Вдоль автомагистралей формируются специфические антропогенно-измененные экосистемы, испытывающие постоянное воздействие автотранспорта и периодическое влияние инженерно-строительных мероприятий при строительстве, эксплуатации и ремонте дорог. Экологическому состоянию урбанизированных территорий, включая транспортную зону городов, посвящено немало работ [1–3], в том числе и одна из наших последних публикаций [4]. Придорожные участки вне городских территорий исследованы в меньшей степени.

При строительстве автомобильных дорог происходит существенная трансформация всех компонентов экосистем. Часть почвенного покрова изымается полностью и превращается в запечатанные под дорожное полотно экраноземы. Прилегающие к проезжей части почвы частично срезаются, частично перекрываются насыпным материалом и трансформируются в абраземы и литостраты [5].

Кроме механической трансформации компоненты придорожных экосистем подвержены загрязнению. Уровень загрязнения почвенного покрова и растительности зависит от многих факторов, главным образом, от интенсивности движения и удаления от проезжей полосы [6, 7].

В отличие от урбанизированных территорий, где в придорожных экосистемах создаются газоны с насыпным органогенным субстратом (реплантозем) и высаживаются древесные и травянистые растения, вдоль автомагистралей вне городов возникают придорожные полосы шириной 5–10 м, лишенные органического материала и растительности [5]. В результате почвенный покров, выполняющий важнейшие экологические и санитрано-гигиенические функции в придорожных экосистемах, заменяется техногенными поверхностными образованиями. ТПО характеризуются изменением морфологических, физических, физико-химических и химических свойств, что отражается на функционировании биологической фазы, т.е. на биологической активности грунтов.

Наши исследования направлены на оценку биологической активности ТПО для диагностики их экологического состояния в транспортной зоне вне урбанизированных территорий. В настоящей работе проведено фитотестирование придорожных литостратов, исследованы интегральные биохимические показатели (интенсивность почвенного дыхания и активность фермента каталазы), физико-химические параметры (показатели актуальной и обменной кислотности почв), агрохимические показатели (содержание нитратов, органического углерода и гумуса) и хемоэкологические показатели ТПО (подвижность ионов свинца и кадмия).

Материалы и методы исследования

В качестве объектов использованы ТПО придорожных пространств, отобранные в июле 2017 г. вблизи (удаление 5 м от края дорожного полотна) автомобильных дорог, соединяющих населенные пункты в Тюменской области (табл. 1). Вдоль исследуемых трасс было заложено 7 участков для отбора образцов ТПО. На каждом участке отбирали по пять точечных проб грунта на расстоянии 1 м друг от друга массой по 0,5 кг и объединяли их в смешанные образцы.

Согласно классификации техногенных поверхностных образований, исследуемые грунты относились к группе натурфабрикатов, подгруппе литостратов, на участке № 6 ТПО принадлежали подгруппе органолитостратов, за счет повышенной доли органического вещества [8].

Оценку биологической активности исследуемых литостратов проводили согласно методике «Способ оценки биологической активности и токсичности почв и техногенных почвогрунтов» патент № 2620555. В качестве тест-культуры использовали кресс-салат (Lepidium sativum L.), контролем служил вариант с проростками на вермикулите, подкармливаемыми раствором Кнопа. В дополнение к фитотестированию в ТПО изучали активность фермента каталазы [9] и интенсивность «почвенного дыхания» [10]. В ТПО анализировали уровень актуальной и обменной кислотности. Содержание водорастворимой и обменной фракций ионов свинца и кадмия определяли ионселективным методом на иономере «Экотест-120». Подвижность ионов металла выражали отрицательным десятичным логарифмом молярной концентрации соответствующего иона (-lg[Cd2+]) и (-lg[Pb2+]). Содержание нитрат-ионов определяли ионселективным методом на иономере «Экотест-120». Содержание органического углерода и гумуса определяли методом Тюрина.

Математическую обработку результатов проводили в программе Past 3.16 с использованием методов описательной статистики, дисперсионного и корреляционного анализа.

Результаты исследования и их обсуждение

Рост и биомасса являются интегральными показателями состояния растений и индикаторами метаболических изменений под влиянием условий произрастания. Многим авторами отмечается снижение роста растений под влиянием химического загрязнения за счет подавления деления и растяжения клеток [11]. В ответ на токсическое действие загрязнения происходит снижение накопления биомассы растений, главным образом из-за нарушений процесса фотосинтеза [12]. Фотосинтетический аппарат растений проявляет высокую чувствительность к загрязнению окружающей среды и, особенно, к накоплению свинца [13].

Фитотестирование придорожных ТПО показало снижение роста и биомассы на всех исследуемых участках относительно контроля (табл. 2). Наименьшее отличие от контроля отмечено на участке № 6 (дорога г. Ялуторовск – с. Ярково), относящемуся к органолитостратам и обладающему наиболее благоприятными свойствами по сравнению с остальными участками (см. ниже).

В патенте № 2620555 на биотестирование токсичности установлены следующие уровни состояния субстратов:

1. Удовлетворительное – снижение роста и/или биомассы на 10–30 % от контроля. 2. Неудовлетворительное – снижение роста и/или биомассы на 30–50 %.

3. Опасное (токсичное) – снижение роста и/или биомассы более 50 %.

Наиболее угнетенное состояние проростков установлено на ТПО участка № 5 (дорога в 2,5 км юго-западнее с. Новоатьялово).

Биомасса растений проявляла более существенное отклонение от контроля, чем высота проростков, что свидетельствует о высокой чувствительности метаболических процессов растений к состоянию ТПО в условиях эксперимента.

Рост и развитие растений зависят от интенсивности обмена веществ в системе «почва – растения», которая определяется главным образом биологической активностью почвы. В дополнение к фитотестированию ТПО нами был проведен анализ интегральных показателей биологической активности: интенсивность почвенного дыхания (эмиссия углекислого газа) и активности каталазы [14].

Как видно из табл. 3, интенсивность почвенного дыхания существенно варьирует в ТПО исследуемых участков и связана, вероятно, с разным содержанием органического вещества и интенсивностью его разложения, а также с содержанием и подвижностью токсичных металлов: кадмия и свинца. В некоторых участках интенсивность выделения углекислого газа существенно превышает показатели, установленные нами для реплантоземов урбанизированных придорожных экосистем, также расположенных в умеренной природной зоне [4].

Как показали результаты, агрохимические показатели сильно варьировали на разных участках ТПО и существенно отличались от значений, установленных для ТПО урбанизированных территорий. Наиболее оптимальные агрохимические свойства были характерны для органолитострата на участке № 6. На остальных участках ТПО характеризовались кислой реакцией среды, низким содержанием органического углерода и гумуса, а также низкой концентрацией нитратов.

Одним из важнейших негативных факторов, действующих в транспортной зоне, является постоянное загрязнение токсичными металлами, прежде всего свинцом и кадмием. В ТПО, существенно отличающихся по уровню устойчивости к загрязнению от естественных и слабоизмененных почв, проблема загрязнения тяжелыми металлами стоит особенно остро. Пониженное содержание органического вещества, повышенная кислотность, низкий уровень биологической активности повышает подвижность токсичных металлов и их негативное токсическое действие на биологическую фазу транспортных экосистем и опасность загрязнения сопредельных территорий, воздуха, поверхностных и грунтовых вод.

Наибольшее экологическое значение имеют мобильные фракции токсичных металлов, прежде всего водорастворимая и обменная формы. Подвижность свинца и кадмия выражается отрицательным десятичным логарифмом молярной концентрации ионов в вытяжке (-lg[Pb2+], lg[Cd2+]), т.е. снижение значений логарифма концентрации свидетельствует о повышении содержания растворимых форм ионов и увеличении их подвижности.

Как показали результаты (табл. 5), содержание и подвижность металлов существенно варьировали на разных участках придорожных пространств. Содержание и подвижность свинцы была существенно ниже, чем у кадмия во всех исследованных участках, что связано с большим сродством свинца к органическому веществу, ограничивающему миграцию ионов [15].

Как показал корреляционный анализ, содержание ионов свинца имеет более сильную отрицательную связь с показателями кислотности и содержанием органического вещества, чем ионы кадмия. Сильная положительная связь подвижности ионов, выраженной отрицательным десятичным логарифмом концентрации, означает снижение подвижности при повышении значений рН (сдвиг в нейтральную и щелочную область) и при увеличении содержания органики в ТПО.

Проведен корреляционный анализ между показателями биологической активности почвы, агрохимическими и хемотоксикологическими показателями. Как видно из табл. 7, рост и биомасса тест-растений наиболее тесно связаны с показателями кислотности, содержанием органического вещества и интенсивностью почвенного дыхания.

Заключение

ТПО исследованных придорожных пространств вне урбанизированных территорий на удалении 5–10 м от дорожного полотна характеризовались низкой биологической активностью. Фитотестирование литостратов показало существенное снижение роста и биомассы проростков кресс-салата по сравнению с контролем. Низкая биологическая активность обусловлена низким содержанием органического вещества в ТПО, кислой и слабокислой средой, наличием подвижных и обменных форм свинца и кадмия.

Биохимические и агрохимические свойства исследованных литостратов существенно отличались от показателей (рН, активность каталазы, интенсивность почвенного «дыхания» и др.) характерных для реплантоземов городских территорий умеренной природной зоны.

Подвижность токсичных металлов и ростовые показатели тест-растений имели сильную корреляцию с содержанием органического вещества и реакцией среды.

Для повышения биологической активности ТПО, улучшения агрохимических свойств, снижения подвижности токсичных металлов и восстановления их санитарно-гигиенических функций рекомендуется внесение органических материалов (торф, кородревесные отходы и т.д.) и известковых удобрений.

Статья подготовлена при финансовой поддержке ФАНО России в рамках темы ФНИ № 0408-2014-0018 «Анализ состояния фитоценозов Западной Сибири в современных антропогенных условиях».