Агрохимия, 2022, № 5, стр. 87-93

ВВЕДЕНИЕ

Почвенно-климатические условия в Азербайджане являются благоприятными для развития вредителей и различных болезней сельскохозяйственных растений. В этой связи Азербайджан по удельному расходу ядохимикатов на каждый гектар орошаемых земель занимал одно из ведущих мест в СССР. За годы развития хлопководства и виноградарства с целью защиты урожая было применено огромное количество пестицидов. В Азербайджане в 1950–1990 гг. на площадях 100–300 тыс. га выращивали хлопок, и пестициды были использованы в борьбе с вредителями. В целом в Азербайджане ядохимикатами обрабатывали более 840 тыс. га, в том числе гербицидами – порядка 400 тыс. га [1, 2].

Нефть и нефтепродукты признаны приоритетными загрязнителями окружающей среды [3]. В настоящее время в связи со значительной интенсификацией добычи, транспортировки, переработки и использования нефти и нефтепродуктов процесс загрязнения земель углеводородами в Азербайджане приобрел масштабный характер. Достаточно отметить такой факт, что в период СССР территория Апшеронского п-ва занимала одно из ведущих мест по степени нагрузки нефтью и нефтепродуктами на единицу площади [4], а общая площадь загрязнения почвенного покрова нефтью и нефтепродуктами составляла более 20 тыс. га [5].

Во всех почвенно-климатических зонах показателем способности почв к самоочищению при загрязнении их органическими поллютантами является их ассимиляционный потенциал. Одним из важнейших факторов сохранения самой биосферы и обеспечения ее устойчивости является ассимиляционный потенциал природных ландшафтов – это их самовосстановительная способность по отношению к поступлению в природную среду вещества и энергии в результате производственной деятельности. Фактически ассимиляционный потенциал является свойством экологических систем “сопротивляться” внешним воздействиям [6]. Ассимиляционный потенциал – это буферность компонентов природных ландшафтов (атмосферы, водных источников, почвы) в отношении различных антропогенных воздействий в определенных масштабах без изменения своих основных свойств длительный период времени [7–9].

Важнейшая роль в буферности почв в отношении к загрязнению органическими веществами принадлежит почвенным микроорганизмам, биогенность почв определяет ассимиляционную емкость в отношении загрязнителей. В результате совокупной деятельности комплекса почвенных микроорганизмов, обладающих разносторонними биохимическими функциями, в почве и воде происходят процессы разложения органических веществ как природного происхождения – растительных и животных остатков, а также разного рода токсикантов, в том числе углеводородов, пестицидов, детергентов, диоксинов и т.п. [10–16]. Повсюду спустя некоторое время после загрязнения наблюдался рост популяций нефтеокисляющих микроорганизмов [17].

Ассимиляционный потенциал почв определяет их потенциал восстановления в случае загрязнения, и эта способность лежит в основе самоочищающей способности природных ландшафтов по отношению к поступлению в природную среду вещества и энергии [18].

Цель работы – предварительная оценка и сравнение биогенности и ассимиляционного потенциала почв различных биоклиматических ландшафтных зон Азербайджана в случае их загрязнения органическими поллютантами – нефтяными углеводородами и пестицидами.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Объектами исследования были различные типы почв, распространенные в основных биоклиматических зонах Азербайджана. Анализировали одни из самых массовых поллютантов почв – углеводороды и пестициды в рамках геохимического круговорота углерода. Это объясняется тем, что они имеют значительное влияние на биогеохимические процессы в биосфере, поскольку напрямую влияют на живые организмы за счет выраженного токсического действия.

В качестве показателя ассимиляционной емкости почв использовали общую численность микроорганизмов, численность микроорганизмов, способных использовать нефтяные углеводороды и пестициды в качестве единственного источника углерода и энергии.

В отобранных образцах почв определяли общую численность микроорганизмов, а также численность микроорганизмов, способных разлагать углеводородные субстраты и пестициды, общепринятым методом предельных разведений из почвенных суспензий [19, 20]. Общую численность гетеротрофных микроорганизмов определяли на МПА [20]. Численность углеводородокисляющих микроорганизмов и пестицидразлагающих микроорганизмов в почвах выявляли на агаризованных минеральных средах с добавлением источника углерода и энергии [20]. В качестве нефтяного углеводорода в работе использовали н‑гексадекан, в качестве пестицида – атразин. При выборе типа пестицида для оценки ассимиляционной емкости почв к этим веществам, принимали во внимание, что в адаптивном земледелии необходимо использовать пестициды с наиболее коротким периодом разложения в почве.

Ассимиляционную емкость фитоценозов в отношении углеводородов определяли по [21].

Статическую обработку данных проводили с применением программ Statistica V6.0 для Windows, Ехсеl–2003. При оценке статической достоверности средних полученных данных использовали t-критерий Стьюдента. Представление результатов в таблицах и графиках – среднее стандартное отклонение.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Хотя сезонные изменения численности микрофлоры в различных почвах весьма существенны, однако в каждой почве они укладываются в определенные границы и поэтому могут характеризовать особенности микробиологических и биохимических процессов в них. В этой связи средние данные за длительный период наблюдений вполне определяют биогенность различных типов почв в зависимости от их особенностей, зависящих от природно-климатических, а также техногенных факторов.

Результаты исследования показали, что ассимиляционный потенциал микробных систем в отношении к органическим поллютантам в различных почвах также отличался. В зоне расположения антропогенно загрязненных почв, например, в почвах субтропических сухих степей и полупустынь (Апшеронский промышленный регион, Нефтчала, Сиазань и др.) ассимиляционный потенциал обеспечивался, в том числе и наличием микроорганизмов-деструкторов (табл. 1). Наибольшая среднегодовая численность углеводородокисляющих микроорганизмов, а также микроорганизмов-деструкторов пестицидов обнаружена в почвах зоны сухих субтропических степей и полупустынь. Именно эти почвы составляют основу аридной территории, начиная от серо-бурых почв Апшеронского п-ва до границ с Грузией, и именно эти почвы долгие десятилетия подвергались постоянному загрязнению нефтяными углеводородами и различного рода химикатами.

Можно отметить, что почвы, находящиеся под постоянным прессингом в результате загрязнения ксенобиотиками, характеризовались микробиоценозом, в структуре которого число микроорганизмов-деструкторов, обладающих высокой скоростью роста на органических поллютантах-углеводородах и пестицидах, было больше по сравнению с микроорганизмами-деструкторами этих веществ, выделенных, например, из почв ксерофильных лесов и кустарников (рис. 1). Это свидетельствовало о том, что в почвах, подвергающихся постоянному воздействию органических поллютантов, имеет место адаптация микробиоценоза к загрязнению путем повышения в его структуре микроорганизмов, способных с высокой скоростью ассимилировать загрязнения, что также является показателем наличия адаптивных процессов в антропогенных почвах.

Рис. 1.

Интенсивность роста и потребления: (а) – углеводородокисляющих культур на н-гексадекане (1 – культура № 22, выделенная из серо-бурых почв Апшеронского п-ва; 2 – культура № 11, выделенная из чистой почвы на территории Джалилабада), (б) – на пестициде атразин (1 – культура № 9, выделенная из сероземной почвы Апшеронского п-ва, 2 – культура № 4, выделенная из чистой почвы на территории Джалилабада).

Фитоценозы – ресурсный потенциал ассимиляционного потенциала ландшафтов. Как биогенный фактор в ассимиляционных процессах экосистем необходимо учитывать роль не только низших (микроорганизмов), но и высших организмов. Это связано с их потенциальной мультифункциональностью, т.е. способностью выполнять при изменении условий среды соответственно иные функции, например, детоксикацию органических загрязнений – углеводородов и др.

Растения по отношению ко многим токсическим соединениям обладают более высокой чувствительностью, чем человек, животные и различные материалы [22]. Растения поглощают чужеродные вещества корнями и листьями [23]. У разных растений способность поглощать и превращать углеводороды, пестициды выражена в различной степени.

Способность растительных сообществ поглощать и усваивать экзогенные органические соединения свидетельствует о значительной их роли в ассимиляционном потенциале сред обитания. Однако, принимая во внимание значительное различие в качественном и количественном распределении растительного покрова, можно прогнозировать различную степень участия растений в процессе ассимиляции органических поллютантов в различных почвенно-климатических зонах.

В связи с вертикальной зональностью имеются закономерности географического размещения биомассы растительных сообществ – с возрастанием высоты над уровнем моря наблюдают изменение гидротермических условий, что отражается на характере смены растительных сообществ и их продуктивности [24, 25]. Растительная масса естественных травянистых сообществ последовательно возрастает от полупустынной зоны (сероземов и солонцово-солончаковых почв) к пустынно-степной и степной зонам (каштановым и черноземным почвам) и достигает максимальных величин в зоне субальпийских и альпийских высокогорных лугов (горно-луговых почв).

Закономерное изменение от полупустынной до альпийской зоны сказывается не только в продуктивности растительности, но и в соотношении наземной и корневой массы: относительное содержание надземной массы с высотой уменьшается, корневой – увеличивается.

Пустынная растительность на серо-бурых солонцеватых и солончаковых почвах характеризуется крайне скудной продуктивностью надземной массы [24]. Для полынно-поташниковых, полынно-карганных, солянково-поташниковых растительных сообществ запасы надземной массы составляли всего 3–4 ц/га (9–33% от биомассы). Несколько более высокими были они в полынно-эфемеровых и карганно-вересковидно-солянковых растительных сообществах (27–35%). Вследствие ясно выраженной солонцеватости и глубинного засоления серо-бурых почв корневая масса растений проникает в почву лишь до глубины 30 см. Биомасса пустынной растительности составляет 14–35 ц/га.

В полупустынной зоне Кура-Араксинской низменности при однотипных термических условиях наряду с иссушенными сероземными почвами, в условиях достаточного и повышенного грунтового увлажнения формируются луговые почвы. Грунтовое увлажнение благоприятствует развитию на этих почвах растительности и высокой продуктивности надземной и особенно корневой массы. Полупустынные эфемеровые и полынные растительные сообщества продуцируют очень незначительную надземную растительную массу (13–25 ц/га или 20–44% от биомассы). Преобладают запасы корневой массы, которые составляют 26–78 ц/га, или 56–80%. В сероземных почвах под полынной группировкой запасы корневых остатков в 3–4 раза больше, чем под эфемеровой растительностью. Однако более высокая продуктивность корней в первом случае обязана в основном наличию травянистых корневых остатков эфемеров, а не одревесневших корней полыни (табл. 2).

В условиях достаточного увлажнения распространены сероземно-луговые и луговые почвы (благодаря близкому залеганию грунтовых вод), на которых развиваются злаково-разнотравные, осоковые низинные луга, надземная масса значительна (32–119 ц/га). В связи с грунтовым увлажнением растительность образует в почве огромные запасы корневой массы, которые равномерно распределены по почвенному профилю. Биомасса растительности достигает 120–277 ц/гa. В Кура-Араксинской низменности растительность вегетирует ≈10 мес. (248–300 сут).

В случае загрязнения почвенного покрова сырой нефтью функции растительности прежде всего заключаются в ее участии в процессах детоксикации углеводородов и продуктов их окисления. Растительный покров, особенно древесный, выступает активным фактором в процессе выведения углеводородных соединений из приземного слоя атмосферы. Растительность будет представлять собой эффективный аэрозольный фильтр, т.к. суммарная листовая поверхность в широколиственном лесу превышает проекцию крон на проекцию почвы в 4–9 раз [26]. Взрослое дерево формирует на себе в среднем 10 кг листьев, кустарники – 3 кг (в расчете на сухое вещество). На 1 га средневозрастного древостоя в среднем формируется 4 т сухой массы листьев. Если принять, что средняя величина поглощения летучих углеводородов всеми видами растительных сообществ составляет 0.05–5.0 мг [21], зная биомассу растительности можно рассчитать суммарное поглощение углеводородов с учетом участия в нем каждого вида. В ряде случаев потенциально роль корневой биомассы в ассимиляционных процессах – адсорбции и детоксикации органических загрязнений, например, пестицидов или детергентов – может быть значительна по сравнению с надземной растительной биомассой.

Различные зоны ассимиляции обладают также различной потенциальной ассимиляционной способностью растительных сообществ в отношении поглощения летучих углеводородов (табл. 3).

Представленные данные свидетельствуют, что при прочих равных условиях, в случае загрязнения ландшафты в зоне сельскохозяйственных угодий и лесных массивов потенциально значительно более устойчивы к загрязнению углеводородами по сравнению со средами обитания пустынь и полупустынь, высока способность этих районов к самоочищению.

Системный сравнительный анализ показал, что при прочих равных условиях роль почвенных микроорганизмов в ассимиляции и разложении органических поллютантов по сравнению с другими биологическими компонентами ландшафтов – фитоценозами и мезофауной – является определяющей (табл. 4).

Вместе с тем очевидно, что в условиях высокогорий, где гидротермический режим менее благоприятен для жизнедеятельности почвенных микроорганизмов, повышается также и относительная роль растительных сообществ в самоочищении экосистем. В этой связи очевидна необходимость при оценке устойчивости разных областей самоочищения принимать во внимание роль фитоценозов как одного из важных элементов биогенных факторов в системе ресурсного потенциала территории.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результаты исследования ассимиляционного потенциала почв различных биоклиматических ландшафтных зон Азербайджана в случае их загрязнения органическими поллютантами показали, что ассимиляционный потенциал микробных систем в отношении к органическим поллютантам в различных почвах отличается.

В антропогенно-загрязненных почвах сухих субтропических степей и полупустынь (именно эти почвы долгие десятилетия подвергаются постоянному загрязнению нефтяными углеводородами и различного рода химикатами) ассимиляционный потенциал обеспечивается за счет увеличения численности и функциональной активности микроорганизмов-деструкторов углеводородов и пестицидов в структуре микробиоценоза по сравнению с почвами других биоклиматических зон, что является показателем процессов самоочищения в этих почвах.

В процессах ассимиляции и разложении органических поллютантов (способность использовать нефть в качестве источника углерода и энергии) роль почвенных микроорганизмов (200–300 г/кг биомассы) по сравнению с другими биологическими компонентами ландшафтов – фитоценозами (очень слабо, мг/кг биомассы) и мезофауной (не способны) является определяющей, однако необходимо принимать во внимание и роль фитоценозов, которая возрастает с вертикальной зональностью, последовательно от полупустынной зоны (сероземы и солонцово-солончаковые почвы) к пустынно-степной и степной (каштановые и черноземные) зонам и к зоне субальпийских и альпийских высокогорных лугов (горно-луговые почвы).

Можно прогнозировать, что при прочих равных условиях, в случае загрязнения поллютантами ландшафты в зоне сельскохозяйственных угодий и лесных массивов потенциально будут обладать большей способностью к самоочищению по сравнению со средами обитания пустынь и полупустынь.

Результаты исследования будут крайне полезны для определения актуального ассимиляционного потенциала ландшафтов как национального экологического ресурса в условиях непрерывного роста техногенного влияния на окружающую среду, его рационального использования, разработки стоимостной оценки экологического (ассимиляционного) потенциала территорий восстановления в случае нарушенности, управления и др.