Введение

Применение противогололёдных реагентов (ПГР) является неотъемлемой частью мероприятий по зимнему содержанию дорог. Но при этом происходит устойчивое засоление почв, меняются их химический и элементный состав, структура и свойства, снижается плодородие, уничтожается микрофлора и микрофауна — происходит общая деградация почвенной экосистемы. Это ведет к гибели растений, произрастающих на таких загрязненных почвах, и к целому ряду других экологических последствий. Особенности действия на растительность новых и широко рекламируемых ПГР, таких как Бионорд, изучено недостаточно и вызывает необходимость более детальных исследований.

Обзор литературы

В настоящее время ПГР применяют как в городах, так и на дорогах. Несмотря на достаточно жесткий регламент их использования [16] и обязательное прохождение Государственной экологической экспертизы, в результате применения реагентов происходит ухудшение эколого-геологических условий придорожных территорий. Продукты гидролиза дорожных солей в атмосферных осадках отбрасываются на обочины дорог, в весенний период, при снеготаянии, проникают в почвы, вызывая их засоление. Растворы ПГР обладают высокой фитотоксичностью в отношении газонных трав, что приводит к деградации травянистых сообществ на обочинах дорог. Таким образом, применение ПГР является необходимой мерой для обеспечения безопасности дорожного движения и пешеходов, но несет в себе как экологические, так и экономические риски.

Степень воздействия ПГР на почвы и растительность зависит от ряда факторов: состава ПГР, концентрации реагентов, регулярности их применения, своевременного вывоза снега и т. д.

Нормативы по применению ПГР далеко не всегда соблюдаются. Это ведет к засолению и деградации почв, негативно влияет на газонные травы и деревья городского озеленения. Изменяется гранулометрический состав почвы, нарушается газовый режим и уменьшается водопроницаемость, все это приводит к снижению плодородия почвы [4, 14]. В ряде работ показано, что хлорид-ионы достаточно быстро вымываются из загрязнённой почвы. Это связано с высокой растворимостью хлоридов и слабой удерживающей способностью почвы по отношению к хлорид-иону [7]. Несмотря на это, остаточное содержание хлорид-ионов после вымывания наиболее подвижной части хлоридов часто превышает значение ПДК (50мг/л).

Ежегодное использование антигололедных средств в городах приводит к тому, что соли сохраняются в профилях почв до начала нового зимнего периода. Особенно это сказывается в засушливые годы. По данным Кулаковой Н. Ю. и соавт. [4] засолением охвачены даже почвы, находящиеся вне основной зоны поступления реагентов, удаленные от тротуаров на 3–20 м. Показатели степени и химизма засоления городских почв, в ряде случаев, близки к пороговым для адаптационной способности растений [4, 13].

Таким образом, для минимизации последствий важно сочетать эффективное использование ПГР с продуманным подходом к их применению и мониторингом состояния окружающей среды.

Соли влияют на рост растений, повышая осмотическое давление в почве и препятствуя питанию растений. Высокая концентрация солей в почвенном растворе снижает способность растений поглощать воду, что называется осмотическим эффектом или эффектом дефицита воды при засолении. Отрицательное действие высокой концентрации солей сказывается раньше всего на корневой системе растений. При этом в корнях страдают наружные клетки, непосредственно соприкасающиеся с раствором соли. Корни растений при избытке солей теряют тургор и отмирают.

Засоление оказывает большое влияние на поглощение корнями растений помимо засоляющих ионов других веществ. У разных видов растений, как правило, наблюдается торможение поглощения многих элементов минерального питания, но в еще большей степени их транспорт в надземные органы и метаболическое использование.

Снижение продуктивности растений в условиях хлоридного засоления определяется угнетением их роста, который является интегральной характеристикой реакции растений на изменение окружающей среды. Степень угнетения растений и снижения биомассы находится в прямой зависимости от концентрации соли в субстрате и продолжительности засоления [15]. У многолетних травянистых растений засоление почвы может вызвать изменение видового состава фитоценоза. Это может приводить к снижению биоразнообразия и ухудшению экологического состояния территории.

Избыток солей может изменять строение клеток, что негативно сказывается на работе хлоропластов — органелл, ответственных за фотосинтез. Эксперименты показали, что воздействие реагентов снижает интенсивность выделения кислорода, что связано с процессом фотосинтеза. Солевой стресс проявляет различное тормозящее влияние на биоэнергетические процессы фотосинтеза, подавляя раскрытие устьиц, препятствуя ассимиляции СО2, блокируя электрон-транспортную цепь, внося изменения в экспрессию генов, связанных со стрессом [2, 8].

Исследования, касающиеся влияния засоления на содержание хлорофилла, весьма противоречивы. По мнению некоторых авторов, содержание хлорофилла у растений при засолении среды снижается [6, 8, 12]. В некоторых исследованиях уменьшение содержания хлорофилла отмечается только под воздействием высоких концентраций солей. При этом имеются данные, что чувствительность хлорофиллов а и b различна. Уменьшение содержания зеленых пигментов можно рассматривать как фактор, снижающий интенсивность фотосинтеза.

Приведенные выше исследования показывают, что солевой стресс проявляет различное тормозящее влияние на биоэнергетические процессы фотосинтеза, подавляя раскрытие устьиц, препятствуя ассимиляции СО2, блокируя электрон-транспортную цепь, внося изменения в экспрессию генов, связанных со стрессом.

Материалы и методы

Противогололёдное средство Бионорд было любезно предоставлено сотрудниками МАУ «Благоустройство» г. Обнинска. Состав ПГС Бионорд — Хлорид натрия 75,1 %. (Не более 80 %), Хлорид кальция 15,2 %. (Не более 50 %), Формиат натрия 6,8 %. (Не более 35 %), Хлорид калия 2,9 %. (Не более 25 %). рН противогололёдного реагента — 7,45

Образцы почв отбирали методом конверта на газонах г. Обнинска, на улицах с наибольшей автотранспортной нагрузкой, где в зимнее время применяются ПГР (пр. Ленина, пр. Маркса, ул. Курчатова). В качестве контроля были взяты пробы в Гурьяновском лесу и в лесу возле спорткомлекса Олимп. Для модельного эксперимента на дачном участке на снег поверх экспериментальной грядки в марте внесли ПГС Бионорд из расчета 600г/м2. Водные вытяжки почв готовили по стандартной методике.

Определяли типы окраски почв по треугольнику Захарова и гранулометрический состав по Качинскому [10]. В водных вытяжках образцов почв определяли значения рН и наличие хлоридов полуколичественным методом по реакции с нитратом серебра. В вытяжках методом рулонов проращивали семена кресс-салата и ячменя. В качестве контроля использовали отстоявшуюся водопроводную воду. Определяли всхожесть семян, у проростков на 8 день определяли суммарную сырую массу корней и надземной части проростков.

Для оценки содержания фотосинтетических пигментов побеги и листья растирали в 80 %-ном ацетоне и фильтровали. Оптическую плотность раствора измеряли на спектрофотометре КФК-3 в кювете объемом 5 мл против чистого 80 % ацетона при длинах волн 665 для хлорофилла а, 649 для хлорофилла в и 470 для каротиноидов. Содержание пигментов в экстрактах рассчитывали по формулам Lichtenthaler (1987) в 80 % ацетоне:

С _хла , мг/л = 12,21▪D _663– 2,81 ▪D ₆₄₆ ,

С _хлb , мг/л = 20,13▪ D _646– 5,03 ▪D ₆₆₃ ,

Cкар, мг/л = 1000D470–3, 27Схла — 100 Схлb,

Затем вычисляли содержание пигментов А в растительном материале в мг/г сырой массы: А = VС/1000P, где С — концентрация пигментов, мг/л; V — объем вытяжки, мл; Р — навеска растительного материала, г.

Результаты и обсуждение

Таблица 1

Характеристика образцов почвы

Установлено, что большинство образцов почв являются суглинками, наиболее темный цвет почвы характерен для образцов, взятых в лесу. Значения рН вытяжек в основном были в пределах 5.5–6.0 в пробах почв с уличных газонов и ближе к нейтральным показателям в лесу и на дачном участке. Засоление кислой дерново-подзолистой почвы приводит к ещё большему её подкислению, как показано в работе [5] и подтверждается нашими результатами.

Тёмный цвет почвы в основном обусловлен наличием гумусовых веществ — органических соединений, образующихся в процессе разложения растительных и животных остатков. Естественно, что почвы в лесу и на дачном участке имели более темный цвет, так как там остаются все опавшие листья, отмершие части растений и происходит образование перегноя в отличие от городских газонов.

Во всех вытяжках почв, кроме пробы из Гурьяновского леса, были обнаружены хлориды с концентрацией в диапазоне 50–100мг/л. При этом следует учесть, что зима предыдущего года была очень малоснежной и ПГР применяли намного реже, чем обычно. Наличие хлоридов в почве из леса у комплекса Олимп скорее всего можно объяснить использованием ПГР на прилежащей к комплексу территории с последующим попаданием при таянии снега и после дождей хлоридов в почвы даже на определенном расстоянии.

В предварительных экспериментах по проращиванию семян в растворах Бионорд с различной концентрацией мы установили, что кресс-салат весьма чувствителен к наличию солей, прорастание семян и нормальное развитие проростков происходило в растворах с концентрацией не выше 1 %. Ячмень оказался более резистентным, его семена прорастали и развивались в растворах Бионорд до 2 %.

Всхожесть семян в вытяжках почв составила 90–100 %. Далее на 8 день определяли вес сырой массы проростков, отдельно корневой системы и надземной части растений и содержание пигментов.

Таблица 2

Вес сырой массы проростков кресс-салата и содержание в них пигментов фотосинтеза (мг/г сырой массы) при выращивании в водных вытяжках почв

Результаты показали, что при прорастании в вытяжках из почв газонов по сравнению с контролем снизилась сырая масса корней проростков, сильнее всего в пробе с пр. Маркса. Сырая масса побегов и листьев также снизилась, но в меньшей степени, что еще раз доказывает, что засоление влияет на корневую систему сильнее, чем на надземную часть растений [12]. Концентрация пигментов также уменьшилась, особенно в пробе с пр. Маркса, причем, для хлорофилла а значительнее, чем для хлорофилла в, что совпадает с данными многих работ [6, 8, 11]. Содержание каротиноидов также снизилось во всех экспериментальных пробах.

Помимо засоления городских почв, негативное влияние на развитие растений оказывает автотранспортная нагрузка и выявить отдельное влияние этих загрязнителей весьма сложно. Поэтому, чтобы установить эффект именно засоления почвы, был проведен полевой эксперимент на дачном участке, где автотранспортное загрязнение отсутствует.

На экспериментальную грядку в марте было внесено средство Бионорд из расчета 600г/м2. Мы исходили из результатов работ, которые показали, что в Москве количество ПГР, внесенных за зимний период, варьирует от 850 до 1000 г/м2 в зависимости от особенностей зимнего сезона [4].

На грядке с ПГР кресс-салат не вырос, что еще раз подтверждает его высокую чувствительность к засолению. Семена ячменя проросли на обеих грядках, на 8 день мы взяли часть проростков и провели определение показателей. Другую часть растений оставили и в течение лета наблюдали за их развитием. Как и ожидалось, растения ячменя на контрольной грядке развивались быстрее, их высота была больше, цветение и образование семян произошло раньше.

Результаты полевого опыта представлены в таблице 3.

Таблица 3

Вес сырой массы проростков ячменя и содержание пигментов фотосинтеза (мг/г сырой массы) при выращивании в водных вытяжках почв и на дачном участке

При проращивании ячменя в вытяжках городских почв, показатели как сырой массы, так и содержания пигментов снизились незначительно, но при этом худшие показатели были в пробе с пр. Маркса, как и для кресс-салата.

Наилучшие показатели в контроле были у растений, выращенных на дачном участке, так как там почва более плодородная, чем на городских газонах и отсутствует антропогенные загрязнители. При этом проявилось влияние внесённого в почву ПГР. Из результатов в табл. 3 видно, что засоление почвы привело к уменьшению сырой массы корней на 26 % и для листьев и побегов — на 21 %. Также снизилось и содержание пигментов фотосинтеза на 8–10 % для хлорофиллов и на 19 % для каротиноидов. Так как в этом эксперименте отсутствовали другие антропогенные воздействия кроме внесения ПГР в почву, можно полагать, что эффект вызван именно засолением почвы.

В работе Романова И. В. [9] показано, что даже при небольших значениях минерализации почв после применения ПГР (1 г/л) наблюдается угнетение растительности. Помимо уменьшения доли проросших семян, происходит также усыхание и полегание некоторых стеблей, уменьшается длина ростков, и по мере увеличения концентрации раствора усиливался и наблюдаемый токсический эффект. Показатель биомассы растений является в этой ситуации наиболее информативным и ярко отражающим условия вегетации растений в угнетенном состоянии.

В ряде работ с ячменем [11,2] установлено, что воздействие на проростки умеренной (100 мМ) и высокой (200 мМ) концентраций NaCl в течение 7 суток приводило к замедлению роста их корней и побегов. Под воздействием высокой концентрации NaCl содержание пигментов, а также устьичная проводимость заметно снижались. Наиболее чувствительными к присутствию хлорида натрия являются такие легко регистрируемые морфо-физиологические показатели, как линейный размер побега и его сырая биомасса, а также снижение скорости фотосинтеза [1,11].

Таким образом, противогололёдные реагенты негативно действуют на травянистые растения различных семейств и могут являться проблемой городского озеленения, что в свою очередь требует получения более резистентных к солям газонных трав для использования в городских условиях [3].

Выводы

1. Почвы городских газонов, в основном, являются суглинками, имеют светло-коричневый цвет и рН 5–6. Почвы из леса и дачного участка более темные и значения рН ближе к нейтральным.
2. Наличие хлоридов в диапазоне от 10 до 50 мг/л выявлено во всех образцах водных вытяжек кроме почвы из Гурьяновского леса (1–10 мг/мл)
3. 3.Сырая масса и содержание пигментов фотосинтеза у кресс-салата снижены при проращивании в вытяжках городских почв по сравнению с контролем. На дачном участке после внесения Бионорд в почву семена кресс-салата не проросли.
4. Показатели ячменя при проращивании в вытяжках городских почв уменьшились незначительно — на 10–15 %.
5. При экспериментальном засолении почвы на дачном участке показатели сырой массы растений ячменя снизились на 26 % и на 21 % соответственно для корней и надземной части. Содержание пигментов фотосинтеза уменьшилось на 5–10 % для хлорофиллов и 20 % для каротиноидов.

Литература:

1. Атабаева, С. Д. Влияние засоления (NaCl) на содержание фотосинтетических пигментов у сортов ячменя (Hordeum vulgare L.) и пшеницы ( Triticum aestivum L.)/ Атабаева С.Д, Жардамалиева А.Б, Нурмаханова С. Д. — Текст: непосредственный // Вестник КазНУ. Серия биологическая. — 2014. — № 1/2(60).

2. Герасимов, А. О. Оценка действия противогололедных реагентов разного химического состава на рост травянистых растений и почвенное дыхание / А. О. Герасимов, М. В. Чугунова. — Текст: непосредственный // Биосфера. — 2018. — № 10(4). — С. 273–281.

3. Гладков, Е. А. Влияние противогололедных реагентов на газонные травы / Е. А. Гладков, С. В. Евсюков, Н. И. Шевякова. — Текст: непосредственный // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. — 2018. — С. 45–48.

4. Кулакова, Н. Ю. Засоление почв — одна из проблем городского озеленения / Н. Ю. Кулакова, Н. П. Шабанова. — Текст:непосредственный // Актуальные проблемы лесного комплекса. — 2019.

5. Михеева, Е. Изучение влияния засоления на подзолистую почву в условиях города и модельных лабораторных опытах / Е. Михеева, Н. Морозова. — Текст: непосредственный // Сборник материалов IV Межрегиональный конкурс «Инструментальные исследования окружающей среды». — СПБ., 2010. — С. 28–30.

6. Петренко, А. В. Солеустойчивость фотосинтетического аппарата различных по продуктивности сортов ячменя / А. В. Петренко, Г. В. Неведомская. — Текст: непосредственный // Физиологические и биохимические основы солеустойчивости растений. — Ташкент: Фан, 1986. — С. 23.

7. Петров, В. Г. Подвижность хлорид-ионов в дерново-подзолистой почве при загрязнении хлоридами щелочных металлов / В. Г. Петров, В. Д. Ханнанов, Я. А. Балицкий. — Текст: непосредственный // Химическая физика и мезоскопия. — 2019. — № 2. — С. 290–295.

8. Рахматуллина, Н. Ш. Адаптация фотосинтетического аппарата растений к солевому стрессу / Н. Ш. Рахматуллина, П. М. Насриддинова, Н. Г. Акиншина [и др.]. — Текст: непосредственный // Научное обозрение. Биологические науки. — 2022. — № 1. — С. 56–61.

9. Романова, И. В. Оценка динамики засоления почв придорожных территорий вследствие применения противогололёдных реагентов и их влияние на фитоценозы / И. В. Романова. — Текст: непосредственный // Успехи современного естествознания. — 2021. — № 4. — С. 71–76.

10. Рябинина, О. В. Химические, физические и биологические методы исследования почв. Учебное пособие / О. В. Рябинина, Н. В. Матвеева. — Иркутск, 2017. — Текст: непосредственный.

11. Таскина, К. Б. Влияние умеренного и сильного натрий-хлоридного засоления на рост и фотосинтетический аппарат растений ячменя и пшеницы / К. Б. Таскина, Н. М. Казнина, А. Ф. Титов. — Текст: непосредственный // Агрохимия. — 2024. — № 11. — С. 47–55.

12. Таскина, К. Б. Влияние хлоридного засоления на проростки ячменя / К. Б. Таскина, Н. М. Казнина, А. Ф. Титов. — Текст: непосредственный // Агрохимия. — № 5. — С. 70–76.

13. Ушаков, Ф. Влияние противогололедных материалов на растения / Ф. Ушаков. — Текст: непосредственный // Юный ученый. — 2021. — № 11. — С. 29–30.

14. Оценка возможностей использования фосфогипса для повышения устойчивости газонных экосистем в условиях засоления противогололедными реагентами / Д. Д. Хамрик. — Текст: электронный // АгроЭкоИнфо: [сайт].

15. Яковец, О. Г. Фитофизиология стресса / О. Г. Яковец. — Минск: БГУ, 2009. — Текст: непосредственный.

16. ГОСТ Р 58427–2020. Национальный стандарт Российской Федерации Материалы противогололедные для применения на территории населенных пунктов. Официальное издание. М.: Стандартинформ, 2020.