Влияние переувлажнения и засоления на биологические свойства почв Юга России

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата биологических наук

Влияние переувлажнения и засоления на биологические свойства почв Юга России

03.00.27 - почвоведение

Стрелкова Вера Игоревна

Ростов-на-Дону- 2006

Работа выполнена на кафедре экологии и природопользования Ростовского государственного университета

Научный руководитель: доктор географических наук, доцент Казеев Камиль Шагидуллович

Официальные оппоненты: доктор биологических наук Зубкова Татьяна Александровна

доктор географических наук, профессор Елисеева Наталия Волеславовна

Ведущая организация: Новочеркасская государственная мелиоративная академия, г. Новочеркасск

Общая характеристика работы

Актуальность темы. В последние десятилетия отмечается существенное увеличение площади переувлажненных почв, как в Ростовской области, так и в целом на Юге России (Агроэкологический мониторинг …, 1997; Зайдельман и др., 1998; Марченко, 1999; Безуглова, Назаренко, 1998; Штомпель и др., 1999; Хитров, Назаренко, 2000; Хитров и др., 2000; Назаренко, 2002; Омельченко, 2003; Казеев и др., 2004; Тищенко, 2004). Все чаще появляются переувлажненные внепойменные ландшафты, называемые «мочарами» или «мочаками». Довольно часто происходят наводнения и длительное подтопление обширных территорий на Юге России. В связи с этим интересна степень устойчивости разных почв к этому виду воздействия.

Сложность исследования почвенного покрова подобных образований связана с пульсирующим характером затопления и переувлажнения. В отдельные годы верховодка может стоять несколько месяцев, в то время как в засушливые годы не появляется вовсе. При этом даже длительное затопление часто не оставляет видимых изменений в морфологии и химизме зональных почв степей - автоморфных черноземов. Все это приводит к значительной путанице при исследовании почв подобных амфибиальных ландшафтов. При картировании площади переувлажненных и затопленных почв могут изменяться в несколько раз в зависимости от года и, особенно, сезонов исследований. При крупномасштабных исследованиях подобных ландшафтов некоторые исследователи выделяют на нескольких гектарах в зависимости от степени переувлажнения, засоления, почвообразующих пород и т.д. несколько десятков почв, относящихся к разным таксономическим единицам.

Почвенная биота, благодаря высоким динамическим свойствам, первой реагирует на любые воздействия. Это относится и ко вторичному гидроморфизму почв Юга России. Влага, как мощнейший экологический фактор, оказывает многостороннее воздействие на почвенную биоту. При этом, в зависимости от степени и срока воздействия, происходит замена одних организмов другими, происходит перестройка всего биоценоза. Микрофлора и биохимические свойства почв, подверженных переувлажнению, могут значительно реагировать даже при незначительных изменениях режима увлажнения и, что существенно, гораздо быстрее, чем растительность, физические и химические свойства почв.

Цель работы - исследовать изменение биологических параметров при воздействии затопления водой и растворами солей разных почв Юга России, что позволит применять методы биоиндикации для диагностики этих процессов.

Задачи исследования: 1) исследование биологических параметров переувлажненных почв Юга России; 2) выявление изменения биологических свойств почв при затоплении и засолении; 3) определение устойчивости биологических свойств почв Юга России к затоплению; 4) выявление биоиндикаторов для диагностики процессов гидроморфизма.

Объекты и методы исследований. Объектами исследований были разные по генезису и свойствам почвы Юга России. Особое внимание уделяли почвам локально-гидроморфных ландшафтов (мочаров), все более широко распространяющихся на Юге России в последние десятилетия. Кроме того, в работе были исследованы зональные широко распространенные черноземы обыкновенные (Ростовская обл.) и выщелоченные (Краснодарский край), каштановые (Ростовская обл.), бурые лесные (Адыгея), а также интразональные почвы -- рендзины (Абрау-Дюрсо, Краснодарский край) и серопески (Каменский р-н Ростовской обл.). В работе использовали общепринятые в биологии и почвоведении методы (Галстян, 1974, 1978; Хазиев, 1990; Методы почвенной микробиологии и биохимии, 1991; Казеев и др., 2003). В период с 2002 по 2006 гг. были проведены полевые исследования в Ростовской обл., Краснодарском крае и Адыгее, а также серия модельных экспериментов (10 опытов с более чем 50-ю вариантами).

В процессе исследований был применен комплексный подход к изучению различных аспектов биологии почв. Анализировали комплекс природных объектов и процессов, определяющий биоэкологические свойства почвы и их устойчивость к затоплению. Исследование находится на стыке многих наук -- экологии, почвоведения, агрохимии, микробиологии, биохимии, географии, природопользования и охраны окружающей среды. В работе использованы методы полевых и лабораторных исследований, метод моделирования, сравнительно-географический и другие методы.

В работе был использован широкий набор показателей биологического состояния почв: микробиологических (аммонифицирующие и азотфиксирующие бактерии, микроскопические грибы и др.), биохимических (активность почвенных ферментов, продуцирование почвой углекислого газа, целлюлозолитическая активность, гумусное состояние) и др. Кроме того, исследовали рН, соленость растворов и почв и др. Всего было исследовано более 20 показателей. По значениям разных биологических показателей рассчитывали интегральный показатель биологических свойств (ИПБС) почв (Казеев, 1996, 2004; Вальков и др., 1999; Колесников, 2000; Казеев и др., 2003).

Научная новизна работы. Впервые получены данные устойчивости почв Юга России к переувлажнению водой и растворами солей. Отмечен ряд закономерностей реакции почвенной биоты и биологической активности на затопление и засоление черноземов и других почв. Установлены биоиндикаторы процессов гидроморфизма.

Основные защищаемые положения.

· Переувлажнение почв Юга России пресной и минерализованной водой приводит к изменению их биологических свойств. Эффект зависит от условий увлажнения, длительности опыта, химической природы и концентрации растворенных в воде веществ.

· При изменении режима увлажнения с избыточного на оптимальное отмечена тенденция восстановления биологических показателей. Время восстановления определяется продолжительностью предшествующего переувлажнения. Устойчивость почв к затоплению (переувлажнению) зависит от их генезиса и свойств.

· В качестве биоиндикаторов процессов переувлажнения, целесообразно использовать обилие микромицетов и активность оксидоредуктаз.

Практическая значимость работы. Материалы исследований могут быть использованы научными и природоохранными организациями при оценке воздействия на окружающую среду (ОВОС), биоиндикации и биодиагностике вторичного гидроморфизма, биомониторинге состояния почв, естественных и антропогенно-нарушенных экосистем и других научных и природоохранных мероприятий, а также при преподавании дисциплин по экологии, почвоведению, природопользованию, биомониторингу. Настоящие исследования поддержаны Федерально-целевой программой «Интеграция» К0752 (1997-2003), грантом РФФИ 06-05-64722а, грантом Президента РФ МД-1091.2006.4.

Апробация работы. Материалы диссертации были представлены на Всероссийском съезде Докучаевского общества почвоведов (Новосибирск, 2004), конференциях «Ломоносов» (Москва, 2003-2006), «Современные проблемы загрязнения почв» (Москва, 2004), аспирантов и молодых ученых РГУ (Ростов н/Д, 2004; 2005), «Экологические проблемы в сельскохозяйственном производстве» (Персиановский, 2003-2005), «Экология и биология почв» (Ростов-на-Дону, 2004-2006), «Экологические проблемы. Взгляд в будущее» (Ростов-на-Дону-Абрау-Дюрсо, 2004-2006), «Черноземы центральной России: генезис, география, эволюция» (Воронеж, 2004, 2006). «Устойчивость наземных и водных экосистем, Ростов-на-Дону, 2006) и др.

Личный вклад автора. Основу диссертации составляют оригинальные материалы, полученные лично автором в результате экспедиционных, модельных и аналитических исследований (2002-2006 гг.). По теме диссертации опубликовано 26 научных работ (3,0 п.л.). Степень личного участия автора 60%.

Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 145 страницах машинописного текста, содержит 16 таблиц, 33 рисунка, 4 фотографий, список литературы состоит из 152 наименований.

Автор глубоко признателен специалистам за помощь в исследованиях: д.г.н. К.Ш. Казееву, д.б.н. В.Ф. Валькову, д.с.-х.н. С.И. Колесникову, к.б.н. Р.В. Кузнецову, к.б.н. Т.В. Денисовой и всем сотрудникам и аспирантам кафедры экологии и природопользования РГУ.

Содержание работы

Обзор литературы

В главе проведен анализ литературного и фондового материала, посвященного влиянию процессов гидроморфизма на свойства автоморфных почв Юга России. Рассмотрен ряд сопутствующих переувлажнению процессов: оглеение, засоление, уплотнение и др. Особое внимание уделено влиянию процессов гидроморфизма на биологические свойства и процессы в почвах.

Объекты и методы исследований

В данной главе подробно рассмотрены почвы Юга России, исследуемые в данной работе: разные подтипы черноземов, каштановые, серопески, бурые лесные и дерново-карбонатные почвы. Приведены схемы модельных экспериментов, методология и методы исследований. Исследовано действие воды, растворов NaCl, CaCl₂, Na₂SO₄, Na₂CO₃, HCl и др. Диапазон концентраций растворов от 0 до-30 г/л. Исследовали режимы оптимального увлажнения, полного затопления, подтопления снизу по капиллярам, пульсирующее затопление (затопление-подсушивание). Длительность опытов от 14 до 370 суток.

Результаты исследований

Реакция биологических свойств почв на вторичный гидроморфизм

При исследовании локально-гидроморфных почв Юга России было установлено значительное влияние процессов переувлажнения на биологические показатели почв (Казеев и др., 2004). Дальнейшие исследования были посвящены установлению закономерностей изменений биоты, возможности применения биоиндикаторов в диагностике процессов гидроморфизма и оценке устойчивости разных почв Юга России к затоплению и сопутствующему засолению.

При анализе естественно-влажных образцов почв Краснодарского края и Адыгеи при наводнении 2002 г. выявлено снижение обилия микрофлоры. Этот факт позволил предположить возможность применения показателя обилия почвенных микроорганизмов в диагностике переувлажнения почв. Их обилие в длительно затопленном (более, чем на 2 месяца) черноземе было значительно - на порядок меньше, чем в аналогичных черноземах незатопленных окрестностей (рис. 1).

Рис. 1. Влияние двухмесячного затопления на обилие микрофлоры почв, август 2002г., влажные образцы

Однако при высушивании почвенных образцов произошло восстановление численности грибов. Другие показатели микрофлоры затопленной почвы практически не были отличными от других почв Предкавказья (табл. 1). Причем, это касается и качественного состава микромицетов и спорообразующих бактерий, которое практически идентично другим черноземам Предкавказья.

В Краснодарском крае весной в почвах микрозападин под лужами, временно образующихся при таянии снега и выпадении осадков (фото 1), отмечено повышение значений биологических показателей (табл. 2). В то же время в почве гидроцентра мочара П-1 длительно переувлажненного ландшафта, подробно рассмотренной Н.П. Омельченко (2003), биологические показатели были ниже, чем в контрольной почве (фото 2, табл. 2).

Таблица 1

Обилие микрофлоры почв Предкавказья, август 2002 г., сухие образцы

Глубина, см	Гумус, %	Всего бактерий (прямое микро скопирование), млрд./г	Бактерии на СПА млн/г	Грибы, тыс/г	Актино мицеты, тыс/г	Споро Образующие бактерии, млн/г
Чернозем слитой, Белореченск, пашня
0-30	2,74	3,26	0,83	66	60	0,75
Затопленный чернозем, Хотукай
0-15	2,91	4,83	0,89	52	133	0,79
Чернозем выщелоченный, Усть-Лабинск, пашня
0-30	3,15	4,16	0,87	58	136	0,77

Эти почвы неоднократно исследовались на протяжении нескольких лет и всегда выявлялись различия в уровне биологической активности. Причем различия затрагивают не только поверхностные горизонты почв, но, прежде всего, характер профильного распределения. В гидроморфных почвах мочаров, в отличие от автоморфных почв, часто отмечали инверсии значений биологических показателей.

Таблица 2

Некоторые параметры почв Северного Кавказа подверженных временному переувлажнению, апрель 2005 г.

Почва	Условия увлажнения	рН почв. суспензии	Бактерии, млн/г	Грибы, тыс/г	Каталаза, мл О2/г	Инвертаза, мг гюкозы/г	Дегидрогеназа мг ТФФ/10 г
Чернозем слитой, г. Белореченск	пашня	6,6	1,3	7,1	4,1	не опр.	15,3
	лужа	6,6	12,8	21,4	4,0	17,4	2,1
Чернозем предкавказский, ст. Павловская Краснодарского края	пашня	7,9	3,0	5,4	11,2	не опр.	7,4
	лужа	8,0	45,5	14,2	11,8	15,9	3,0
Чернозем североприазовский, пос. Персиановский Ростовской обл.	пашня	7,9	не опр.	не опр.	9,9	11,9	1,8
	гидроцентр мочара	6,8	1,3	19,3	5,7	16,5	3,1

Моделирование влияния процессов гидроморфизма на биологические показатели почв

Так как в природе участки мочаров динамичны не только в пространстве, но и во времени, их изучение сталкивается с проблемой их анализа в период максимального воздействия локального затопления. Обычно определение биологических свойств мочаров проводится в летние месяцы, когда период максимального подтопления уже миновал и к ним можно приблизиться. Грунтовые воды в это время находятся ниже гумусовых горизонтов даже в гидроцентре очагов переувлажнения на глубине около 1 м. Так как исследования биологических свойств возможны только после снижения уровня верховодки и подсыхания верхних горизонтов гидроморфных почв, гидроморфные процессы были смоделированы в лаборатории.

В модельных экспериментах при месячном затоплении чернозема обыкновенного (североприазовского) водой 3% и 10% растворами солей (NaCl, Na₂CO₃) было отмечено снижение активности каталазы (рис. 2). Сильное снижение активности каталазы вызывает затопление растворами солей за счет ингибирования простетической группы фермента. Затопление североприазовского чернозема 3 и 10% растворами солей приводят к большему (более 2 раз) снижению активности каталазы, чем слабоминерализованными растворами (1%). Только затопление растворами соды приводит к практически одинаковому снижению активности независимо от концентрации раствора. Кроме того, выявлено, что при высыхании ранее затопленных образцов почв происходит повышение активности ферментов. Однако при высушивании образцов несколько нивелируется разница между контрольным и опытными вариантам.

Для определения воздействия разных катионов хлоридов был добавлен вариант с затоплением раствором хлористого кальция. В результате выявлено различное воздействие катионов кальция и натрия на ферментативную активность. Раствор хлористого кальция практически не проявил никакого воздействия на активность каталазы, в то время как затопление раствором хлористого натрия снижал ее на 25%.

Рис. 2. Активность каталазы в сухих и влажных образцах, затопленных водой и растворами солей

Активность дегидрогеназы при затоплении водой повышается на 86%. Она проявила неоднозначный отклик на затопление растворами солей. Соли в целом снижают эффект затопления, однако при затоплении чернозема раствором соды активность значительно (в 8-20 и более раз) повышается (рис. 3). Это связано с резким подщелачиванием среды в этих вариантах до pН=10. Ранее при повышении степени гидроморфизма почв мочаров также было установлено повышение активности ферриредуктазы, близкого по действию к дегидрогеназам (Казеев и др., 2004). Высокую активность дегидрогеназы в щелочных солонцовых горизонтах отмечал А.Ш. Галстян (1974).

Рис. 3. Изменение активности дегидрогеназы при затоплении чернозема

Высушивание образцов почв, подверженных предварительному затоплению растворами солей, понижает активность ферментов и численность бактерий с сохранением тех же самых тенденций, что и в случае исследования влажных образцов. Однако при высушивании образцов нивелируется разница между контрольным и опытными вариантами, происходит некоторое сглаживание значений. То же происходит и с ферментативной активностью (рис. 2).

Модельные опыты показали, что при двухнедельном затоплении чернозема водой произошло увеличение численности бактерий на 65% (рис. 4а). Затопление растворами солей приводит к значительному (в варианте с содой - трехкратному) увеличению численности бактерий. Очевидно, увеличение численности выделяемых микроорганизмов связано не с улучшением условий обитания, а с лучшей десорбцией микроорганизмов от частиц почвы, особенно в варианте с затоплением раствором соды, резко подщелачивающим среду (pН=10) и пептизирующим почвенные коллоиды.

В результате диспергации почвы становится возможным прорастание клеток микроорганизмов, которые в обычных условиях, вследствие адсорбции на почвенных частицах, не выделяются при посеве. Этот методический аспект влияния диспергации почвы при подготовке образцов почвы к микробиологическому посеву был подробно описан Д.Г. Звягинцевым (1972). И хотя есть данные о том, что почвенные бактерии могут выносить высокие концентрации солей в почве, вернее было бы согласиться с тем, что бактерии при затоплении и засолении находятся в неактивном состоянии. Об ухудшении условий обитания микроорганизмов говорят снижение ферментативной активности и интенсивности дыхания почвы и данные исследования микрофлоры при затоплении чернозема на более длительный двухмесячный срок (рис. 4б).



а) 14 суток

б) 60 суток

Рис. 4. Влияние затопления водой и 1% растворами солей на микрофлору чернозема обыкновенного

В дальнейшем были выполнены эксперименты с более низкими концентрациями затопляющих растворов. В опыте №9 упор был сделан на исследование влияния растворов поваренной соли в широком диапазоне концентраций - от 1 до 30 г/л. При этом, как и ожидалось, практически не произошло изменения рН почвенного раствора. В то же время соленость растворов изменялась в широком диапазоне, что в значительной мере определили растворы, применяемые для затопления.

В результате исследований было достоверно установлено снижение активности каталазы во всех без исключения вариантах опыта, по сравнению с контрольными значениями. Однако, тесной связи с концентрацией растворов соли не установлено в первых двух сроках определения. Коэффициент корреляции активности каталазы и концентрации раствора был равен -0,38--0,34. Однако доказано, что снижение активности каталазы при затоплении растворам соли в большей степени снижает активность каталазы, чем при затоплении просто водой. Даже концентрация раствора 1 г/л ингибирует активность каталазы более, чем наполовину, а во втором сроке - даже в 3 раза. Усредняя показатели активности каталазы по 3-м срокам получаем r= -0,63.

Активность дегидрогеназы, напротив, в первом сроке наблюдений значительно повышается. Это связано с повышением активности дегидрирования в анаэробных условиях, формирующихся при затоплении почв. Коэффициент корреляции спустя 14 суток затопления составил 0,65, что свидетельствует о достаточно тесной прямой корреляции концентрации раствора солей с активностью дегидрогеназы. При этом максимальные значения дегидрогеназы (235-285% от контроля) отмечены при затоплении растворами максимальной концентрации. Однако уже через 30 суток после начала опыта, активность дегидрогеназы стимулируется в меньшей степени, а в ряде вариантов (в первую очередь в высоко минерализованных вариантах) произошло снижение активности фермента. Коэффициент корреляции был отрицательным и составил -0,27. Такое поведение активности дегидрогеназы было отмечено и ранее. Выявление причин этого явления требует дальнейших подробных исследований.

Рис. 5. Изменение ИПБС чернозема обыкновенного при повышении градиента NaCl в растворе, опыт №9 (обозначения вариантов в табл. 4)

При учете показателей микрофлоры и ферментативной активности в ИПБС отмечена высокая устойчивость почвенной биоты ко всему диапазону концентраций. Только максимальная концентрация соли (30 г/л) привела к однозначному резкому снижению показателя во всех сроках наблюдения (рис. 5).

В результате сравнения разных режимов увлажнения чернозема североприазовского водой, 1% растворами соляной кислоты, хлористого натрия и соды выявлено, что их действие на активность каталазы в значительной степени зависит от того, затоплена ли почва, или же находится в режиме оптимального соотношения воды и воздуха (60% от наименьшей влагоемкости почвы). Снижение каталазной активности происходит на всех вариантах (рис. 6). Однако режим затопления сильнее влияет на активность каталазы, чем оптимальный режим увлажнения.

Рис. 6. Влияние 20-дневного воздействия 1% растворов на активность каталазы чернозема в разных режимах увлажнения, 2002 г.

В результате исследований установлен негативный эффект воздействия затопления на фитотоксичность почв (рис. 7). При этом величина эффекта определялась, в первую очередь, природой затопления. Минимальное, хотя и существенное, воздействие оказало затопление почвы водопроводной водой. Негативный эффект связан как с накоплением восстановленных соединений, так и с токсичными выделениями микрофлоры. При этом в одинаковой степени пострадали и проростки, и корни растений.

Рис. 7. Фитотоксичность затопленного водой и 1% растворами на 20 суток чернозема обыкновенного по отношению к озимой пшенице, опыт №4

Максимальный эффект оказало затопление чернозема раствором поваренной соли. В этом варианте вообще отмечена минимальная биогенность и биологическая активность. Этот эффект отличается от литературных данных, что сода более токсична, чем хлорид натрия. При затоплении ратвором соды произошло резкое подщелачивание среды до рН=10. В этом варианте в большей степени по сравнению с побегами пострадали корни растений. В остальных случаях на затопление в большей степени реагируют побеги. Токсический эффект при затоплении снижается в ряду NaCl > Na₂CO₃ > Na₂SO₄ > вода.

Динамика изменения биологических параметров при длительном переувлажнении почв

При исследовании динамики активности каталазы в опыте №4 получены данные, свидетельствующие о слабом ее изменении в течение 140 сут. в контрольных образцах. В отличие от микробиологических показателей амплитуда значений активности каталазы составила всего 10,3-11,3 мл О₂/г/мин, то есть менее 10%. В первый срок наблюдения спустя 30 суток после начала опыта затопление водой активность фермента наравне с вариантами с затоплением и подтоплением водой. Однако впоследствии значения активности каталазы в варианте с водой приближаются к контрольным, а спустя 140 суток восстанавливаются полностью. Усредняя значения по 3-м срокам по степени ингибирования каталазы, варианты могут быть расположены следующим образом: NaCl > Na₂SO₄ (подтопление) Na₂SO₄ Na₂CO₃ > вода. (рис. 8).

Рис. 8. Усредненные по срокам значения активности каталазы (% от контроля) при затоплении чернозема обыкновенного в течение 140 сут, опыт №4

Численность почвенной микрофлоры в значительной мере зависит от условий опытов. При значительном обобщении полученных данных, можно констатировать существенное снижение параметров биогенности при развитии процессов гидроморфизма. При этом в опыте №4 при кратковременном затоплении (20 сут.) более чувствительными оказались аммонифицирующие бактерии, а при длительном развитии гидроморфизма в опыте №5 -- микроскопические грибы.

Азотфиксирующие бактерии рода Azotobacter, хорошо показавшие себя как биоиндикаторы многих видов антропогенного воздействия, в наших опытах оказались абсолютно неэффективными. Их развитие достоверно не отличалось во всех исследуемых вариантах.

При 20-суточном затоплении чернозема по степени снижения обилия аммонифицирующих бактерий варианты можно расположить следующим образом: вода Na₂SO₄ (подтопление) > NaCl > Na₂CO₃ > Na₂SO₄. Для микромицетов: NaCl > вода Na₂SO₄ (подтопление) Na₂SO₄ > Na₂CO₃.

Численность микрофлоры при гидроморфизме в значительной степени определялась природой исследуемых растворов (рис. 9). Затопление водой также негативно сказывается на численности микрофлоры, как и затопление растворами солей. При этом характер затопления -- постоянный или пульсирующий -- практически не сказался на результатах. В целом длительное затопление чернозема водой в меньшей степени снижает биологические параметры, чем при затоплении растворами солей. Из солей наибольшую токсичность при длительном затоплении проявили растворы соды и сульфата натрия. Затопление почвы раствором хлористого натрия в меньшей степени снижает численность микрофлоры.

Рис. 9. Изменение микрофлоры чернозема при 300-сут. переувлажнении, опыт №5

переувлажнение засоление почва биоиндикация

Исследуя динамику изменения численности микрофлоры в опыте №5 можно констатировать постепенное снижение общей биогенности со временем (рис. 10). Это происходит даже несмотря на то, что после 330 суток контрастного переувлажнения почву оставили в оптимальном режиме увлажнения. Это связано с явлением истощения питательных веществ в длительно парующей почве. За это время значительно снизилась численность почвенной микрофлоры, особенно грибов.

Смена режима увлажнения с избыточного на оптимальный привела к значительному выравниванию показателей численности микрофлоры в опытных вариантах по сравнению с контролем. Быстрее выравнивается численность бактерий. Численность микроорганизмов (особенно микромицетов) и через 40 суток после прекращения затопления не восстановила свои параметры (рис. 10).

бактерии	грибы
Рис. 10. Влияние длительного переувлажнения чернозема на микрофлору, опыт №5

При годичном переувлажнении чернозема по степени снижения обилия аммонифицирующих бактерий варианты можно расположить следующим образом: вода (пульсирующий режим) > Na₂SO₄ > вода (постоянное затопление) > Na₂CO₃ > NaCl. Для микромицетов Na₂CO₃ > Na₂SO₄ > вода (постоянное затопление) > вода (пульсирующий режим) > NaCl.

Активность каталазы во всех вариантах опыта №5 с затоплением значительно ниже, чем в контрольной почве (рис. 11). Достоверные отличия отмечены для всех вариантов с переувлажнением за весь период наблюдений. Однако, как и в случае с численностью микроорганизмов, при снижении интенсивности переувлажнения наблюдается выравнивание активности каталазы до уровня контроля со времени прекращения действия ограничивающего фактора. Постоянное затопление чернозема водой в течение 300 суток привело к 60% снижению активности каталазы. При пульсирующем характере затопления водой инактивация каталазы проявляется в меньшей степени (рис. 11).

В целом при годичном переувлажнении чернозема по степени ингибирования каталазы варианты можно расположить следующим образом: Na₂CO₃ > NaCl > вода (постоянное затопление) > Na₂SO₄ >вода (пульсирующий режим).

Активность дегидрогеназы показала обратный отклик на затопление растворами солей. Ее активность при затоплении водой в целом не изменяется, однако при затоплении чернозема раствором соды ее активность значительно (более чем в 2 раза) повышается. Значительное повышение ее активности отмечено и в варианте с затоплением почвы сульфатом натрия.

Активность инвертазы при затоплении снижается в большинстве исследуемых вариантов, однако ее применение ограничено в результате получения окрашенных почвенных вытяжек, как, например, при исследовании затопления раствором соды.

Рис. 11. Влияние длительного переувлажнения на активность каталазы, опыт №5

Оптимальный режим увлажнения почвы в течение 40 суток после длительного переувлажнения приводит к существенному выравниванию практически всех показателей. Степень восстановления биоты зависит от варианта опыта (рис. 12).

Рис. 12. Восстановление ИПБС чернозема через 40 суток после 330 суточного пульсирующего переувлажнения

Устойчивость биоты и биологической активности разных почв Юга России к переувлажнению

Исследование активности каталазы черноземов обыкновенных карбонатных Краснодарского края и Ростовской области показало практически идентичную реакцию на затопление. При этом активность каталазы черноземов обыкновенных карбонатных разных мест отбора образцов существенно различается по уровню (рис. 13).

Рис. 13. Изменение активности каталазы чернозема предкавказского при затоплении водой и растворами солей и сахарозы, опыт №3

Североприазовский вариант чернозема обыкновенного (учхоз «Донское», Октябрьский район Ростовской области) на 33% выше по активности каталазы своего предкавказского аналога (ст. Пластуновская Краснодарского края). Однако черноземы обыкновенные, независимо от места отбора (Ростовская область или Краснодарский край), практически не отличаются по реакции активности каталазы на затопление минерализованными водами (Казеев, Стрелкова, 2004; Стрелкова, Казеев, 2005). При 30-суточном затоплении почвы водой и 3% растворами хлористого натрия и соды наблюдается сходное снижение активности каталазы в североприазовском черноземе на 78, 44 и 50% соответственно, а в предкавказском черноземе - на 84, 63 и 53% (рис. 13). Значительная разница в биологической активности проявляется и при исследовании интенсивности разложения целлюлозы и мочевины. Эти показатели также снижаются при затоплении.

Добавление сахарозы в этом опыте было связано с попыткой усилить влияние анаэробных процессов в почве. Анаэробные условия создаются при повышении расхода кислорода при использовании микрофлорой этого доступного субстрата. При внесении сахара в затопленные варианты отмечено более резкое снижение активности каталазы, чем при обычном затоплении водой и растворами солей. Для варианта с затоплением водой разница составила более чем 2 раза (с 84 до 41% от контроля). Для варианта с раствором NaCl ингибирование каталазы усилилось с 63 до 37%.

Целью дальнейших исследований было выявление устойчивости разных почв юга России к затоплению водой. Объектами исследований были выбраны почвы, различающиеся по генезису и свойствам. Это зональные широко распространенные черноземы обыкновенные (Ростовская обл.) и выщелоченные (Краснодарский край), бурые лесные почвы (Адыгея), а также интразональные почвы -- рендзины (Абрау-Дюрсо) и серопески (Каменский р-н Ростовской обл.).

Исследуемые почвы отличаются разным уровнем биогенности и биологической активности. При этом активность каталазы в большей степени коррелировала с уровнем сельскохозяйственного плодородия исследуемых почв, чем численность микрофлоры. Максимальный уровень активности каталазы отмечен на контроле черноземов, минимальная активность -- у серопесков (в 12 раз меньше, чем у чернозема обыкновенного). В то же время амплитуда значений численности бактерий значительно меньше -- от 1,62 млн./г в черноземе обыкновенном до 0,58 млн./г в черноземе выщелоченном. То же можно сказать и о численности микроскопических грибов.

Установлена разная устойчивость биологических свойств исследуемых почв к воздействию затопления. Не выявлено однозначного отклика изучаемых параметров от переувлажнения. Только для серопесков -- почв с наименьшей продуктивностью -- отмечено значительное снижение всех параметров (рис. 14, 15).

Минимальный эффект затопления для активности каталазы и численности бактерий выявлен для бурой лесной почвы. Установлено, что активность каталазы позволяет с большей точностью диагностировать процессы переувлажнения почв, чем показатели заселенности почв бактериями, что подтверждает наши предыдущие исследования. В большинстве случаев активность этого фермента достоверно снижается (рис. 15). Численность микроскопических грибов также заметно снижается в результате месячного затопления почв (рис. 14). Снижение численности этих аэробных организмов может достичь 50 раз по сравнению с контрольными значениями (серопески). Активность каталазы снижается в меньших пределах -- до 2 раз (серопески).

бактерии	грибы
Рис. 14. Изменение обилия микрофлоры при затоплении почв Юга России

Показатели фитотоксичности почв показали себя не пригодными для определения устойчивости почв к затоплению, поскольку всхожесть семян редиса, а также длина растений при затоплении однозначно не снижались.

Рис. 15. Устойчивость активности каталазы почв Юга России к затоплению водой

Таким образом, установлена разная устойчивость почв Юга России к переувлажнению. Высокой устойчивостью обладают наиболее плодородные почвы -- черноземы, наименьшей -- серопески -- почвы с низким потенциальным плодородием. Численность микромицетов и активность каталазы могут быть использованы для диагностики затопления почв.

Изменение биологических показателей при мелиорации гидроморфных почв фосфогипсом

Одной из задач работы было выявить изменение биологических свойств почв Юга России при мелиорации фосфогипсом. Для этого была проведены модельные эксперименты с использованием различных доз нейтрализованного фосфогипса (0,3 и 3% от массы почвы) и затоплением почвы водой. Контролем служила почва с оптимальным увлажнением. Объекты исследования -- чернозем выщелоченный слитой и чернозем обыкновенный (предкавказский).

Биологические параметры почв в значительной степени определяются реакцией среды. Как показали результаты определения на контрольном варианте рН почвенной суспензии близок к нейтральным значениям, что типично для данных почв. Этот показатель практически не изменяется в варианте с внесением фосфогипса.

Установлено, что затопление водой, в целом, не снижает прорастание семян пшеницы. Фосфогипс стимулирует прорастание, особенно его высокие дозы. При этом в целом для опыта отмечено закономерное снижение прорастания семян в течение опыта (73 суток). Этот эффект связан с повышением концентрации фитотоксинов в почвах при длительном инкубировании почвы.

Чернозем предкавказский	Чернозем слитой
Рис. 16 Динамика активности ферментов при мелиорации черноземов Предкавказья: 1) контроль; 2) контроль + 0,3% фосфогипса; 3) контроль + затопление водой; 4) контроль + затопление водой + фосфогипс 0,3%; 5) контроль + затопление водой + фосфогипс 3%

Применение активности каталазы в качестве индикатора гидроморфизма показало значительные изменения в исследуемом временном диапазоне (рис. 16).

Через месяц после начала опыта активность каталазы достоверно изменилась по отношению к контролю во всех исследуемых вариантах опыта. Максимальное снижение ее активности отмечено при затоплении почвы водой. Активность каталазы при этом снизилась почти в 2 раза.

Активность дегидрогеназы, как и в предыдущих случаях, в данном опыте реагировала на переувлажнение и внесение фосфогипса значительным увеличением активности (рис. 16). Причем активность возрастала в поздние сроки наблюдения. Особенно сильный рост значений показателя отмечен во второй срок отбора (через 38 суток).

Изменения ИПБС свидетельствует о больших отклонениях от контроля в черноземе предкавказском, по сравнению со слитым черноземом. Усредненные по всем трем срокам наблюдения значения ИПБС представлены на рис. 17. Было обнаружено стимулирующее действие рекомендованных доз (10 т/га) фосфогипса на исследуемые почвы. Различия для разных черноземов выражены, прежде всего, в их реакции на затопление водой. Если ИПБС предкавказского чернозема при затоплении водой повышается на 38%, то ИПБС слитого чернозема в целом несколько снижается. Это связано с тем, что предкавказские черноземы сформированы в семиаридных условиях. Лимитирующим фактором для них является недостаток влаги и добавление воды в них приводит к стимулированию биологических процессов.

Мелиорация затопленных почв фосфогипсом, внесенных в рекомендованной дозе, приближает значения ИПБС к контролю (рис. 17). В слитом черноземе происходит стимулирование биологических процессов, а в предкавказском происходит некоторое понижение значений ИПБС по сравнению с затопленной почвой. Однако в этом варианте ИПБС выше контрольных значений на 18%. Высокая доза фосфогипса приводит к снижению значений ИПБС по сравнению с контролем и затоплением водой. Особенно заметно угнетающее действие высоких доз фосфогипса при внесение его в чернозем слитой: снижение значений ИПБС происходит на 31% от контрольных значений. Предкавказский чернозем устойчив к внесению даже таких высоких доз мелиоранта. Его применение на затопленном варианте этой почвы приводит к нивелированию стимулирующего действия воды и выравниванию значений ИПБС до контроля.

Рис. 17. Усредненный ИПБС почв Предкавказья при мелиорации фосфогипсом

ВЫВОДЫ

1. Затопление и переувлажнение почв Юга России приводит к изменению их биологических параметров, что позволяет использовать их в качестве маркеров гидроморфизма. Изменение биологических показателей при переувлажнении почв зависит от условий увлажнения, длительности опыта, химической природы и концентрации растворенных в воде веществ.

2. При использовании обилия микрофлоры в качестве индикатора процессов гидроморфизма возникли значительные трудности. Затопление почвы приводит к значительному изменению этого показателя, однако при ее подсыхании микробная система стремиться вернуться в исходное состояние.

3. Смена режима увлажнения с избыточного на оптимальный привела к значительному выравниванию показателей численности микрофлоры в опытных вариантах по сравнению с контролем. Быстрее восстанавливается численность бактерий. Однако численность микроорганизмов и через 40 сут. после прекращения длительного затопления (более чем 300 сут.) не достигла контрольные значений.

4. Степень гидроморфизма оказывает заметное влияние на изменение ферментативной активности, прежде всего, оксидоредуктаз. Сильное снижение активности каталазы вызывает затопление растворами солей за счет ингибирования простетической группы фермента. Особенно сильное ингибирование активности каталазы вызывает затопление раствором Na₂CO₃.

5. Минеральные соли сильнее ингибируют активность ферментов в условиях затопления почв по сравнению с оптимальным режимом увлажнения.

6. Тесной связи биологических свойств с концентрацией затапливающих растворов соли (на примере NaCl) не установлено. Коэффициент корреляции активности каталазы и концентрации раствора составляет -0,38--0,34.

7. Выявлено различное воздействие хлоридов кальция и натрия. Раствор хлористого кальция практически не проявил никакого воздействия на активность каталазы, в то время как затопление раствором хлористого натрия снижал ее на 25%.

8. Затопление чернозема 1% раствором HCl приводит к незначительному снижению активности каталазы, практически равному затоплению водой. Это связано с высокой буферностью чернозема, вызванной значительным содержанием в нем карбонатов кальция.

9. Активность дегидрогеназы в полевых условиях и модельных экспериментах дала неоднозначный отклик на затопление растворами солей. Ее активность при затоплении почв раствором соды значительно (до 8-20 раз) повышается.

10. Установлена разная устойчивость почв Юга России к переувлажнению. Высокой устойчивостью обладают наиболее плодородные почвы -- черноземы, низкой -- серопески -- почвы с незначительным потенциальным плодородием. Реакция биохимических показателей на затопление и засоление почв одного подтипа черноземов обыкновенных несмотря на различия в географическом положении (Предкавказье и Северное Приазовье) и свойствах этих почв, практически идентична.

11. Мелиорация переувлажненных черноземов Предкавказья возможна с применением фосфогипса в рекомендованной дозе (10 т/га). Применение фосфогипса в высокой дозе (100 т/га) подавляет биологические свойства почв. Разные подтипы черноземов реагируют на затопление и мелиорацию по-разному. Черноземы обыкновенные (предкавказские) более устойчивы, по сравнению со слитыми черноземами.

12. В диагностике процессов вторичного гидроморфизма и засоления почв хорошо зарекомендовали себя активность каталазы и численность микромицетов. Показатели фитотоксичности почв слабо пригодны для диагностики затопления почв. Колориметрический метод определения активности инвертазы в засоленных почвах применяться не может из-за мутности почвенной вытяжки. Лучшие результаты дает использование влажных образцов почв.

СПИСОК РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Стрелкова В.И. Влияние переувлажнения чернозема обыкновенного на активность оксидоредуктаз / Экологические проблемы в сельском хозяйстве. Мат-лы молодежн. научн. конф. пос. Персиановский. 2002. С. 43.

2. Стрелкова В.И. Изменение активности оксидоредуктаз чернозема обыкновенного при затоплении растворами солей / Тез. докл. X Междунар. конф. студентов и аспирантов по фундам. наукам «Ломоносов-2003», секция «Почвоведение». М.: МГУ, факультет почвоведения. 2003. С. 133.

3. Стрелкова В.И. Профильное распределение гумуса и каталазной активности в гидроморфных почвах мочаров / Экологические проблемы в сельском хозяйстве. Мат-лы молодежн. научн. конф. пос. Персиановский. 2003. С.

4. Ильджинова М.И., Стрелкова В.И. Влияние затопления растворами солей на ферментативную активность чернозема обыкновенного / Актуальные проблемы экологии сельскохозяйственного производста. Мат-лы молодежн. научн. конф. пос. Персиановский, ДонГАУ, 2004. С. 23.

5. Казеев К.Ш., Стрелкова В.И. Влияние затопления растворами минеральных солей на биологические свойства черноземов Юга России / Черноземы центральной России: генезис, география, эволюция. Воронеж. 2004. С. 354-358.

6. Казеев К.Ш., Стрелкова В.И. Изменение биологических свойств чернозема обыкновенного при загрязнении растворами минеральных кислот и соляной кислоты / Материалы Международной научной конференции «Современные проблемы загрязнения почв». Москва. 2004. С. 52-53.

7. Репях М.А., Стрелкова В.И. Особенности распределения численности микроорганизмов в солонцах и солончаках / Почвы - национальное достояние России: Материалы IV Докучаевского общества почвоведов: В 2-х кн. Новосибирск: Наука-Центр, 2004. Кн. 1. С. 670.

8. Стрелкова В.И. Биологические свойства черноземов обыкновенных при затоплении и засолении / Почвы - национальное достояние России: Материалы IV Докучаевского общества почвоведов: В 2-х кн. Новосибирск: Наука-Центр, 2004. Кн. 1. С. 683.

9. Стрелкова В.И. Изменение биологической активности чернозема Предкавказья при переувлажнении (модельные эксперименты) / Тез. докл. XI Междунар. конф. студентов и аспирантов по фундам. наукам «Ломоносов-2004», секция «Почвоведение». М.: МГУ, факультет почвоведения. 2004. С. 148-149.

10. Стрелкова В.И. Изменение численности микрофлоры чернозема обыкновенного при длительном затоплении / Актуальные проблемы экологии сельскохозяйственного производства. Мат-лы молодежн. научн. конф. пос. Персиановский, ДонГАУ, 2004. С. 43-44.

11. Стрелкова В.И., Казеев К.Ш. Влияние затопления и засоления на биологические свойства почв / Лиманчик. Экологические проблемы. Взгляд в будущее. Ростов н/Д: Изд-во ООО «ЦВВР», 2004. С. 133-135.

12. Стрелкова В.И., Казеев К.Ш. Изменение биологической активности при затоплении и засолении чернозема обыкновенного водой и растворами минеральных солей / Материалы Международной научной конференции «Экология и биология почв». Ростов н/Д: Изд-во ЦВВР. 2004. С. 284-287.

13. Стрелкова В.И. Устойчивость биологических свойств выщелоченных и карбонатных черноземов Западного Предкавказья к затоплению водой / Труды аспирантов и соискателей Ростовского государственного университета. Том XI. Ростов н/Д: Изд-во Рост. ун-та. 2005. С. 86-87.

14. Стрелкова В.И., Казеев К.Ш. Использование биоиндикаторов в диагностике вторично-гидроморфных почв / Сборник трудов биолого-почвенного факультета РГУ. Ростов н/Д: Изд-во «Ростиздат», 2005. С. 208-213.

15. Стрелкова В.И., Дадян А.Х. Влияние фосфогипса на микрофлору мелиорируемых почв Краснодарского края / Актуальные проблемы экологии сельскохозяйственного производства. Мат-лы молодежн. научн. конф. пос. Персиановский, ДонГАУ, 2005.

16. Казеев К.Ш., Стрелкова В.И. Изменение биологических свойств почв при затоплении растворами солей / Материалы II-й научно-практической конференции «Экологические проблемы. Взгляд в будущее». Ростов н/Д: Изд-во «Ростиздат», 2005. С. 57-66.

17. Стрелкова В.И., Дадян А.Х., Казеев К.Ш. Реакция почвенной сапрофитной микрофлоры на затопление Сборник трудов II-й научно-практической конференции «Экологические проблемы. Взгляд в будущее». Ростов н/Д: Изд-во «Ростиздат», 2005. С. 108-113.

18. Стрелкова В.И., Казеев К.Ш. Влияние длительного переувлажнения на фитотоксичность чернозема обыкновенного / Экология и биология почв. Мат-лы Междунар. научной конф. Ростов н/Д: Изд-во Росиздат, 2005. С. 477-480.

19. Repyah M.A., Strelkova V.I. Distribution peculiarities of microflora numerosity in sandy soils of the south of Russia / Materials of The World Congress of Soil Science. Philadelfia, USA. 2006. P. 415.

20. Strelkova V.I., Kazeev K.Sh. Sustainability to waterflooding of biological properties of different chernozems of western ciscaucasia / Materials of The World Congress of Soil Science. Philadelfia, USA. 2006. P. 277-278.

21. Стрелкова В.И., Казеев К.Ш. Изменение биологических показателей при затоплении чернозема растворами солей разной минерализации / Экология и биология почв: проблемы диагностики и индикации. Мат-лы Междунар. научной конф. Ростов н/Д: Ростиздат, 2006. С. 470-471.

22. Казеев К.Ш., Стрелкова В.И. Изменение свойств разных черноземов Северного Кавказа при затоплении / Экономические и социально-экологические преобразования в системе устойчивого развития Северо-Кавказского региона. Майкоп: Качество, 2006. С. 318-320.

23. Казеев К.Ш., Стрелкова В.И. Устойчивость почв Юга России к затоплению водой // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Естеств. науки. 2006 № 1. С. 75-76.

24. Стрелкова В.И., Казеев К.Ш. Влияние градиента концентрации растворов солей на биохимическую активность почв / Черноземы России: экологическое состояние и современные почвенные процессы. Мат-лы Всероссийской конф. Воронеж: ВГУ, 2006. С. 177-181.

25. Стрелкова В.И., Казеев К.Ш. Изменение биологических параметров почв Юга России при затоплении / Проблемы устойчивого функционирования водных и наземных экосистем. Мат-лы междунар. научн. конф. Ростов-на-Дону. 2006. С. 407-408.

26. Стрелкова В.И., Кутровский М.А., Казеев К.Ш. Устойчивость микробиоты рендзин Северо-Западного Кавказа к затоплению водой / Экологические проблемы. Взгляд в будущее. Сборник трудов III-й научно-практической конференции. Ростов н/Д: Изд-во «Ростиздат», 2005. С. 202-204.

Размещено на Allbest.ru