы должны обладать способностью развиваться в условиях стресса, быть устойчивыми к нему и включать в себя ансамбль видов-аборигенов [5]. Растения должны быть способны развиваться в условиях подстилания высокоскелетных почв, малого количества питательных веществ и воды, неоптимальных значений pH, склонов различной экспозиции и крутизны склонов.

Ввиду этих факторов сукцессия растительных сообществ в условиях самозарастания карьерно-отвальных комплексов протекает медленно, процессы схожи с теми, которые характерны для первичной сукцессией.

Цель данного исследования – изучить физико-химические и биологические свойства почв карьерно-отвального комплекса в районе садоводства Капитолово и их изменение после внесения препарата Life Force Humate Balance.

Материалы исследований.

Исследуемый карьерно-отвальный комплекс находится вблизи садоводства Капитолово во Всеволожском районе Ленинградской области (рис. 1).

Северную часть карьера огибает река Охта, юго-западная граница обозначена высоковольтной линией электропередачи.

На#nbsp;момент наблюдения вокруг карьера располагался сорно-разнотравный луг, но#nbsp;в#nbsp;настоящее время там ведутся строительные работы. До#nbsp;разработки карьер представлял собой озовую возвышенность, на#nbsp;которой располагался березняк, отдельные деревья сохранились и#nbsp;на#nbsp;сегодняшний день.

По#nbsp;словам местных жителей, добыча прекратилась в#nbsp;2006#nbsp;г., с#nbsp;тех пор начались процессы самозарастания. При этом центральная часть карьера со#nbsp;сложным рельефом испытывает вторичную антропогенную нагрузку поскольку используется мотоциклистами в#nbsp;качестве тренировочной площадки.

Основным грунтом является песок, но#nbsp;местами присутствуют суглинистые фракции. Карьер имеет размеры в#nbsp;поперечнике: 150#nbsp;м (З-В) и#nbsp;40#nbsp;м (С-Ю).

Нами было выделено 3 участка: самозарастающий аккумулятивный экотоп с#nbsp;зарослями облепихи и#nbsp;ивы, трансэлювиально-аккумулятивный экотоп с#nbsp;зарослями облепихи, элювиальный экотоп с#nbsp;разреженной травянистой растительностью. На#nbsp;всех участках вторичное антропогенное воздействие отсутствует.

Для#nbsp;исследования были выбраны самозарастающие участки карьера (рис. 2). Были выбраны 5 ключевых площадок, на#nbsp;которых было заложено по#nbsp;3 участка (50 х50 см). Препарат вносили в#nbsp;каждый из#nbsp;участков на#nbsp;глубину 0−10 см#nbsp;и#nbsp;10−20 см#nbsp;в#nbsp;соответствии с#nbsp;нормой внесения 5 кг/м³. Перед внесением препарата было проведено описание растительного и#nbsp;почвенного покрова. До#nbsp;и#nbsp;после эксперимента были отобраны пробы почв для#nbsp;их#nbsp;лабораторного анализа.

Лабораторные анализы проводили на#nbsp;базе кафедры Прикладной экологии Санкт-Петербургского государственного университета. Гранулометрический состав почвы определяли методом пипетседиментометрии [6]. Значения pH#nbsp;почв в#nbsp;водной (H₂O) и#nbsp;солевой вытяжке (KCl) определяли с#nbsp;помощью pH-150 метра (соотношение почва: раствор 1:2.5). Обменную и#nbsp;гидролитическую кислотность определяли при помощи добавления KCl и#nbsp;CH3COONa соответственно (соотношение почва: раствор 1:2.5).

Также оценивали базальное дыхание почвы, определяемое по#nbsp;методике СИД (в#nbsp;необогащенной субстратом почве). Общую микробную биомассу определяли с#nbsp;помощью субстратиндуцированного дыхания, которое фиксирует дополнительный отклик микроорганизмов на#nbsp;внесение питательного субстрата (глюкозы) [7].

Расчет проводили согласно формуле, предложенной J. Anderson [8]:
Смик (мкг С/г почвы) = СИД (мкл СО₂/г почвы в ч) 40.04 + 0.37.

Микробный метаболический коэффициент (удельное дыхание микробной биомассы) был рассчитан как отношение величины базального дыхания к#nbsp;показателю углерода микробной биомассы: qСО₂(мкг СО₂ С/мг Смик/ч) = БД/Смик.

Содержание углерода и#nbsp;азота было проанализировано с#nbsp;помощью элементного анализатора (Elementar Analyse Systeme GmbH, Vario MAX). Мезоморфологическая характеристика почв была проведена с#nbsp;использованием мезоморфологического оборудования (электронный микроскоп). Первым этапом мезоморфологического анализа почвенного профиля является получение растровых изображений. Растровые изображения исследуемых образцов почв получают с#nbsp;помощью электронного микроскопа. Работа ведется на#nbsp;увеличении x50−60. Получаемые изображения подвергаются отбору (выбираются наиболее репрезентативные и#nbsp;четкие изображения, отражающие динамику и#nbsp;внешние проявления почвенных процессов), рис.#nbsp;2.

Результаты исследований.

Почвы, описанные на изученных ключевых участках, были классифицированы как реплантоземы. Такие почвы по определению представляют собой целенаправленно созданные образования, которые характеризуются залеганием гумусированного или минерально-органического плодородного слоя на предварительно подготовленной (обычно спланированной) поверхности нарушенных грунтов.

Основные физико-химические и биологические параметры почв до и после проведение эксперимента изложены в табл. 1, 2.

Изученные почвы характеризуются в основном слабокислой реакцией среды (pH 5-6), при этом внесение препарата определяет некоторое увеличение показателей кислотности (см. табл. 1, 2). Такую же тенденцию можно проследить и для значений обменной и гидролитической кислотности, что связано с интенсификацией комплексообразования в верхнем органо-аккумулятивном горизонте (для обменной кислотности) и коллоидальными матрицами гумусовых веществ, которые являются источником для обменного водорода (для гидролитической кислотности).

Анализ данных по гранулометрическому составу почв показал некоторое утяжеление (от преимущественно суглинистого песка до опесчаненного суглинка) гранулометрического состава после внесения препарата (рис. 3).

Гранулометрический состав в значительной степени предопределяет гумусное состояние почв. Утяжеление гранулометрического состава ведет к обогащению коллоидами и более интенсивному закреплению образующихся гумусовые вещества, что предопределяет гумусное состояние почв.

Содержание органического углерода в#nbsp;почвах до#nbsp;внесения препарата изменяется незначительно и#nbsp;составляет 0.65−3.71% с#nbsp;максимальными показателями в#nbsp;слое 0−10 см.#nbsp;После внесения препарата наблюдается увеличение содержания органического углерода (значения от#nbsp;0.99 до#nbsp;5.89%). Максимальные значения также отмечены в#nbsp;слое 0−10 см.

Микробная биомасса является индикатором процессов накопления и#nbsp;минерализации органического вещества [9]. Во#nbsp;многих случаях содержание углерода микробной биомассы, оцененное методом субстратиндуцированного дыхания, рассматривается как индекс качества почвы [10]. Микробная биомасса в#nbsp;реплантоземах на#nbsp;сегодняшний день изучена слабо. При этом данный компонент играет важнейшую роль в#nbsp;поддержании устойчивости сообществ и#nbsp;развитии экосистем.

Профильное распределение микробной биомассы в#nbsp;основном подчиняется тенденции уменьшения этого показателя вниз по#nbsp;почвенному профилю. Стоит отметить, что полученные значения по#nbsp;содержанию микробной биомассы во#nbsp;всех изученных образцах значительно ниже по#nbsp;сравнению с#nbsp;естественными экосистемами, что свидетельствует о#nbsp;медленной скорости восстановления почвенного покрова на#nbsp;данном карьерно-отвальном комплексе. После внесения препарата наблюдается увеличение значений микробной биомассы.

Содержание микробной биомассы в#nbsp;почвах до#nbsp;внесения препарата было максимальным в#nbsp;слое 0−10 см (гумусово-аккумулятивный горизонт). Значения составляли от#nbsp;2.012 до#nbsp;3.413 мкг С/г почвы. В#nbsp;целом содержание микробной биомассы в#nbsp;изученных почвах изменяется в#nbsp;узких пределах (от#nbsp;1.291 до#nbsp;3.413 мкг С/г почвы).

Внесение препарата способствовало увеличению микробной биомассы, максимальные значения также отмечены в#nbsp;слое 0−10 см#nbsp;и#nbsp;изменяются от#nbsp;2.412 до#nbsp;3.974 мкг С/г почвы.

Базальное (микробное) дыхание (БД) изученных почв до#nbsp;внесения препарата изменялось от#nbsp;0.0018 до#nbsp;0.0037 СО₂-С/г в ч#nbsp;с#nbsp;максимальными значениями в#nbsp;слое 0−10 см.#nbsp;После внесения препарата наблюдали повышенное базальное дыхания почв, оно также было максимальными в#nbsp;слое 0−10 см, значения составляли от#nbsp;0.026 до#nbsp;0.047 СO2-С/г в ч.

Каких-либо значительных отличий между органоминеральными и#nbsp;минеральными горизонтами по#nbsp;данному показателю выявлено не#nbsp;было. Скорость продуцирования углекислоты на#nbsp;изученных участках намного ниже, чем у#nbsp;ненарушенных почв, что свидетельствует о#nbsp;низкой биологической активности.

Ранее было показано, что показатели базального дыхания и#nbsp;содержание микробной биомассы сильно зависят от#nbsp;таких параметров, как влажность и#nbsp;температура почвы [11]. В#nbsp;связи с#nbsp;этим в#nbsp;данной работе был рассчитан микробный метаболический коэффициент, который относится к#nbsp;интегральным показателям биологического состояния почв. Значения данного показателя составляли от#nbsp;0.010 до#nbsp;0.015 мкг СО₂ -С/мг СМик в ч#nbsp;в#nbsp;почвах до#nbsp;внесения препарата, различия между изученными участками небольшие.

После внесения препарата наблюдается некоторое незначительное повышение значений данного показателя в#nbsp;почвах (составляют от#nbsp;0.011 до#nbsp;0.016 мкг СО₂-С/мг СМик в ч). Полученные данные свидетельствуют о#nbsp;пониженной устойчивости микробных сообществ и#nbsp;неэффективном использовании ими органического субстрата.

Изменения в#nbsp;структурной организации почвенных агрегатов исследуемых объектов после внесения препарата были изучены с#nbsp;помощью мезоморфологического метода (рис. 4). Было установлено, что после внесения препарата почвенные агрегаты характеризуются большей водопрочностью, повышением связности агрегатов.

Заключение.

В ходе исследования было установлено, что изученные реплантоземы карьерно-отвального комплекса характеризуются в основном слабокислой реакцией среды (pH 5-6), при этом внесение препарата определяет некоторое увеличение показателей кислотности.

Также наблюдается улучшение структурного состояния почвы, некоторое утяжеление гранулометрического состава. Анализ данных по гранулометрическому составу почв показал некоторое утяжеление гранулометрического состава после внесения препарата (от преимущественно суглинистого песка до опесчаненного суглинка). Также отмечено повышение значений таких показателей, как органический углерод, базальное и субстрат-индуцированное дыхание почв, микробная биомасса и лишь незначительное повышение значений микробного метаболического коэффициента.

Было установлено, что изученный карьерно-отвальный комплекс характеризуется довольно низким уровнем интенсивности микробиологических процессов. Содержание микробной биомассы постепенно уменьшается вниз по профилю. Низкие значения микробного метаболического коэффициента свидетельствуют о нестабильном функционировании микробных сообществ.

Восстановление микробиологической активности нарушенных земель данного карьерно-отвального комплекса крайне замедленно, однако внесение препарата Life Force Humate Balance в больших объемах может способствовать более высоким темпам восстановления микробиологической активности.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Rehounkova K., Cizek L., Rehounek J, Sebelikova L, Tropek R, Lencova K, Bogusch P, Marhoul P, Maca J. 2016. Additional disturbances as a beneficial tool for restoration of post-mining sites: a multi-taxa approach. Environmental Science & Pollution Research 23: 13745-13753.

2. Khawlie, M., Shaban, A., Awad, M., Faour, G., Haddad, T., 1999. Contribution of remote sensing and GIS in locating quarries for aggregates in Lebanon’s coastal area. CNRS, 1999. 15th Middle East ESRI User Conference, Beirut, Lebanon.

3. El-Fadel, M., Zeinati, M., and Jamali, D., 2000. Water resources in Lebanon: Characterization, water balance and constraints. Water Resources Development. Vol. 16 (4). P. 615-638.

4. Sheldon, J.C. 1975. The reclamation of slate waste. Nature Wales. 14:160–168.

5. Williamson, J., Rowe, E., Rendell, T., Healey, J., Jones, D., Nason, M., 2003. Restoring habitats of high conservation value after quarrying: best practice manual. Institute of Environmental Science, Bangor.

6. Качинский Н.А. / Физика почвы. Ч. 1. – М.: Высш. шк., 1965.

7. Ananyeva N.D., Susyan E.A., Chernova O.V., Wirth S., 2008. Microbial respiration activities of soils from different climatic regions of European Russia. European J. of Soil Biology. Vol. 44. № 2. P. 147–157.

8. Anderson J. P. E., Domsch K. H. A., 1978. Phisiological method for the quantitative measurement of microbial biomass in soils // Soil Biol. Biochem. Vol. 10. № 3. P. 215–221.

9. Jenkinson D.S., Ladd J.N., 1981. Microbial biomass in soil: measurement and turnover. Soil Biochemistry/ Eds. Paul E.A., Ladd J.N.,N Y: Marcel Dekker, Vol. 5. P. 415–471.

10. Conrad R. 1996. Soil Microorganisms as controllers of atmospheric trace gases (H2, CO, CH4, OCS, N2O, and NO). Microbiological Reviews. Vol. 60. № 4. P. 609–640.

11. Приходько В.Е., Сиземская М.Л. / Базальное дыхание и состав микробной биомассы целинных, агро- и лесомелиорированных полупустынных почв Северного Прикаспия. Почвоведение. 2015. – № 8. – С. 974.

Аlekseev I.I., Dmitrakova Ya. A.

St. Petersburg State University

Keywords: quarries, soil properties, Life Force Humate Balance soil conditioner.

Humic substances stimulate the germination of seeds, increase the resistance of plants to unfavorable conditions, and increase the productivity of plants.

In the course of this work the changes in physico-chemical and biological properties of the soils of the self-overgrowing quarry in the area Kapitolovo horticulture (Vsevolozhsky district, Leningrad region) after adding Life Force Humate Balance soil conditioner was assessed.

This quarry is sandy, the use of conventional fertilizers on such substrates is much less effective due to the strong leaching regime of soils. Two identical ecotopes were established during the investigation. Soils of the first ecotopes were added with Life Force Humate Balance, the second ecotope was used as a background site.

Analysis of basal respiration data showed that application of the soil conditioner promotes an increase in the microbial mass of the soil and more intense soil respiration. The structural state of soils after adding of Life Force Humate Balance changes towards the formation of a more agronomically valuable structure.

In the studied soils, it was also obtained a general increase in carbon contents in soils after adding of soil conditioner. In general, it should be concluded the effectiveness of using of Life Force Humate Balance soil conditioner in the reclamation of quarry complexes, as they increase the fertility of soils, improve the physico-chemical and biological properties of the soil, increase the efficiency of mineral nutrition, moisture absorption and moisture accumulation in the soil.

They also lead to increased productivity of reclaimed plants. Despite the fact that the restoration of microbiological activity of disturbed lands in quarry complexes is extremely slow, adding of Life Force Humate Balance soil conditioner in larger volumes can contribute to a higher rate of recovery of microbiological activity.