Цель исследований – изучить сезонную динамику концентраций солей и установить взаимосвязи между концентрациями токсичных солей в техногенной почве, соотношением содержаний различных солей и физиологическим состоянием двух декоративных видов елей, таких как карликовая ель Picea Canadensis Conica и голубая колючая ель Picea Pungens Glauca, произрастающих на данной почве в урбанизированной среде. Выращивание производится с 2016 г. без применения удобрений на песчаной сильнокаменистой техногенной почве с мощностью профиля около 40 см. Полив осуществляется только дождевой водой. Участок расположен в селитебной зоне Октябрьского района г. Иркутска (Иркутская область). В результате проведенных исследований в техногенной почве выявлены сезонные колебания концентраций карбонатов (CaCO3, MgCO3, FeCO3), а также водорастворимых минеральных солей, как нетоксичных (Ca(HCO3)2, CaSO4), так и токсичных (Mg(HCO3)2, MgSO4, Na2SO4, NaCl, MgCl2). Установлены взаимосвязи между суммарными концентрациями токсичных солей магния (MgSO4, MgCl2), CaCO3 : MgCO3 в почве и физиологическим состоянием карликовых елей Picea Canadensis Conica, которые подвержены солнечным ожогам хвои в весенний период (март, апрель). В почве, отобранной из приствольных кругов здоровых елей данного вида, CaCO3 : MgCO3 изменяется от 2 : 1 до 3,8 : 1. Голубые колючие ели Picea Pungens Glauca относятся к одному из устойчивых видов к условиям произрастания в урбанизированной среде. Увеличение суммарной концентрации токсичных солей магния (MgSO4, MgCl2) после окончания вегетационного периода, а также резкие колебания CaCO3 : MgCO3 от 6,6 : 1 до 1,3 : 1 не отразились на физиологическом состоянии голубых колючих елей Picea Pungens Glauca.
древесные растения, техногенная почва, засоление почв, токсичные соли, урбанизированная среда
Введение. Засоление почв представляет собой процесс накопления более 0,25 % от массы почвы водорастворимых минеральных солей, как нетоксичных (Ca(HCO3)2, CaSO4), так и токсичных (Na2CO3, NaHCO3, Mg(HCO3)2, MgSO4, Na2SO4, NaCl, MgCl2, CaCl2), как правило, в корнеобитаемом верхнем слое [1]. Токсичные соли образуют следующий ряд по степени токсичности по десятибалльной шкале: Na2SO4 – 1; NaHCO3 – 3; MgSO4 – 3–5; MgCl2 – 3–5; NaCl –
5–6; Na2CO3 – 10 [1]. Водорастворимые соли в почвах увеличивают их физиологическую сухость, при этом вода засоленных почв для многих растений оказывается недоступной вследствие высокого осмотического давления почвенного раствора [2]. В работе [3] показано негативное влияние хлорида и сульфата калия, внесенных в качестве удобрений в почву, на физиологическое состояние ели и сосны в осушаемых древостоях и на суходольных почвах в северотаежных фитоценозах. Карбонаты кальция и магния уменьшают почвенную кислотность и повышают значения pH почв. При значениях pH более 7,5 происходят затруднения в усвоении растениями некоторых элементов питания, таких как марганец, железо, цинк и медь [4]. Несмотря на это, в работах [5, 6] показана высокая агроэкологическая эффективность известкования почв, отмечается положительное действие на растения кальцийсодержащих отходов промышленности в качестве удобрений, содержащих известь [5], а также природных материалов, обогащенных кальцием и магнием [7–9].
Цель исследования – изучить сезонную динамику концентраций солей и установить взаимосвязи между концентрациями токсичных солей в техногенной почве, соотношением содержаний различных солей и физиологическим состоянием двух декоративных видов елей, таких как карликовая ель Picea Canadensis Conica и голубая колючая ель Picea Pungens Glauca, произрастающих на данной почве в урбанизированной среде.
Объекты и методы. Изучена сезонная динамика концентраций солей в техногенной почве, на которой с 2016 г. производится выращивание двух видов декоративных елей, указанных выше. Выращивание древесных растений производится без применения удобрений, их полив производится только дождевой водой. Участок расположен в селитебной зоне Октябрьского района г. Иркутска (Иркутская область).
Отбор проб техногенной почвы для определения гранулометрического и химического состава проведен методом конверта в летний период. Гранулометрический состав почвы определен ситовым методом [10]. Химический состав (концентрации породообразующих оксидов Na2O, MgO, Al2O3, SiO2, P2O5, K2O, CaO, TiO2, MnO, Fe2O3(общ), а также S(общ) и Cl) определен методом рентгенофлуоресцентного анализа (РФА) с помощью спектрометра S8 TIGER (Bruker AXS, Германия) [11]. Потери при прокаливании определены при 1000 °C. Концентрация органического углерода (Cорг.) определена методом И.В. Тюрина [12]. Отбор проб для получения и анализа водных и солянокислых почвенных вытяжек проведен с глубины 5 см из нескольких точек у стволов исследуемых молодых елей двух видов возрастом 5–7 лет.
Пробы почвы отбирались в 2019 г. несколько раз: до наступления вегетационного периода, в апреле, после схода снежного покрова, затем в середине периода, в июле, а также после его окончания, в октябре, до установления снежного покрова. Следует отметить, что зима 2018–2019 гг. была очень холодной и малоснежной, в марте 2019 г. температура была выше нормы на несколько градусов, на карликовых елях Picea Canadensis Conica было зафиксировано больше ожогов, чем в предыдущие годы. В водных вытяжках определение концентраций ионов выполнено по стандартным методикам [12]: ионов HCO3- – методом титрования раствором H2SO4 c метиловым оранжевым, ионов Cl- – аргентометрическим методом Мора, ионов SO42- – грави-метрическим (весовым) методом, ионов Ca2+ и Mg2+ – комплексометрическим методом, ионов Na+ – методом фотометрии пламени. Проведен расчет общего содержания водорастворимых солей (Sвр). Значения pH образцов почв установлены в водных вытяжках потенциометрическим методом с помощью иономера ЭВ-74, так как возникают трудности при определении pH в суспензии, связанные с необходимостью устранения влияния диффузионного потенциала. Общее содержание карбонатов (Sкр), концентрации CaCO3, MgCO3 и FeCO3 были рассчитаны по полученным содержаниям CaO, MgO и FeO из солянокислых вытяжек, приготовленных из отобранных образцов почвы. Определение концентраций CaO было проведено объемным оксалатным методом, содержаний MgO – весовым фосфатным методом, концентраций FeO – с применением сульфосалициловой кислоты [12]. В пробах дождевой воды определение концентраций ионов выполнено с помощью следующих методов [13]: ионов HCO3- – методом титрования раствором HCl с метиловым оранжевым, ионов Cl- – меркуриметрическим титрованием, ионов SO42- – нефелометрическим методом, ионов Ca2+ и Mg2+ – комплексометрическим методом, ионов K+ и Na+ – атомно-абсорбционным методом.
Результаты и их обсуждение. По гранулометрическому составу исследуемая техногенная почва относится к сильнокаменистым песчаным почвам согласно классификации Н.А. Качинского [14], поскольку содержание фракции (> 3 мм) составляет 18 %, фракция (3–1) мм – 24,75, крупнопесчаная фракция (1–0,5 мм) – 9,87, крупно-среднепесчаная фракция (0,50–0,25 мм) – 32,99, фракция (0,25–0,1 мм) – 9,87 %. Суммарное содержание фракций с размером частиц более 0,1 мм составляет 95,48 %. В химическом составе исследуемой техногенной почвы выявлены следующие концентрации породообразующих оксидов (%): SiO2 – 61,29, Al2O3 – 11,36, Na2O – 2,50, K2O – 2,48, CaO – 2,20, MgO – 1,19, TiO2 – 0,438, MnO – 0,074, Fe2O3(общ) – 3,168, P2O5 – 0,512 соответственно. Содержание S(общ) составляет 0,086 %, концентрация Cl – 0,0060 %. Высокие концентрации биогенных элементов, таких как фосфор и сера, в техногенной почве могут быть связаны с бактериальным разложением органической части отходов, которыми была загрязнена почва. Свидетельством бактериальной деятельности служит наличие FeCO3 в почве [15]. В техногенной почве наблюдается присутствие частиц угля размером более 2 мм, что обуславливает довольно высокое содержание Cорг. (2,93 %) по сравнению с природными песчаными почвами [14]. Суммарное содержание карбонатных солей, превышающее 10 %, и высокая концентрация Cорг. составляют высокое значение потери при прокаливании (15,08 %). Общая сумма составляет 100,39 %.
Суммарные концентрации карбонатных солей (Sкр) (7,14–14,49 %) также являются высокими в образцах техногенной почвы, отобранных из приствольных кругов выращиваемых елей (табл. 1).
Таблица 1
Концентрации CaCO3, MgCO3 и FeCO3 (%) в образцах техногенной почвы,
отобранных из приствольных кругов декоративных елей,
и физиологическое состояние древесных растений
|
Время и место отбора |
CaCO3 |
MgCO3 |
FeCO3 |
Sкр |
CaCO3 : MgCO3 |
Физиологическое состояние |
|
Апрель, приствольные круги Picea Canadensis Conica |
1,99 |
6,11 |
5,39 |
13,49 |
1 : 3,1 |
Наблюдаются солнечные ожоги |
|
Июль, приствольные круги Picea Canadensis Conica |
2,99 |
1,53 |
5,55 |
10,07 |
2 : 1 |
Залеченные ожоги |
|
Октябрь, приствольные круги Picea Canadensis Conica |
3,99 |
1,05 |
3,78 |
8,82 |
3,8 : 1 |
Здоровые древесные растения |
|
Апрель, приствольные круги Picea Pungens Glauca |
4,98 |
0,76 |
4,99 |
10,73 |
6,6 : 1 |
Здоровые древесные растения |
|
Июль, приствольные круги Picea Pungens Glauca |
3,99 |
2,29 |
8,21 |
14,49 |
1,7 : 1 |
Здоровые древесные растения |
|
Октябрь, приствольные круги Picea Pungens Glauca |
1,99 |
1,53 |
3,62 |
7,14 |
1,3 : 1 |
Здоровые древесные растения |
В середине вегетационного периода, в июле, среди карбонатов преобладает FeCO3 в техногенной почве, отобранной из приствольных кругов двух рассматриваемых видов елей (см. табл. 1). В данный период почва является более увлажненной, поскольку с середины мая до середины августа производится обильный дополнительный полив (помимо осадков) в вечернее время предварительно собранной дождевой водой карликовых елей и голубых колючих елей при повышении температуры воздуха более 25 °C, поскольку засуха негативно влияет на физиологическое состояние хвойных древесных растений [16–18]. При этом в дополнительном поливе в большей степени нуждаются карликовые ели с ежегодным приростом около 3 см, которые обладают тонкой мягкой хвоей, подверженной солнечным ожогам в весенний период (март, апрель), в отличие от голубых колючих елей с ежегодным приростом 15 см. Обильный дополнительный полив, включающий как дождевание кроны, так и увлажнение почвы в приствольных кругах, способствовал восстановлению карликовых елей. В почве, отобранной в апреле в приствольных кругах карликовых елей с ожогами, CaCO3 : MgCO3 составило 1 : 3,1, в то время как в почве, отобранной в июле от этой же группы карликовых елей с залеченными ожогами, CaCO3 : MgCO3 – 2 : 1 (см. табл. 1). В октябре в почве, отобранной от здоровых карликовых елей, CaCO3 : MgCO3 составило 3,8 : 1. В почве, отобранной из приствольных кругов голубых колючих елей, напротив, происходит снижение содержаний CaCO3 и увеличение концентраций MgCO3, при этом CaCO3 : MgCO3 изменяется от 6,6 : 1, которое наблюдалось в апреле, до 1,3 : 1 в октябре (см. табл. 1).
Общее содержание водорастворимых солей (Sвр) в отобранных образцах техногенной почвы, полученное в результате химического анализа водной вытяжки, не превышает 0,350 %. Наименьшие значения Sвр (0,157 и 0,194 %) наблюдаются в середине вегетационного периода, в июле, что связано с интенсивным вымыванием водорастворимых солей дождевой водой, которая по ионному составу является гидрокарбонатной кальциевой, минерализация не превышает 25 мг/л, среднее значение pH дождевой воды равно 6,9. Это значение pH дождевой воды очень близко к значениям pH в образцах техногенной почвы, отобранной из приствольных кругов елей двух видов. Следует отметить, что в июле залеченным ожогам у карликовых елей соответствует минимальная величина Sвр (0,157 %) (табл. 2).
По результатам химического анализа водной вытяжки были рассчитаны концентрации нетоксичных и токсичных солей [19], определены тип и степень засоления (табл. 3).
Таблица 2
Результаты химического анализа водной вытяжки в образцах техногенной почвы,
отобранных из приствольных кругов декоративных елей,
и физиологическое состояние древесных растений
|
Параметр |
Время отбора и древесные растения, из приствольных кругов которых отобрана почва |
|||||
|
Апрель, Picea Canadensis Conica |
Июль, Picea Canadensis Conica |
Октябрь, Picea Canadensis Conica |
Апрель, Picea Pungens Glauca |
Июль, Picea Pungens Glauca |
Октябрь, Picea Pungens Glauca |
|
|
HCO3- |
0,80 |
0,56 |
0,96 |
0,32 |
0,40 |
0,40 |
|
0,049 |
0,034 |
0,058 |
0,019 |
0,024 |
0,024 |
|
|
Cl- |
1,18 |
0,59 |
1,48 |
1,92 |
0,29 |
1,78 |
|
0,041 |
0,021 |
0,052 |
0,067 |
0,010 |
0,062 |
|
|
SO42- |
3,44 |
1,23 |
2,19 |
2,50 |
2,19 |
2,39 |
|
0,165 |
0,059 |
0,105 |
0,132 |
0,105 |
0,115 |
|
|
Ca2+ |
1,20 |
1,20 |
0,80 |
2,00 |
0,80 |
1,60 |
|
0,024 |
0,024 |
0,016 |
0,040 |
0,016 |
0,032 |
|
|
Mg2+ |
3,62 |
0,80 |
0,74 |
1,23 |
0,82 |
2,38 |
|
0,044 |
0,010 |
0,009 |
0,015 |
0,010 |
0,029 |
|
|
Na+ |
0,57 |
0,38 |
3,09 |
1,51 |
1,26 |
0,59 |
|
0,013 |
0,008 |
0,071 |
0,034 |
0,029 |
0,014 |
|
|
Cl- / SO42- |
0,34 |
0,48 |
0,68 |
0,77 |
0,13 |
0,74 |
|
Sвр |
0,336 |
0,157 |
0,313 |
0,297 |
0,194 |
0,277 |
|
pH |
7,2 |
7,0 |
7,0 |
6,8 |
7,0 |
6,8 |
|
Физиологическое состояние |
Наблюдаются солнечные ожоги |
Залеченные ожоги |
Здоровые древесные растения |
Здоровые древесные растения |
Здоровые древесные растения |
Здоровые древесные растения |
Примечание: верхняя строка – содержание компонентов, мг/экв; нижняя строка – содержание, %; отношение анионов Cl– / SO42– рассчитано в мг/экв.; Sвр – общее содержание водорастворимых солей, %.
Таблица 3
Концентрации нетоксичных и токсичных солей (%), тип и степень засоления
и физиологическое состояние древесных растений
|
Время и место отбора |
Сумма нетоксичных солей |
Сумма токсичных солей |
*Порог токсичности (незасоленные почвы) [20] |
Степень засоления и тип |
Физиоло-гическое состояние |
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
|
Апрель, приствольные круги Picea Canadensis Conica |
0,092 (Ca(HCO3)2, CaSO4) |
0,244 (Na2SO4, MgSO4, MgCl2) |
< 0,3 < 0,15 |
Слабая, сульфатный (гипсовый) |
Солнечные ожоги |
|
Июль, приствольные круги Picea Canadensis Conica |
0,089 (Ca(HCO3)2, CaSO4) |
0,068 (Na2SO4, MgSO4, MgCl2) |
< 0,3 < 0,15 |
Отсутствует засоление |
Залеченные ожоги |
|
Октябрь, приствольные круги Picea Canadensis Conica |
0,065 Ca(HCO3)2 |
0,248 (Na2SO4, NaCl, Mg(HCO3)2, MgCl2) |
< 0,2 < 0,1 |
Слабая, хлоридно-сульфатный |
Здоровые древесные растения |
Окончание табл. 3
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
|
Апрель, приствольные круги Picea Pungens Glauca |
0,140 (Ca(HCO3)2, CaSO4) |
0,157 (Na2SO4, NaCl, MgCl2) |
< 0,2 < 0,1 |
Слабая, хлоридно-сульфатный |
Здоровые древесные растения |
|
Июль, приствольные круги Picea Pungens Glauca |
0,060 (Ca(HCO3)2, CaSO4) |
0,134 (Na2SO4, MgSO4, MgCl2) |
< 0,3 < 0,15 |
Отсутствует засоление |
Здоровые древесные растения |
|
Октябрь, приствольные круги Picea Pungens Glauca |
0,114 (Ca(HCO3)2, CaSO4) |
0,163 (Na2SO4, MgSO4, MgCl2) |
< 0,2 < 0,1 |
Слабая, хлоридно-сульфатный |
Здоровые древесные растения |
Примечание: *в числителе – общая сумма солей, %; в знаменателе – сумма токсичных солей, %.
Как видно, в апреле и октябре наблюдается слабая степень засоления. В основном преобладает хлоридно-сульфатный тип, а сульфатный (гипсовый) был выявлен при солнечных ожогах карликовых елей в апреле (табл. 3). Выявлены колебания суммарных концентраций нетоксичных солей кальция (Ca(HCO3)2, CaSO4) в почве (табл. 3). Суммарные концентрации Ca(HCO3)2 и CaSO4 во всех случаях меньше суммарных концентраций токсичных солей натрия и магния (см. табл. 3), что может быть связано с более высокой подвижностью катиона кальция среди всех катионов, способных мигрировать в почвах [21]. Установлено, что в апреле и октябре в образцах техногенной почвы, отобранных из приствольных кругов карликовых елей, содержится в 1,5–1,6 раза больше токсичных солей натрия и магния, чем в образцах техногенной почвы из приствольных кругов голубых колючих елей (табл. 3). Выявлено, что в техногенной почве из приствольных кругов карликовых елей происходит снижение концентрации токсичных солей магния (Mg(HCO3)2, MgSO4, MgCl2) от 0,204 % в апреле до 0,039 % в октябре. В техногенной почве из приствольных кругов голубых колючих елей, напротив, наблюдается увеличение суммарного содержания сульфата и хлорида магния с 0,059 % в апреле до 0,121 % в октябре.
Заключение
1. Дополнительный полив дождевой водой с низкой минерализацией приводил к вымыванию водорастворимых солей, в том числе и токсичных, из верхнего почвенного горизонта в середине вегетационного периода, в июле, а также способствовал залечиванию ожогов у карликовых елей Picea Canadensis Conica.
2. Для нормального развития карликовых елей Picea Canadensis Conica необходим контроль за концентрациями токсичных солей магния (MgSO4, MgCl2) в почве, а также за CaCO3 : MgCO3, которое в почве, отобранной из приствольных кругов у здоровых елей данного вида изменяется от 2 : 1 до 3,8 : 1.
3. Голубые колючие ели Picea Pungens Glauca относятся к одному из устойчивых видов к условиям произрастания в урбанизированной среде. Увеличение концентрации токсичных солей магния (MgSO4, MgCl2) после окончания вегетационного периода, а также резкие колебания CaCO3 : MgCO3 в техногенной почве из приствольных кругов этих елей, которое изменялось от 6,6 : 1 в апреле до 1,3 : 1 в октябре, не отразились на физиологическом состоянии елей данного вида.
1. Манжина С.А. К вопросу выявления химизма и степени засоления почв: российские и зарубежные практики // Мелиорация и гидротехника. 2021. № 3 (11). С. 163–181. DOI:https://doi.org/10.31774/2712-9357-2021-11-3-163-181.
2. Кулакова Н.Ю., Шабанова Н.П. Засоление почв – одна из проблем городского озеленения // Актуальные проблемы лесного комплекса. 2019. № 54. С. 127–131.
3. Коновалов В.Н., Зарубина Л.В. Влияние хлорсодержащих удобрений на метаболизм ели и сосны в северотаежных фитоценозах // ИВУЗ. Лесной журнал. 2017. № 3. С. 100–113. DOI:https://doi.org/10.17238/issn0536-1036.2017.3.100.
4. Ромодина Л.В., Лапушкин В.М. Агрохимия в декоративном садоводстве: учеб. пособие. М.: Росинформагротех, 2017. 140 с.
5. Аканова Н.И., Шильников И.А. Проблема химической мелиорации почв в земледелии Российской Федерации // Плодородие. 2018. № 2(101). С. 9–11. DOI:https://doi.org/10.25680/S19948603. 2018.101.04.
6. Сычев В.Г., Аканова Н.И. Современные проблемы и перспективы химической мелиорации кислых почв // Плодородие. 2019. № 1 (106). С. 3–7. DOI:https://doi.org/10.25680/S19948 603.2019.106.01.
7. Влияние кальцийсодержащего природного материала на состояние бурых лесных кислых почв и растений чая (Саmellia sinensis (L.) Kuntze) в субтропиках России / Л.С. Малюкова [и др.] // Агрохимия. 2020. № 12. С. 3–10. DOI:https://doi.org/10.31857/S0002188120120054.
8. Динамика содержания обменных катионов кальция и магния в дерново-подзолистой легкосуглинистой почве, мелиорируемой различными по размеру фракциями доломита (эмпирические модели процесса подкисления) / А.В. Литвинович [и др.] // Агрохимия. 2018. № 3. С. 50–61. DOI: 10.7868/ S0002188118030079.
9. Мелиоративные свойства, удобрительная ценность и скорость растворения в почвах различных по размеру фракций отсева доломита, используемого для дорожного строительства / А.В. Литвинович [и др.] // Агрохимия. 2016. № 2. С. 31–41.
10. Крамаренко В.В. Грунтоведение. М.: Юрайт, 2016. 430 с.
11. Shtel'makh S.I. Geochemical features of the quaternary deposits of the Irkutsk’s reservoir zone under technogenic conditions // Journal of Geological Resource and Engineering. 2018. № 6. P. 210–216. DOI:https://doi.org/10.17265/2328-2193/2018.05.003.
12. Аринушкина Е.В. Руководство по химичес-кому анализу почв. 2-е изд. М.: Изд-во МГУ, 1970. 488 с.
13. Резников А.А., Муликовская Е.П., Соколов И.Ю. Методы анализа природных вод. М.: Недра, 1970. 488 с.
14. Вальков В.Ф., Казеев К.Ш., Колесников С.И. Почвоведение: учеб. для вузов. М.; Ростов-н/Д.: МарТ. 2006. 496 с.
15. Водяницкий Ю.Н. Соединения железа и их роль в охране почв / Почвенный институт им. В.В. Докучаева Россельхозакадемии. М., 2010. 155 с.
16. Сапанов М.К., Сиземская М.Л. Климатогенные ограничения аридного лесовыращивания // Лесоведение. 2020. № 1. С. 46–54. DOI:https://doi.org/10.31857/S0024114820010131.
17. Усыхание темнохвойных древостоев Прибайкалья / В.И. Харук [и др.] // Сибирский экологический журнал. 2016. Т. 23, № 5. С. 750–760. DOI:https://doi.org/10.15372/SEJ20160512.
18. Тихонова И.В, Корец М.А. Изменчивость метеорологических условий произрастания хвойных пород в Средней Сибири с 1960 г. // Лесоведение. 2021. № 2. С. 173–186. DOI:https://doi.org/10.31857/S002411482102008X.
19. Воеводина Т.С., Русанов А.М., Васильченко А.В. Мелиорация почв степной зоны. Оренбург: Оренбург. гос. ун-т, 2014. 191 c.
20. Панкова Е.И., Воробьева Л.А. Диагностика и критерии оценки засоления почв // Засоленные почвы России. М.: Академкнига, 2006. С. 6–50.
21. Миграционная подвижность органического вещества и Ca в дерново-подзолистой супесчаной почве, произвесткованной различными дозами мела / Литвинович А.В. [и др.] // Агрохимия. 2020. № 8, С. 3–12. DOI:https://doi.org/10.31857/S0002188120080049.
