Азотные соединения в почвах северо-запада России и динамика их под влиянием антропогенного воздействия (на примере Карелии)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

Азотные соединения в почвах северо-запада России и динамика их под влиянием антропогенного воздействия (на примере Карелии)

03.00.27 -- почвоведение

кандидата сельскохозяйственных наук

Мошкина Елена Викторовна

Санкт-Петербург, 2009

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте леса Карельского научного центра РАН (УРАН ИЛ КарНЦ РАН)

Научный руководитель: доктор сельскохозяйственных наук Федорец Наталия Глебовна

Официальные оппоненты:

доктор сельскохозяйственных наук Литвинович Андрей Витальевич;

кандидат сельскохозяйственных наук, доцент Чернов Дмитрий Викторович

Ведущая организация: Центр по проблемам экологии и продуктивности лесов Российской академии наук (ЦЭПЛ РАН)

Защита состоится 04 июня 2009 г. в 13 часов на заседании диссертационного совета ДМ 220.060.03 в Санкт-Петербургском государственном аграрном университете по адресу: 196601, Санкт-Петербург - Пушкин, Петербургское шоссе, дом 2, корп. 1-а, аудитория 239. Тел. (812) 470-04-22, факс. (812) 465-05-05, e-mail: spbgau@mail.ru

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Санкт-Петербургского государственного аграрного университета.

Просим принять участие в работе диссертационного совета или прислать свой отзыв в 2-х экземплярах, заверенных гербовой печатью.

Автореферат разослан 29 апреля 2009 года

Автореферат размещен на сайте http://www.spbgau.ru 29 апреля 2009 года

Учёный секретарь диссертационного совета кандидат сельскохозяйственных наук, доцент Н.Ф. Лунина

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Азот играет незаменимую роль в жизни биосферы и необходим для функционирования всех живых организмов. Обеспеченность почв азотом является одним из важнейших факторов, определяющих производительность лесных насаждений на Европейском Севере. В настоящее время недостаточно изучены содержание и качественный состав азотных соединений органической природы в составе азотного фонда лесных почв. Важное теоретическое и практическое значение имеет исследование азотсодержащих соединений органической природы доступных для питания древесной растительности. В различных природных зонах экологические факторы, определяющие направленность и интенсивность процессов преобразования азотсодержащих соединений, неодинаковы, поэтому необходимо изучение накопления отдельных форм азотсодержащих соединений в различных типах почв в зональном аспекте.

Интенсивное освоение лесных богатств сопровождается возрастанием антропогенной нагрузки, нарушающей динамическое равновесие в биогеоценозах. В результате меняется характер взаимодействия между почвой и растительностью, влияющий на почвообразование. Решение проблемы охраны почв и повышения их плодородия невозможно без знания изменения почвенных свойств и процессов, вызванных антропогенным воздействием.

Вышесказанное свидетельствует о необходимости изучения фракционного состава азотсодержащих соединений почв лесных биогеоценозов, а также его изменения в результате антропогенного воздействия.

Цель исследований - выявить особенности азотного фонда почв разного генезиса в хвойных и лиственных лесах среднетаежной подзоны Карелии и их изменения в результате антропогенного воздействия.

Задачи исследований:

изучить азотный фонд почв сосновых лесов, составляющих экологический ряд по трофности и увлажнению;

выявить особенности количественного и качественного состава азотных соединений в почвах еловых лесов;

исследовать фракционный состав азотных соединений в почвах мелколиственных лесов;

установить влияние рубок различной интенсивности на количественный и качественный состав азотных соединений в почвах;

изучить азотный фонд почв, находящихся в сельскохозяйственном использовании.

Научная новизна. Впервые в условиях Карелии изучен фракционный состав азотных соединений в почвах мелколиственных лесов. Впервые в составе азотного фонда почв разного генезиса выделены фракции азота свободных и связанных с гумусом аминокислот, являющихся важным источником и резервом азотного питания для древесных растений. Установлены особенности накопления аминокислот в профиле почв хвойных и мелколиственных лесов Карелии. Выявлены зависимости состава аминокислотного пула от генезиса почв, возраста и типа насаждений.

Теоретическая значимость. Углубление представлений о химическом составе фракций азотного фонда почв, выделяемых общепринятыми методами, за счет качественного и количественного определения свободных и связанных аминокислот.

Практическая значимость. Определены запасы доступных для растений соединений азота (минеральных и гидролизуемых) в почвах различных типов леса. Выявлено воздействие сельско- и лесохозяйственного производства на азотный фонд почв.

Полученные результаты могут быть использованы при закладке основ почвенного мониторинга, определении уровня естественного плодородия почв, а также при чтении курса лекций в ВУЗах.

Защищаемые положения:

· Процессы аккумуляции и трансформации азотсодержащих соединений отражают экологические условия формирования почв.

· Распределение азота аминокислот в профиле почв идентично распределению общего азота.

· Азот аминокислот составляет значительную часть азотного фонда лесных почв и является потенциальным источником и резервом азотного питания древесных растений.

· Соотношение фракций азотного фонда почв характеризуется высокой степенью устойчивости к антропогенному воздействию.

Вклад автора. Автор лично принимал участие на всех этапах подготовки и проведения работы, начиная с подбора пробных площадей, отбора почвенных образцов, подготовки их к химическому анализу, проведения химических анализов, заканчивая обработкой и интерпретацией полученных результатов.

Обоснованность и достоверность. Основные научные результаты и выводы получены на основе применения современных методик и базируются на обширном экспериментальном материале. Для обработки данных использованы различные методы статистического анализа.

Публикации и апробация работы. По материалам диссертации опубликовано 15 научных работ. Основные положения работы доложены на международных научных конференциях: «Растениеводство на Европейском Севере: состояние и перспективы» (Петрозаводск, 2004), «Экологические функции лесных почв в естественных и антропогенно нарушенных ландшафтах» (Петрозаводск, 2005), «Актуальные проблемы сохранения биоразнообразия в экстремальных условиях северного климата» (Кировск, 2008); всероссийских научных конференциях: «Принципы и способы сохранения биоразнообразия» (Пущино, 2008), XII Докучаевские молодежные чтения «Почвы и продовольственная безопасность России» (Санкт Петербург, 2009); международном форуме по проблемам науки, техники и образования «Экология биосферы, мониторинг, охрана и безопасность окружающей среды» (Москва, 2004).

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объём составляет 155 страницы. Список литературы включает 228 наименований, в том числе 149 на иностранных языках.

Благодарность. Автор выражает глубокую признательность своему научному руководителю д. с.-х. н. Н.Г. Федорец, сотрудникам лаборатории лесного почвоведения и микробиологии, сотрудникам аналитической лаборатории и лично А.К. Морозову, сотрудникам лаборатории ландшафтной экологии и охраны лесных экосистем ИЛ КарНЦ РАН, сотрудникам Московского научно-исследовательского Института физико-химической биологии им. А. Н. Белозерского и лично Л.А. Баратовой.

Работа является частью комплексных исследований по изучению почвенных факторов формирования биоразнообразия в лесных экосистемах средней тайги, проводимых ИЛ Кар НЦ РАН и проекта федеральной целевой программы «Интеграция науки и высшей школы в 2002-2006 гг.» № Э 142/819.

Содержание работы

Глава 1. Роль азота в формировании продуктивности лесных биогеоценозовю Азот - важнейший элемент питания растений. Он имеет решающее значение в образовании белков, аминокислот, нуклеиновых кислот, хлорофилла, липидов, фосфатидов, многих витаминов. Азот входит в состав гумусовых веществ почвы. Накопление его - характерная черта почвообразовательного процесса, обусловленная биологическим круговоротом веществ в системе «почва-растение». В разных почвах формируются неодинаковые запасы азота, большая часть которых находится в труднодоступной форме. В связи с этим, азот зачастую является основным лимитирующим элементом продуктивности растений. Возможности мобилизации азота почвенных ресурсов сдерживаются жесткими климатическими условиями Карелии. Основной источник поступления азота в биогеоценозы - атмосфера. Значительная часть азота поступает за счет микробиологической азотфиксации от 5 до 30 кг/га. С атмосферными осадками поступает от 1 до 10 кг/га азота. Наряду с поступлением азота в лесных биогеоценозах происходят постоянные потери его из почвы в результате внутрипочвенного стока и газообразных потерь. Треть всего азота, потребленного растениями за вегетационный период, возвращается в почву с опадом. азотный экологический почва лес

В результате лесо- и сельскохозяйственная деятельность человека существенно меняются почвенно-экологические условия и происходят изменения в структуре азотного пула почв. Для увеличения продуктивности лесных насаждений необходимы знания о количественном и качественном составе азотного фонда лесных почв, а также значении отдельных соединений азота для продуктивности древесных растений. Несмотря на имеющиеся научные сведения о трансформации соединений азота в лесных почвах региона, многие вопросы качественного состава органических соединений азота до сих пор остаются малоизученными.

Глава 2. Природные особенности региона исследований. Карелия располагается между 66є39' и 60є41' с.ш. и 29є18' и 37є 57' в.д.. Значительная протяженность Карелии с севера на юг (660 км), высокая степень лесистости (52,7% территории), наличие значительной гидрографической сети (озера и реки - 23,2%), близость морских акваторий, а также холмисто-равнинный рельеф обусловливают её климатическую, геологическую, гидрографическую, растительную и почвенную неоднородность. Климат умеренно-континентальный с продолжительной мягкой зимой и коротким прохладным летом. Коренные породы на территории Карелии (граниты, диабазы, гнейсы, кварциты) покрыты толщей четвертичных отложений различной мощности. Почвенный покров представлен широким набором почв различного генезиса. В автоморфных условиях на рыхлых четвертичных отложениях распространены подзолистые почвы (53%), на коренных породах - подбуры, буроземы (0,2%) и слаборазвитые (1,3%); при дополнительном увлажнении - болотно-подзолистые почвы (17,2%); в гидроморфных условиях - болотные (20,2%) (Морозова, 1991). Сосновые леса занимают 63% площади, еловые - 25,2% березовые 10,1%, осиновые и ольховые - 0,9%.

Глава 3. Объекты и методы исследований. Исследования выполнены на базе лаборатории лесного почвоведения и микробиологии УРАН ИЛ Кар НЦ РАН. Объектами исследований являлись почвы разного генезиса под хвойными насаждениями (в том числе пройденными рубками различной интенсивности) и мелколиственными лесами, а также дерново-подзолистые пахотные почвы.

Азотный фонд лесных почв, включая аминокислотный состав, изучался на территории заповедника «Кивач» в сосновых насаждениях, составляющих экологический ряд по увлажнению и трофности, а также в еловом биогеоценозе. Сосновые насаждения 120-170 лет характеризовались различной продуктивностью: класс бонитета сосняка лишайникового - III, 4; брусничного - II,5; черничного II,0; багульниково-сфагнового - Vа,2. Ельник чернично-разнотравный, 140 лет также высокопродуктивный, класс бонитета III,1. Изучение влияния на свойства почвы рубок древостоя различной интенсивности проводилось в буферной зоне заповедника. На базе крупного животноводческого комплекса ЗАО «Эссойльский» прослежено изменение азотного фонда почв в результате вовлечения их в сельскохозяйственное использование.

Закладку пробных площадей, отбор и анализ почвенных образцов и проб воды, а также статистическую обработку полученных данных осуществляли общепринятыми методами (Агрохимические методы исследования почв, 1975; Алёкин, 1970; Аринушкина, 1975; Дмитриев, 1995). Для характеристики почв применялся комплекс стандартных морфологических, физических, химических и физико-химических методов исследования. Углубленное изучение фракционного состава азотсодержащих соединений почвы проводили с использованием специально подобранных и доработанных автором исследования методик. Общий азот определяли методом Кьельдаля; гидролизуемый - методом щелочного гидролиза Корнфилда; аммонийный азот - колориметрическим методом с реактивом Несслера; нитратный азот - методом Грандваль-Ляжу; негидролизуемый азот определен расчетным способом. Определение содержания и идентификация отдельных аминокислот выполнены методом высокоточной жидкостной хроматографии с использованием жидкостного хроматографа Hitachi-835, работающего в режиме анализа белкового гидролизата. В качестве экстрагента свободных аминокислот использовали 20% этиловый спирт, для экстракции белковых аминокислот использовали кислотный гидролиз 6н HCl.

Полученные за время исследования (2003-2005гг.) данные обработаны при помощи статистических программ Excel 2003, Statistica 6. Математическая обработка результатов включала вычисление статистических параметров содержания общего азота и его фракций в почвах - среднее арифметическое значение, среднеквадратичное отклонение, коэффициент вариации. Выполнен дисперсионный анализ полученных данных. Проведен корреляционный анализ, целью которого являлось выявление взаимосвязи между показателями количественного и качественного состава азотного фонда исследованных почв.

Глава 4. Фракционный состав азотных соединений в лесных почвах. Важным показателем азотного фонда лесных почв является фракционный состав азотных соединений. Для почв хвойных и мелколиственных лесов среднетаежной подзоны Карелии характерно высокое содержание негидролизуемого азота (85-97%) и бедность их минеральным (0,78…2,47%) и гидролизуемым (1,35…13,10%) азотом.

Минерализация органического вещества в лесных почвах Карелии идет в основном до стадии аммиака, нитрификация выражена слабо. Причинами, тормозящими процессы нитрификации, являются высокая кислотность, пониженные температуры, а в торфяных почвах избыточное увлажнение.

Профильное распределение подвижных азотсодержащих соединений в почвах идентично распределению общего азота, которое зависит от содержания органического вещества в почве. Максимальное их накопление наблюдается в лесных подстилках подзолов и элювиально-глееватых почв, а также в органогенных горизонтах торфяников.

Содержание азота в лесных подстилках связано с их компонентным составом, определяемым типом леса. Если подстилки сложены остатками древесной растительности и растений напочвенного покрова, богатых азотом, то количество азота в этом случае будет выше. Данные таблиц (табл. 1,2) свидетельствуют о том, что количество азота в подстилках мелколиственных (1,54-2,15 мг/100г) и еловых (1,47-1,50 мг/100г) лесов значительно выше, чем в сосняках (0,54-1,15 мг/100г). Однако запасы азота существенно выше в лесных подстилках сосновых древостоев.

По мере увеличения степени увлажнения запасы азота в органогенных горизонтах сосновых лесов возрастают параллельно с запасами органического вещества от лишайникового сосняка к сосняку багульниково-сфагновому (от 113 до 835 кг/га). При этом в сосняке черничном складываются оптимальные условия для минерализации и гумификации растительного опада. О чем свидетельствует увеличение содержания щелочногидролизуемого азота, в том числе азота свободных аминокислот. С уменьшением или возрастанием увлажненности почв условия для трансформации органического вещества ухудшаются, что отражается на обеспеченности почв азотом.

Лесная подстилка еловых насаждений в зависимости от запаса органического вещества содержит от 616 до 661 кг/га азота. В органогенном горизонте подзолистой супесчаной почвы березняка злаково-разнотравного, где создаются наиболее благоприятные условия для трансформации органического вещества, содержится 350 кг/га азота, тогда как запас азота в лесной подстилке осинника составляет 230 кг/га.

В 50-сантиметровом корнеобитаемом слое сосновых насаждений запасы валового азота возрастают по мере увеличения степени увлажнения почв (табл. 3). Относительное содержание гидролизуемого азота в составе азотного фонда увеличивается только в автоморфной части экологического ряда. В подзолах под сосновыми насаждениями относительное содержание гидролизуемых форм азотных соединений выше, чем в торфяной почве под сосновым древостоем и в элювиально-поверхностно-глееватых почвах ельников.

Таблица 1. Содержание азотных соединений в почвах мелколиственных лесов

Таблица 2. Содержание азотных соединений в почвах хвойных лесов

Таблица 3. Запасы азотных соединений в 50 см слое лесных почв

Запасы общего азота в элювиально-поверхностно-глееватых почвах еловых и осинового древостоев в 1,2-3,0 раза выше, чем в подзолах высокопродуктивных сосняков и березняка. Однако относительное содержание гидролизуемых форм азота в 50-сантиметровом слое почв еловых и осиновых лесов, включающем лесную подстилку, в несколько раз меньше, чем в сосняках и березняках, что связано с неблагоприятными для минерализации азота гидротермическими особенностями тяжелых глинистых почв.

Содержание подвижных форм азотсодержащих соединений в почвах под сосняками находится в прямой корреляционной зависимости от количества общего азота (табл.4).

Таблица 4. Коэффициенты корреляции между содержанием общего азота и его подвижными формами в почвах сосняков экологического ряда

где, К₁ - коэффициент корреляции между содержанием общего и аммонийного азота;

К₂ - коэффициент корреляции между содержанием общего и нитратного азота;

К₃ - коэффициент корреляции между содержанием общего и щелочногидролизуемого азота;

К₄ - коэффициент корреляции между содержанием щелочногидролизуемого и аммонийного азота.

Глава 5. Содержание свободных и связанных аминокислот в лесных почвах Средней Тайги. Органическое вещество почвы содержит аминокислоты, играющие важную роль в процессе почвообразования. Они занимают значительное место среди множества разнообразных веществ, составляющих группу неспецифических соединений почвы, а также входят в состав гумуса. Количество аминокислот, их состав зависят от типа и различных физико-химических особенностей почв (содержания органического вещества, влажности и др.). Обогащение почвы аминокислотами происходит в результате разложения растительных и животных остатков, аммонификации гумусовых веществ. Наряду с белковыми в почве постоянно присутствуют свободные аминокислоты, которые могут быть извлечены водой, этиловым спиртом, ацетатом аммония и другими экстрагирующими веществами. Несмотря на незначительное содержание в составе органического азота, свободные аминокислоты, обладающие высокой биохимической активностью, имеют большое значение для питания растений. Последние способны усваивать их без предварительной трансформации в минеральные соединения, что особенно важно в условиях дефицита элементов минерального питания. Таким образом, аминокислоты могут являться дополнительным источником азота, особенно в естественных фитоценозах. В свою очередь корневые выделения растений также являются важным источником свободных аминокислот в почве.

Во всех исследованных почвах обнаружено 17 аминокислот, что указывает на однообразный качественный состав аминокислотного пула лесных почв Карелии. В составе лесных почв присутствовали моноаминокарбоновые кислоты (глицин, аланин, валин, изолейцин, лейцин); моноаминодикарбоновые (аспарагиновая, глутаминовая); оксимоно-аминокарбоновые (серин, треонин); серосодержащие (цистеин, метионин); диаминокарбоновые (лизин); гетероциклические (гистидин) и ароматические (тирозин, фенилаланин). Отмечено очень низкое содержание в почвах хвойных лесов метионина (0,3…0,7%). Значительная часть аминокислотного фонда лесных почв представлена аспарагиновой и глутаминовой кислотами, серином, глицином и пролином - их сумма составляет 30…40% от общего количества аминокислот. В составе аминокислотного пула исследованных почв обнаружены аминосодержащие соединения, которые нам не удалось идентифицировать как определенные аминокислоты, возможно, это изоформы.

Распределение аминокислот по профилю почвы подчиняется закономерности распределения органического вещества. Максимальное содержание аминокислот приурочено к органогенным горизонтам, с глубиной оно резко снижается (табл.5,6).

Таблица 5. Содержание свободных аминокислот в почвах хвойных лесов, мг/кг

В почвах мелколиственных лесов и ельника черничного отмечено накопление аминокислот в гумусово-аккумулятивных горизонтах, что подтверждает зависимость распределения аминокислот от содержания органического вещества и общего азота в почве.

Содержание аминокислот в почве - это динамичный показатель, который зависит от многих факторов. В наших исследованиях отмечены особенности количественного и качественного состава аминокислот, определяемые генезисом почв, типом и возрастом растительности.

Как показали наши исследования, в подзолистых почвах легкого механического состава под сосняками и березняками свободных аминокислот содержится больше, чем в более тяжелых элювиально-поверхностно-глееватых глинистых почвах под ельником и осинником.

Таблица 6. Содержание белковых аминокислот в почвах хвойных лесов, мг/100г

С увеличением возраста хвойных и мелколиственных лесов происходит перераспределение количества свободных аминокислот в профиле почв. Содержание их в лесной подстилке сокращается, тогда как в гумусово-аккумулятивном и минеральных горизонтах напротив значительно увеличивается. При этом происходит сокращение содержания белковых аминокислот по всему профилю почв, за исключением лесной подстилки березняка. В литературе существует мнение о более интенсивном усвоение свободных аминокислот в качестве источника азотного питания в хвойных лесах на поздних стадиях сукцессии (Kielland, McFarland, Olson, 2006).

Во фракционном составе аминокислот лесных почв отмечена стабильность в соотношении между основными группами аминокислот. На долю азота нейтральных аминокислот приходится 34±2,6% белковых и 37±2,6% свободных аминокислот; дикарбоновых 22±2,1% и 20±4,5%; оксиаминокислот 14±0,9% и 15±2,6%; диаминокарбоновых 13±0,7% и 10±4,5%; серосодержащих 5±3,4% и 2±0,6% циклических 10±1,2% и 9±1,1%, соответственно. Различия наблюдаются в аминокислотном составе той или иной группы.

Глава 6. Изменения азотного фонда почв в условиях антропогенного воздействия. Почва является неотъемлемой частью любой наземной экосистемы и играет важную роль в поддержании устойчивости биосферы. Ее бесконтрольное использование приводит к разрушению почвенного покрова. Деградация почв носит глобальный характер и является одной из самых главных причин экологического кризиса (Добровольский, 1997; Добровольский, Никитин, 2003).

6.1. Воздействие рубок различной интенсивности на азотный фонд почв

Основной антропогенный фактор в таежных лесах - рубка. Выборочная рубка леса приводит к изменению микроклиматических условий, водно-физических и химических свойств почв. Еще более существенные изменения происходят в почвах при сплошной вырубке леса.

Разреживание древостоя приводит к созданию более благоприятных микроклиматических условий для деятельности микрофлоры, вследствие чего происходит увеличение гидролизуемых соединений а составе азотного фонда почв с 4% до 5…6%. Обогащение почв подвижными соединениями идет за счет органического вещества подстилки, где доля негидролизуемых соединений в составе азотного фонда почв снижается.

Запасы общего азота в почве изреженного соснового древостоя (4587 кг/га) и на вырубке с вторичным 15-летним березняком (4457 кг/га) несколько ниже, чем в ненарушенном биогеоценозе (5239 кг/га)

Выборочную рубку можно считать мероприятием, стимулирующим трансформацию органических соединений опада и лесной подстилки.

6.2.Влияние смены растительных сообществ на азотный фонд

Березовые и осиновые насаждения являются производными типами леса, возникающими в результате сплошной рубки сосновых и еловых древостоев. Сплошные рубки вызывают существенные изменения лесорастительных условий. Изменяются световой и тепловой режимы, водно-физические и химические свойства почв, что способствует поселению злаков, разнотравья и лиственных пород. Влияние березы и осины положительно сказывается на лесорастительные свойства почв. Поступающий на поверхность почв лиственный опад формирует своеобразную лесную подстилку, которая при зарастании трав задерняется.

Установлен характер изменения азотного фонда почв при смене хвойных древостоев мелколиственными:

- происходит значительное увеличение содержания общего азота в органогенных горизонтах: от 1,15% в сосняке черничном до 2,15% в березняке; от 1,47% в подстилке ельника до 1,54% осинника;

- значительно увеличивается доля гидролизуемого азота в азотном фонде почв по всему профилю до 8,8…11,7%;

- образуется больше минеральных форм азотных соединений (нитратного (в 2 раза до 0,18% от валового азота) и аммиачного азота (в 1,5 раза до 1,56% от валового азота)), в связи с более богатым химическим составом опада лиственных пород.

6.3. Влияние агропромышленного комплекса на азотный фонд почв

При вовлечении почв в сельскохозяйственное использование в значительной степени изменяются все физико-химические и агрохимические свойства почв, это касается и азотного фонда.

Общее содержание азота в пахотном слое исследованных почв на фоне внесения высоких доз органических удобрений (60-70 т/га свежего навоза) несколько увеличилось по сравнению с минеральными горизонтами лесных подзолистых почв (до 0,17…0,22%). Содержание легкогидролизуемого азота имело тенденцию к увеличению. Так окультуривание почв сопровождалось повышением содержания легкогидролизуемых соединений в 2,0 раза (до 15…19% в составе азотного фонда), в том числе азота свободных аминокислот (до 0,45…0,62%). Анализ аминокислотного состава основного органического удобрения - навоза, показал, что количество белковых аминокислот, содержащееся в навозе, составляет 4760 мг/100г, а свободных - 225,5 мг/100г. В пахотных горизонтах почв сельскохозяйственных угодий, удобренных навозом, обнаружено 502,8…749,0 мг/100г белковых аминокислот и до 98,72 мг/кг свободных. Преобладающими аминокислотами в пахотных почвах являются глутаминовая кислота (10,9…22,6% от аминокислотного пула), цистеин (9,1…10,8%), тирозин (8,7…11,3%) и метионин (8,7…11,3%).

Не выявлено высоких концентраций минеральных соединений азота (1,49…3,33 мг/100г) в почвах сельскохозяйственных угодий, так как аммонийный и нитратный азот быстро расходуется растительностью и микроорганизмами в процессе жизнедеятельности, а также вымывается из почвы поверхностными и грунтовыми водами. Однако обнаружено превышение в 6,6…7,6 ПДК (0,05мг/л) по содержанию аммонийного азота для водоемов рыбохозяйственного пользования в воде крупной лососевой реки Шуя, куда непосредственно попадают сточные воды с полей, насыщенные соединениями азота.

Заключение

· Проведенные исследования позволили установить, что общие запасы азота в 50-см слое почв сосновых лесов, расположенных в экологическом ряду, нарастают по мере увеличения увлажнения. Рост продуктивности древостоя наблюдается только в автоморфной части ряда. В сосняке багульниково-сфагновом на гидроморфной почве продуктивность древостоя резко снижается. Установлено, что в сосняке черничном складываются наиболее благоприятные условия для трансформации органического вещества, о чем свидетельствует увеличение содержания щелочногидролизуемого азота. С возрастанием степени увлажнения почв сосняков в автоморфной части экологического ряда относительное содержание азота свободных аминокислот в азотном фонде увеличивается, связанных с гумусом - снижается. В гидроморфной торфяной почве доступность азота для древесной растительности резко снижается на фоне значительных запасов органического азота. Преобладающими аминокислотами в почвах сосняков являются аспарагиновая и глютаминовая кислоты, аланин, валин и лейцин.

· Запасы общего азота в элювиально-поверхностно-глееватых глинистых почвах еловых насаждений выше, чем в подзолах под сосняками, это же касается и количества азота белковых аминокислот. Напротив, запасы свободных аминокислот выше в почвах под сосновыми насаждениями, что связано с более благоприятными условиями гидротермического режима для минерализации азотсодержащих органических соединений.

Относительное содержание доступных древесным растениям соединений азота в почвах ельников ниже, чем в почвах сосняков.

· В 50-см слое элювиально-поверхностно-глееватой глинистой почвы осинника запасы общего азота значительно превышают этот показатель для почвы более легкого механического состава под березняком. Относительное содержание доступного растениям минерального и гидролизуемого азота в почве под осиновым древостоем составляет 8,8% от общего азота, в то время как в почвах под березняками этот показатель достигает 11,7%.

· Основная часть азотного фонда всех исследованных почв представлена негидролизуемым азотом, составляющим около 90% от общего азота почв, количество подвижных (лабильных) форм редко превышает 10%, на долю минерального азота приходится 1…5%.

Значительную долю в составе азотного фонда аминокислот составляют аспарагиновая и глютаминовая кислоты, серин, треонин, глицин, аланин и валин, а также лейцин. В совокупности азот этих аминокислот составляет 50…70% от общего азота аминокислот. Мало в почве содержится таких аминокислот как гистидин, аргинин, тирозин, цистеин, лизин (4…24%).

Фракция азота свободных аминокислот отнесена нами к группе гидролизуемого, а азота белковых аминокислот - к группе негидролизуемого азота почв. Доля азота свободных аминокислот во фракции гидролизуемого азота составляет 2…3%, в азотном фонде почв 0,1…0,6 %. Азот белковых аминокислот в азотном фонде почв составляет 30…50 %.

Профильное распределение азота свободных и белковых аминокислот в исследованных лесных почвах разного генезиса идентично, т. е. наибольшее его количество отмечается в лесных подстилках, уменьшаясь с глубиной. Для почв разного генезиса под лиственными лесами характерно элювиально-иллювиальное распределение азота белковых аминокислот по профилю.

· При смене хвойных древостоев мелколиственными происходит значительное увеличение содержания общего азота в органогенных и гумусово-аккумулятивных горизонтах; увеличивается относительное содержание гидролизуемого азота в азотном фонде почв по всему профилю; образуется больше минеральных форм азотных соединений, так как создаются более благоприятные гидротермические условия; в почвах мелколиственных древостоев отмечено накопление доступного растениям азотного питания в виде свободных аминокислот, а также резерва азотного питания в виде белковых аминокислот.

· Проведение рубки с изреживанием древостоя на 30% не приводит к коренным изменениям состава азотного фонда. Лишь при полной качественной смене фитоценоза, а именно при сельскохозяйственном освоении почвы, соотношение фракций азотных соединений в ней изменяется. В пахотных горизонтах почв при высоких дозах органических удобрений наблюдается увеличение доли гидролизуемого азота, в том числе азота свободных аминокислот в составе азотного фонда. При этом не происходит значительного накопления белковых аминокислот, в связи с их активным превращением в минеральные азотные соединения, которые поглощаются растениями.

· Азотный фонд лесных почв среднетаежной подзоны характеризуется высокой стабильностью. Изменения азотного фонда в разных экологических условиях носят скорее количественный характер, то есть изменяется количество тех или иных соединений, в то время как соотношение их изменяется слабо. Соотношение основных групп свободных и связанных аминокислот также характеризуется высокой стабильностью, как и фракционный состав азотного фонда почв в целом.

Обобщив полученные результаты диссертационного исследования, можно сделать следующие выводы:

• качественный и количественный состав азотного фонда почв разного генезиса в хвойных и мелколиственных лесах отражает экологические условия формирования почв;

• азот аминокислот является важной частью азотного фонда почв и составляет 34-52% общего азота, распределение азота аминокислот в профиле почв идентично распределению общего азота и его гидролизуемой и негидролизуемой фракций.

• структура азотного фонда лесных почв характеризуется высокой стабильностью. Воздействие рубок различной интенсивности проявляется лишь в небольших изменениях показателей содержания азотных соединений в почве. При коренной смене фитоценоза происходит изменение соотношения фракций азотных соединений.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

1. Мошкина Е.В. Содержание свободных аминокислот в почвах хвойных лесов Карелии // Вестник МГУЛ. Лесной вестник, 2008. №4 (61). С. 17-21.

2. Мошкина Е.В. Содержание нитратов и тяжелых металлов в картофеле и овощах, производимых в РК / Материалы международной конференции: «Растениеводство на Европейском Севере: состояние и перспективы». Петрозаводск, 2004. С. 101.

3. Ткаченко Ю.С., Мошкина Е.В. Воздействие агропромышленного комплекса на окружающую среду Европейского Севера на примере Карелии / Материалы международной конференции: «Растениеводство на Европейском Севере: состояние и перспективы». Петрозаводск, 2004. С. 102.

4. Медведева М.В., Мошкина Е.В. Особенности азотного режима и трансформации органического вещества в почвах естественных и антропогенно нарушенных биогеоценозов / Материалы международного форума по проблемам науки, техники и образования: «Экология биосферы, мониторинг, охрана и безопасность окружающей среды». М., 2004. С. 42-45.

5. Федорец Н.Г., Солодовников А.Н., Мошкина Е.В., Преснухин Ю.В., Тимофеева В.В. Почвы хвойных и мелколиственных лесов / Разнообразие почв и биоразнообразие в лесных экосистемах средней тайги. М.: Наука, 2006. С.98-147.

6. Мошкина Е.В. Содержание свободных аминокислот в лесных почвах средней тайги / Материалы международной конференции: «Экологические функции лесных почв в естественных и антропогенно нарушенных ландшафтах». Петрозаводск, 2005. С. 184.

7. Мошкина Е.В. Свободные и связанные аминокислоты в почвах мелколиственных лесов Карелии как показатели качества азотного фонда / Материалы XV всероссийской молодежной научной конференции: «Актуальные проблемы биологии и экологии». Сыктывкар, 2008. С. 199-200.

8. Мошкина Е.В. Изменение состава свободных аминокислот в лесных почвах Карелии в результате ведения рубок различной интенсивности / Материалы II всероссийской научно-практической конференции: «Экологические системы: фундаментальные и прикладные исследования». Нижний Тагил, 2008. С. 70-73.

9. Мошкина Е.В. Влияние смены растительных сообществ на состав аминокислот лесных почв / Материалы Ш всероссийской научной конференции: «Принципы и способы сохранения биоразнообразия». Пущино, 2008. С. 271-272.

10. Мошкина Е.В. Аминокислоты в почвах Карелии как показатель качества азотного фонда / Материалы международной научной конференции: «Актуальные проблемы сохранения биоразнообразия в экстремальных условиях северного климата». Кировск - Апатиты, 2008. С. 60-63.

11. Мошкина Е.В. Свободные и связанные аминокислоты в лесных почвах Карелии / Материалы V Съезда Общества почвоведов им. В.В. Докучаева. Ростов-на-Дону, 2008. С. 83.

12. Ткаченко Ю.Н., Мошкина Е.В. Влияние агропромышленного комплекса на азотный фонд почв / Материалы V Съезда Общества почвоведов им. В.В. Докучаева. Ростов-на-Дону, 2008. С. 205.

13. Мошкина Е.В. Влияние стоков животноводческих комплексов на экологическое состояние почв прилегающих территорий / Материалы всероссийской научной конференции: XII Докучаевские молодежные чтения «Почвы и продовольственная безопасность России». Санкт Петербург, 2009. С.122-123.

14. Мошкина Е.В. Изменение азотного фонда почв в результате рубок различной интенсивности / МатериалыI международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых: «Фундаментальные и прикладные исследования в биологии». Донецк, 2009. С. 358.

15. Мошкина Е.В. Свободные и связанные аминокислоты в почвах хвойных лесов среднетаежной подзоны Карелии как показатели качества азотного фонда / Материалы XVI международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых: «Ломоносов-2009». Москва, 2009. С. 91-93.

Размещено на Allbest.ru