Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние проблемы 8
1.1 Причины формирования и генезис почв мочарных ландшафтов 8
1.2 Особенности почвообразования при переувлажнении и оглеении 15
1.3 Основные закономерности развития оглеения 22
1.4 Номенклатура и классификация гидроморфных почв 27
1.5 Естественная растительность гидроморфных ландшафтов 31
1.6 Морфологические особенности почв при переувлажнении и оглеении 35
1.7 Моделирование глееобразования в лабораторных условиях 39
1.8 Экологические последствия развития гидроморфизма и глееобразования 43
ГЛАВА 2. Биологические свойства почв под влиянием переувлажнения и оглеения 48
2.1 Влияние переувлажнения на микрофлору и ее роль в развитии глееобразования 48
2.2 Влияние переувлажнения и оглеения на ферментативную активность почв 55
2.3 Влияние процессов переувлажнения и оглеения на растения 60
2.4 Влияние процессов оглеения и переувлажнения на органическое вещество почв 63
ГЛАВА 3. Объекты исследований 67
3.1 Черноземы 67
3.2 Коричневые почвы 70
3.3. Бурые лесные почвы 73
ГЛАВА 4. Методика постановки опыта и методы исследований 77
4.1 Методика и схема постановки модельного опыта 77
4.2 Методы определения физико-химических и биологических свойств почв 83
ГЛАВА 5. Результаты исследований и обсуждение 87
5.1 Моделирование влияния различных условий увлажнения на физико-химические свойства и биологическую активность чернозема обыкновенного 87
5.2 Моделирование влияния деградационных процессов при переувлажнении на физико-химические и эколого-биологические свойства чернозема обыкновенного
5.2 Изменение физико-химических свойств почв при моделировании переувлажнения и оглеения на фоне застойного и застойно-промывного водного режима 100
5.3 Влияние переувлажнения и оглеения на эколого-биологические свойства почв на фоне застойного и застойно-промывного водного режима 109
5.4 Влияние оглеения на физико-химические и эколого-биологические свойства почв на фоне застойно-промывного водного режима 117
Выводы 122
Литература 126
- Номенклатура и классификация гидроморфных почв
- Влияние процессов переувлажнения и оглеения на растения
- Методы определения физико-химических и биологических свойств почв
- Изменение физико-химических свойств почв при моделировании переувлажнения и оглеения на фоне застойного и застойно-промывного водного режима
Введение к работе
Актуальность исследования. Переувлажнение является одним из главных экологических факторов, оказывающих влияние на биологические свойства почв. Экологически нерациональное использование и сильные антропогенные воздействия на почвенный покров, превышающие пределы его природной саморегуляции, способствуют развитию деградации почв. Это одна из актуальнейших проблем современного человечества. Существенной составляющей общего решения этой проблемы для условий Юга России является исследование естественных и антропогенных процессов и факторов эволюции, функционирования и формирования агроландшафтов (Казеев, Колесников, Вальков, 2004). Автоморфные почвы на данный момент подвергаются процессу гидрометаморфизма, не соответствующему экологии этих почв, что проводит к их деградации (Терпелец, Власенко и др., 2012). В связи с этим интересна степень экологической устойчивости разных типов почв к деградационным воздействиям при переувлажнении.
В последнее время в Ростовской области и на Юге России происходит существенное увеличение площади гидроморфных почв (Николаева,1985; Назаренко, 2002; Казеев, 2004). Эти почвы помимо временного переувлажнения подвержены и сопутствующим процессам: оглеению, осолодению, оподзоливанию и засолению. Длительное переувлажнение приводит к значительному изменению эколого-биологических свойств почв Юга России (Казеев, Стрелкова, Тищенко, 2006). Изменения зависят от свойств почв, длительности воздействия фактора, химизма и концентрации растворов, содержания легкоразлагаемых субстратов. Максимальное воздействие на эколого-биологические свойства оказывают процессы оглеения, обусловленные биохимическими процессами в переувлажненной почве. Наибольший интерес вызывает глеегенная деградация черноземов, обладающих значительной буферностью свойств и высоким уровнем плодородия.
В ходе переувлажнения и сопутствующих процессов происходит трансформация почв, которая приводит к извлечению их из сельскохозяйственного оборота. Можно утверждать, что в настоящее время мы оказались свидетелями преобразования за весьма короткий срок почв в переувлажненные, заболоченные, оглеенные, засоленные, осолонцованные и слитые почвы. В целях устойчивого развития сельского хозяйства необходимо краткосрочное и особенно долгосрочное прогнозирование деградационных процессов, и оценка риска воздействий антропогенного характера на почву и другие компоненты природных ландшафтов и агроландшафтов. Почвенная микробиота и ферментативная активность почв, подверженных переувлажнению и сопутствующим процессам, дают более быстрый отклик на негативное воздействие, чем физико-химические свойства почв. Именно поэтому эколого-биологические показатели могут выступать как надежные индикаторы при диагностике переувлажнения и оглеения как на ранних сроках, так и через длительное время.
Цель работы – изучение влияния переувлажнения, оглеения и сопутствующих деградационных процессов на эколого-биологические показатели разных типов почв Юга России.
Задачи исследования:
-
изучить изменение морфохроматических и физико-химических свойств разных типов почв Юга России в модельном эксперименте;
-
проследить динамику изменения окислительно-восстановительного потенциала и рН при моделировании переувлажнения и оглеения;
-
исследовать влияние оглеения, переувлажнения и сопутствующих процессов на эколого-биологические свойства разных типов почв Юга России в модельном эксперименте;
-
установить возможность использования эколого-биологических показателей для диагностики как действия переувлажнения и оглеения на почвы, так и последействия, даже через длительное время.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Длительное переувлажнение приводит к значительному изменению эколого-биологических свойств почв Юга России. Различия условий увлажнения оказывают влияние на эколого-биологические свойства почв без изменения их физико-химического состояния. Угнетение биологической активности происходит как при переизбытке, так и при недостатке влаги. Оптимальное увлажнение для почвенной микрофлоры в целом выше, чем для растений.
-
Переувлажнение почв в сочетании с развитием деградационных процессов оказывает большее негативное воздействие, чем варьирование количества влаги. Изменения зависят от свойств почв, длительности воздействия фактора, химизма и концентрации растворов, содержания легкоразлагаемых субстратов. Эти изменения затрагивают не только эколого-биологические, но и физико-химические свойства почв.
-
Для каждого из моделируемых деградационных процессов в черноземе обыкновенном удалось выявить биоиндикаторов и построить ряды чувствительности. При моделировании оглеения чувствительность биологических показателей располагается таким образом: микромицеты > актиномицеты > каталаза. При развитии осолодения: мицеллярные организмы > водоросли > ферментативная активность. При подкислении почвы: каталаза > водоросли > фосфатаза. При развитии солончакового процесса: фосфатаза > длина грибного мицелия > водоросли.
-
Активность почвенных ферментов и показатель фитотоксичности почв позволяют диагностировать действие переувлажнения и оглеения на почвы. Наиболее чувствительные показатели можно расположить таким образом: ферриредуктаза > фитотоксичность > каталаза.
-
Установлена различная чувствительность почв к воздействию оглеения. Почвы располагаются в следующем порядке с увеличением чувствительности: чернозем обыкновенный < коричневая почва < бурая лесная почва. Отмечается сходная реакция
почв Юга России на воздействия. Устойчивость черноземов определяется в первую очередь изначальной буферностью свойств и высокой плодородностью.
Научная новизна. Впервые получены данные устойчивости почв Юга России к переувлажнению и сопутствующим деградационным процессам в модельном эксперименте. Отмечен ряд закономерностей в изменении эколого-биологических свойств почв при переувлажнении и оглеении. Установлены биоиндикаторы для всех моделируемых процессов.
Практическая значимость. Материалы и результаты, полученные в
исследовании, могут быть использованы при биомониторинге, биоиндикации и
биодиагностике почв естественных и антропогенных ландшафтов, подверженных
переувлажнению и сопутствующим процессам, в работе научных и природоохранных
организаций для оценки негативного воздействия на окружающую среду, а также в
других природоохранных мероприятиях. Результаты, полученные в исследовании,
могут использоваться при преподавании дисциплин по экологии,
природопользованию, охране окружающей среды, почвоведении, биологическому мониторингу и других дисциплин как в Южном федеральном университет, так и в других ВУЗах.
Личный вклад автора. Основу диссертационной работы составляют оригинальные материалы, полученные лично автором в результате модельных и аналитических исследований (2010-2016 гг.). Тема, цель, задачи, объекты, методы и схема исследования выбраны автором совместно с научным руководителем. Постановка модельного эксперимента и основная часть лабораторных анализов выполнены лично автором. Анализ и обобщение результатов, формулировка выводов и положений, выносимых на защиту, произведены автором лично при корректирующем участии научного руководителя. По теме диссертационного исследования опубликовано 45 научных работ (12,5 п.л.).
Апробация работы. Материалы диссертации были представлены на конференциях «Актуальные вопросы экологии и природопользования» (Ростов-на-Дону, 2013), «Современное состояние черноземов», (Ростов-на-Дону, 2014), конференциях «Ломоносов» (Москва, 2014-2016), «Экология и биология почв» (Ростов-на-Дону, 2014-2015), конференциях молодых ученых «Неделя науки» (Ростов-на-Дону, 2011; 2014-2016), «Эволюция и деградация почвенного покрова» (Ставрополь, 2015) и других.
Публикации. Основные положения диссертационной работы изложены в 20 публикациях, из них 3 статьи в изданиях из перечня ВАК, 1 монография.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, выводов и списка использованной литературы. Работа изложена на 142 страницах машинописного текста, содержит 8 таблиц, 26 рисунков. Список использованной литературы включает 200 источников, в том числе 48 на иностранных языках.
Номенклатура и классификация гидроморфных почв
Реализация процесса глееобразования проходит на фоне двух различных форм гидрологического режима – застойно-промывного и застойного. Застойно-промывной режим оказывает наиболее пагубное воздействие на почвенный покров. Наблюдается развитие активного процесса деградации почв, в результате которого почвенный покров частично или полностью утрачивают свое плодородие. В то время как в условиях застойного режима существенных деградационных изменений почвообразующих пород не происходит. В условиях застойно-промывного водного режима морфохроматические признаки оглеения в виде холодного цвета — синего, сизого, голубого и голубовато-зеленого не проявляются. Эти признаки характерны для почв болотного ряда (Вальков и др., 2006).
Глеевый процесс принадлежит к группе элементарных почвенных процессов. Оглеение – сложный восстановительный процесс, имеющий биохимическую природу и протекающий при избытке влаги в почвах в условиях анаэробиоза в обязательном присутствии легкодоступного органического субстрата и непосредственном участии анаэробной микрофлоры.
В 1905 году термины «глей» и «глееобразование» ввел Г.Н. Высоцким, чтобы описать почвы с «более или менее плотной породы серого цвета с зеленоватым оттенком, формирующейся в условиях длительного переувлажнения». Он впервые указал на то, что глеевый процесс имеет биохимический характер и доказал процесс превращения окиси железа в закись в условиях недостатка кислорода при наличии анаэробных бактерий. Нарушение ил изменение водного режима почв, даже кратковременное переувлажнение ведет к созданию условий для развития анаэробиоза в почвах, что неизбежно стимулирует процессы восстановления железа и других элементов с переменной валентностью, нарушает соотношение восстановленных и окисленных форм, которые существенно различаются по своим функциональным особенностям и роли в почвообразовании. Железо в почвах черноземного ряда существует в малоподвижной, инертной и устойчивой форме. Это определяется особенностями почв степной зоны (геохимические, гидрологические и климатические) и свойства самих черноземов. Окислительная обстановка в почвах черноземного ряда является доминантной, что объясняется присущим водно-воздушным режимом степных почв. Следовательно, трехвалентная форма железа в таких условиях будет преобладающей. Главной причиной, способствующей устойчивости такой формы железа в черноземных почвах, является слабощелочная и нейтральная реакция среды и присутствие карбонатов. Можно считать, что устойчивость железа в черноземах, его инертность и малая подвижность определяются в первую очередь автоморфностью экосистемы. (Николаева, Еремина, 2001).
Однако в настоящее время в степных ландшафтах отмечается увеличение обводненности почвенной толщи в силу ряда причин природного и антропогенного характера (Безуглова, Назаренко, 1998).
В последнее время в степной зоне практически повсюду отмечается подъем уровня грунтовых вод, что неизбежно приводит к возникновению гидроморфных почв (мочаров), которые, однажды возникнув, уже не исчезают без следа (Николаева, Еремина, 2001).
На развитие слитизации при переувлажнении почвы оказывает воздействие несколько факторов. Очевидно, что тяжелый гранулометрический состав почвы необязателен. Так, например, в черноземно-луговой почве, развитой на опесчаненой глине, хорошо морфологически проявляется слитой горизонт. В то время как, монтмориллонитовый компонент не является основополагающим, так же, как и не получает развития формирование минеральных свободных гидрофильных коллоидов.
По мнению разных авторов, в почвах мочаристых ландшафтов возрастают электроповерхностные энергетические характеристики за счет цикличности обратимых процессов набухания-усадки. Важную роль также играют ионные и электростатические силы, которые возникают вследствие смены режимов и качества увлажнения. Слитость почвенного горизонта иногда связывают с иллювиальными явлениями, сопряженными с суспензионным вносом коллоидов, а также с влиянием внутреннего оглинивания, при котором наблюдается деструкция минералов группы хлорита (Назаренко, 1990). Главной же причиной образования слитого горизонта служит переупаковка и уплотнения мелких частиц в ходе попеременного цикла увлажнения-высыхания. Часто меняющееся состояние увлажнения и высыхания приводит к перераспределению пор по размерам и приводит к тому, что происходит уменьшение содержания пор инфильтрации и аэрации (Зайдельман и др., 1993). Нельзя исключать и влияния того, что значительное содержание в растворе ионов натрия и магния может приводить к пептизации почвенных коллоидов (Минкин, и др., 1991).
В литогенных мочарах при непосредственно близком залегании грунтовых вод проявляется засоление. Минерализация обусловлена поступлением в поток сульфатов кальция, натрия и магния из водоупорных третичных соленосных майкопских, скифских глин и других засоленных отложений. Все это приводит даже при незначительной минерализации вод к образованию солевого профиля. Такой тип засоления называют нейтральным, с преобладанием сульфатов в анионной части, а в катионной – кальция (Минкин и др., 1991). Можно утверждать, что в таких почвах господствует выпотной режим, который сменяется периодами с нисходящими токами влаги. Именно такая обстановка неизбежно приводит к чрезвычайно сложному, сочетанному действию засоления, выщелачивания и осолонцевания.
Влияние процессов переувлажнения и оглеения на растения
Источником солей в почве являются минерализованные грунтовые воды и засоленные третичные глины. Для почв гидроморфных ландшафтов характерна сложная гидрология, что обуславливает наличие в них нескольких горизонтов залегания карбонатов и гипса. На самом верху обнаруживается горизонт гипса, состоящий из микрокристаллических скоплений, которые свидетельствуют об образовании из капиллярных растворов. Далее идет карбонатный горизонт белоглазки. Ниже него располагается также гипсоносный горизонт, но уже с другой структурой, более окристаллизованный и собранный в шестоватый гипс. Ранее говорилось, что от гранулометрического состава почвы зависит форма карбонатных новообразований. Для почв тяжелого гранулометрического состава характерна достаточно рыхлая белоглазка с диффузными границами, которая говорит о цикличности процессов растворения и осаждения. В легких почвах новообразования карбонатов представлено журавчиками или плотной белоглазкой с практически четкими границами. Следует заметить, что в таких почвах под карбонатным горизонтом гипс не обнаруживается. Более детальные исследования показали, что журавчики представляют собой монолитные кристаллы гипса, покрытые карбонатными пленками, что свидетельствует о соосаждении менее растворимого соединения на более растворимом (Феофанова, 1950; Минкин и др., 1991; Назаренко, 1990).
В верхнем слое мочара, около одного метра, влажность обычно выше, чем в зональных черноземах: в лугово-черноземных мочаристых – на 2—3 %, в черноземно-луговых мочаристых – на 3—5 % (Казеев и др., 2006). Для мочаристых почв характерной диагностической чертой является языковатая нижняя часть. Также обнаруживаются затеки гумуса с интенсивной темно-серой окраской, которые достигают глубины до 2—2,5 м. Чаще всего в верхней части профиля они сложены почвенной массой из других морфонов. Бесспорно, можно считать, что это происходит в результате педотурбации почвенного профиля, так как при высушивании мочаристые почвы дают заметную усадку и образуют широкие (до 5—7 см) и глубокие (до 100 см) трещины (Минкин, Калиниченко, 1983).
Известно, что для профиля мочаристых почв характерны выраженные признаки оглеения. Переувлажнение провоцирует глеевый процесс в первую очередь в слитом горизонте, а если он отсутствует, то оглеение затрагивает верхний гумусовый горизонт, поскольку в нем содержится большое количество органического вещества и существует некоторая отмытость от кальциевых солей. При этом в гумусовом горизонте оглеение может маскироваться гумусонакоплением (Вальков, Уманская, 1982). Глеегенные процессы придают профилю мочаристых почв холодный оливковый оттенок и вызывают проявление ржаво-бурых прожилок по всему профилю или его части (в зависимости от степени выраженности процесса) (Драчук,1983).
Для гидрометаморфизованных черноземов гидроморфные признаки отображаются в виде охристых пятен, ржавых точек и конкреций полуторных окислов, а признаки оглеения — в виде сизовато-серых пятен и разводов, которые носят менее или более выраженный характер в зависимости от степени переувлажнения (Власенко, 2012).
Накопление органических веществ и недостаток кислорода способствуют развитию восстановительных процессов и образованию глея и глеевых горизонтов, характерных для болот и болотных почв. Происходит восстановление окисных соединений железа в закисные.
При протекании глеегенных процессов образуется гидрозакись железа, которая имеет серо-зеленый цвет и существует только в восстановительных условиях. При контакте с кислородом воздуха быстро окисляется до гидроокиси железа красно-бурого цвета, поэтому при смене окислительно-восстановительных условий появляются характерные железистые ржавые образования (Вальков и др., 2006). Если наблюдается пульсация аэробно-анаэробных условий, то может образоваться двууглекислая закись железа Fe(HCO3)2. На кислороде воздуха оно окисляется с образованием гидроокиси железа: 4Fe(HCO3)2+O2+2H2O=Fe(OH)3+8CO2. Образование гидроокиси железа диагностируется появлением ржавых пятен и потеков. В заболачивании в почвах появляются ржавые пятна на границе капиллярной каймы. Закись железа поднимается по восходящим капиллярам к зоне аэрации, где происходит окисление, за счет которого железо переходит в нерастворимый осадок на стыке зоны аэробиоза и зоны восстановительных процессов. Охристые пятна гидроокиси железа возникают и при временном заболачивании. Если же анаэробные условия доминируют, то впоследствии образуются вторичные минералы холодной окраски, которые придают глеевым горизонтам сизоватый оттенок.
Обезжелезнение вызывает появление в почвах холодной окраски, распад микроагрегатов, значительное увеличение содержания свободного ила. Наиболее ярко цветовые признаки выражены в почвах, сформировавшихся на кислых и нейтральных породах (Зайдельман, 1992).
Исследование закономерностей развития процесса глееобразования имеет богатую историю.
Впервые в литературе в работе В.В. Докучаева по почвоведению появился термин “суглей”, для описания почвенных профилей интенсивно переувлажненных болотистых лугов с синеватой окраской.
Впервые в 1905 году в научную терминологию Г.Н. Высоцким были введены в термины «глей» и «глееобразование» для обозначения «более или менее плотной породы серого цвета с зеленоватым оттенком, формирующейся в условиях длительного переувлажнения». Он обратил внимание на то, что процесс глееобразования имеет биохимическую природу и установил роль превращения окиси железа в закисную форму в при резком недостатке кислорода с непосредственным участием анаэробной микрофлоры. В своей статье «Глей», он описал оглеенные минеральные почвы и раскрыл главные закономерности процесса, который приводит к формированию этих почв. Именно с этого момента термин глей и его производные получили широкое распространение во всем мире науки.
При изучении глеевого процесса большая роль отводится модельным исследованиям. Это обусловлено тем, что в природных условиях на формирование почвенного покрова оказывает влияние комплекс факторов и почвообразовательных процессов, что усложняет проведение исследований по изучению влияния глеегенного процесса в естественных экосистемах. Глеевый процесс сравнительно несложно воспроизводится в лабораторном моделировании при условии регуляции и контроля водного режима. Именно поэтому наиболее целесообразно исследование глееобразования в модельном эксперименте. Особую важность модельных экспериментов выделял в своих работах А.А. Роде еще в 1971 году. Он отмечал преимущество лабораторных экспериментов над полевыми, так как моделирование позволяет контролировать протекание сложных природных процессов и регулировать внешние параметры эксперимента (температуру, влажность, субстрат и т.д.). Первая попытка моделирования глееобразования была сделана И.И. Витиным (Wityn, 1934), который обнаружил резкое увеличение количества восстановленного железа, кальция и магния в почвенном растворе при продолжительной инкубации в горизонте С подзолистой почвы в присутствии легкодоступного субстрата при анаэробных условиях.
Методы определения физико-химических и биологических свойств почв
Используемые в настоящей работе аналитические данные были получены с помощью разработанной и апробированной методологии исследования биологической активности почв (Казеев и др., 2003, 2004, 2006) с использованием общепринятых в биологии, экологии и почвоведении методов (Галстян, 1974, 1978; Практикум по агрохимии, 1989; Хазиев, 1990; Методы почвенной микробиологии и биохимии, 1991; Казеев и др., 2003, Казеев, Колесников, 2012).
Численность бактерий, актиномицетов и микроскопических грибов учитывали методом посева почвенной суспензии на плотные питательные среды. Использовали свежие образцы почв. На МПА (мясо-пептонный агар) выделяли бактерии-аммонификаторы, использующих органический азот, на КАА (крахмало-аммиачный агар) — бактерии, использующие минеральный азот (бактерии-амилолитики), и актиномицеты. Численность грибов и сахаролитических бактерий учитывали на среде Чапека. Методом комочков обрастания на среде Эшби определяли обилие бактерий р. Azotobacter. Все данные представлены в пересчете на массу воздушно-сухой почвы. Повторность 3-х кратная.
Окислительно-восстановительный потенциал (ОВП, редокс потенциал, Eh) надпочвенного раствора и лизиметрических вод определяли потенциометрически с использованием ОВП-метра Hanna. рН почвы определяли в почвенной суспензии (почва / вода в соотношении 1/2,5) потенциометрически на иономере (Казеев и др., 2003). Количество легкорастворимых солей определяли кондуктометрическим методом. Концентрацию оксида железа (II) определяли фотометрическим методом с использованием фенантролина. Валовое содержание оксидов металлов и неметаллов определяли рентгенфлуоресцентным методом на приборе «Спектроскан Макс-GV».
Общая численность бактерий, одноклеточных водорослей и длина грибного мицелия определялись люминесцентно-микроскопическим методом на микроскопе Микмед 2, окрашиванием бактерий акридином оранжевым, а грибного мицелия - калькофлуором белым (Казеев и др., 2003). Повторность опыта — 4-6-кратная.
О фитотоксичности почв судили по изменению характеристик прорастания семян и интенсивности роста тест-объекта (Бабьева, Зенова, 1989). В качестве тест-организмов был выбран редис сорта «Заря». Повторность опыта — 4-6-кратная.
О ферментативной активности почв судили по активности ферментов разных классов: оксидоредуктаз - каталаза, дегидрогеназа, ферриредуктаза; и гидролаз - Р-фруктофуранозидаза (фосфатаза). Анализ ферментативной активности почв основан на подсчете количества субстрата, переработанного в процессе реакции, или количестве выхода продукта реакции в оптимальных условиях рН среды, температуры, субстрата и почвенной навески.
По рекомендации А.Ш. Галстяна (1978) активность почвенных энзимов определяли при естественной реакции почвенной среды. Повторность опыта 4-6 кратная.
Каталаза (НгОг:НгОг - оксидоредуктаза, КФ 1.11.1.6.) ускоряет реакцию разложения пероксида водорода на воду и молекулярный кислород. Активность каталазы выражают в мл кислорода на 1 г почвы, который выделился за 1 минуту. Дегидрогеназы (субстрат: НАД-оксидоредуктаза. КФ 1.1.1.; 1.2.1: 1.4.1) катализируют реакции отщепления водорода, т.е. дегидрирования органических веществ, и выполняют роль промежуточных переносчиков водорода. Активность дегидрогеназы выражают в мл трифенилформазана на 10 г почвы за 24 часа.
Фосфатаза (фосфогидролазамоноэфиров ортофосфорной кислоты. КФ 3.1.3.1-2) производит гидролиз разнообразных фосфорорганических соединений по фосфоэфирным связям. Измеряется в мг фенолфталеина на 1 г почвы, выделившийся за 1 час.
Ферриредуктаза (НАД(Ф) Ч Н2: Fe2О3 – оксидоредуктаза. КФ 1.6.99) использует кислород окиси железа в качестве конечного акцептора электронов в цепи окислительно-восстановительных реакций в почве, при ее участии окись железа восстанавливается в закисную форму. Активность ферриредуктазы выражают в мг восстановленного железа на 100 г почвы за 48 часов.
Содержание гумуса определяли по его окисляемости хромовой смесью (метод Тюрина в модификации Никитина, 1972). Определение нитратов в почвенной вытяжке проводили ионометрическим методом. Концентрацию углекислого газа для изучения «дыхания» почв определяли с использованием газоанализатора КОМЕТА-М. Целлюлозолитическую активность почвы определяли аппликационным методом с использованием хлопчатобумажных полотен. Для исследования биологической активности и эколого биологического состояния почв не всегда достаточно рассмотрение одного показателя, так как каждый показатель отражает лишь одну сторону биологических процессов, протекающих в почве. Именно поэтому целесообразно применять комплексный подход.
Именно для того, чтобы объединить биологические исследования была разработана и применена методика определения интегрального показателя биологического состояния почвы (ИПБС) (Казеев, 2003, 2004). С помощью данной методики представляется возможным оценить весь комплекс биологических свойств изучаемой почвы.
Для того чтобы изучить эколого-биологическое состояние почвы в комплексе в выборке показателей находят либо максимальное значение каждого из них, либо контрольный вариант и принимают за 100 %. Другие же значения этого показателя выражают в процентах по отношению к максимуму или контролю, в зависимости от цели исследования: Б1 = (Бх / Бmax) 100, (1) где Б1 - относительный балл показателя, Бх - фактическое значение показателя, Бmax - максимальное значение показателя. После этого, суммируются уже относительные значения многих показателей. Их абсолютные значения суммированы быть не могут, так как имеют разные единицы измерения: Бср. = (Б1 + Б2 + Б3 …+ Бn) / N, (2) где Бср. - средний балл, рассчитанный по нескольким показателям; N - число показателей. Далее аналогично формуле (1) рассчитывается интегральный показатель биологического состояния почвы: ИПБС = (Бср. / Бср. мах) х 100, (3) где Бср. - средний балл, рассчитанный по нескольким показателям; Бср. мах - максимальный оценочный балл всех показателей. Достоверность результатов работы подтверждается корректностью методов исследования, статистическим анализом результатов с применением программных комплексов; исследования осуществлялись с использованием сертифицированного оборудования. Биологические свойства почвы характеризуются высокой степенью варьирования (Казеев и др., 2003, 2004; Казеев, Колесников, 2012). Поэтому для получения достоверных данных проводилась их статистическая обработка и корреляционный анализ.
Изменение физико-химических свойств почв при моделировании переувлажнения и оглеения на фоне застойного и застойно-промывного водного режима
При анализе содержания гумуса в коричневой почве не удалось выявить существенных различий между моделями и контрольным вариантом. В то время как содержание нитратов в вариантах с моделированием оглеения и переувлажнения незначительно возрастает по отношению к контрольному образцу коричневой почвы.
При исследовании каталазы установлено, что при застойно-промывном режиме с добавлением сахарозы в коричневой почве ее активность ингибируется почти в 5 раз по сравнению с контрольным образцом. В контроле этот показатель составлял 12,1 мл О2/г/мин, в то время как при сочетанном воздействии всего лишь 2,5 мл О2/г/мин. Стоит отметить, что в вариантах без добавления субстрата с разными водными режимами активность каталазы составляла 6,8 мл О2/г/мин в варианте с затоплением и 4,8 мл О2/г/мин в варианте с застойно-промывным режимом. А в образце коричневой почвы с сочетанным воздействием затопления и субстрата - 4,2 мл О2/г/мин. Существенное ингибирование каталазы в моделируемых вариантах переувлажнения и оглеения указывает на преобладание восстановительных условий.
Активность ферриредуктазы во всех вариантах опыта значительно выше, чем в контрольном варианте коричневой почвы при оптимальном увлажнении (рис. 17). Нами установлено, что активность ферриредуктазы в вариантах с моделированием застойного и застойно-промывного режима была выше контроля более чем в 10 раз, что также указывает на возникновение и развитие анаэробиоза в исследуемых биокосмах с превращением окиси железа в закись.
В результате проведенных исследований удалось установить тот факт, что процессы переувлажнения и оглеения оказывают пагубное влияние на фитотоксичность коричневой почвы (рис. 18). Причем наиболее низкие показатели длины стеблей и корней редиса обнаруживались в варианте затопления коричневой почвы раствором с субстратом в виде сахарозы. Все остальные варианты опыта также были ниже контрольного. Следует отметить, что разные типы водного режима негативно повлияли на длину и рост стеблевой части, в то время как добавление субстрата – на корневую систему тест-организма. В целом отмечается сходная ответная реакция тест-организма в разных почвах на воздействие. Стебли, смїї Корни, см контроль застойный режим застойно-промывной застойный режим + застойно-промывной режим субстрат режим + субстрат
Общая численность бактерий (рис. 19), определенных методом люминесцентной микроскопии, обнаруживала свой максимум в варианте коричневой почвы с сочетанным воздействием застойно-промывного режима и добавлением субстрата и составляла 125 % по отношению к контролю (контрольный вариант принимали за 100 %). В то время как в варианте с застойно-промывным режимом численность бактерий была минимальна и составляла 83 %. Добавление субстрата в виде сахарозы на фоне застойного режима не оказывало существенного влияния на общую численность бактерий до 103%. А при затоплении коричневой почвы этот показатель возрастал до 119%. В естественных условиях развитию глееобразования способствует совместная деятельность анаэробных и аэробных бактерий. (Ottow, 1971). Следует отметить, что численность микрофлоры в черноземе подавлялась затоплением, а в коричневой почве на фоне застойно-промывного режима. Добавление субстрата во всех вариантах либо стимулировало микрофлору, либо достоверно не изменяла.
Таким образом, можно утверждать, что при биоиндикации переувлажнения и оглеения разных почв наиболее целесообразно применять показатели ферментативной активности. Показатель общей численности бактерий пригоден для индикации ограниченно. Наибольший отклик дает феррередуктаза, активность которой увеличивается в 6-10 раз. В свою очередь активность каталазы значительно понижается относительно контроля во всех вариантах. Фитотоксичность почвы так же может быть использована как маркер переувлажнения.
В 2016 году был заложен очередной эксперимент по лабораторному моделированию оглеения на фоне застойно-промывного водного режима. В качестве объектов были выбраны чернозем обыкновенный и разные подтипы бурой лесной почвы. Также добавилась задача проследить ежедневную динамику распределения показателей Eh-рН в надпочвенном растворе и лизиметрических водах, измерения «дыхания» почвы перед аэрацией образцов и измерения целлюлозолитической активности почв.
Для этого в мае 2016 года в качестве объекта исследования были отобраны чернозем обыкновенный (Ботанический сад ЮФУ, Ростов-на-Дону), бурая лесная кислая почва (пос. Горный, Краснодарский край, 2016), бурая лесная оподзоленная почва (Каткова щель, Краснодарский край, 2016) и бурая лесная слабоненасыщенная (Джубга, Краснодарский край, 2016). Восстановительные процессы были смоделированы с добавлением сахарозы. Контролем служила почва с оптимальным увлажнением. Параллельно были смоделированы варианты с застойным и застойно-промывным режимом без добавления субстрата.
Длительность эксперимента составляла 35 суток. Каждый из процессов диагностировался по морфологическим показателям и контролировался измерением окислительно-восстановительного потенциала (Eh, ОВП), рН и температуры надпочвенного раствора каждый день. Следует отметить, что ОВП воды составлял 320 мВ, рН - 7,8, а количество легкорастворимых солей составляло 0,18 %. В то время как ОВП раствора сахарозы составлял 287 мВ, рН – 7,8, концентрация солей – 0,18 %. Температура воздуха во время проведения модельного эксперимента составляла около 18-20 0С в дневное время. При рассмотрении распределения окислительно-восстановительного потенциала на фоне застойно-промывного режима с добавлением субстрата в черноземе обыкновенном происходит постепенное плавное снижение показателя Eh с максимумом в начале эксперимента: 184 мВ на 1 сутки (Рис.20). Минимальный ОВП для чернозема (-320 мВ) отмечен в середине эксперимента. Средняя величина ОВП для чернозема обыкновенного около -77 мВ. Динамика ОВП для чернозема характеризуется резким падением уже на следующие сутки при добавлении субстрата. В первой половине эксперимента отмечаются резкие переходы из анаэробиоза в аэробиоз, особенно в дни перед спуском лизиметрических вод и аэрацией, что объясняется разложением субстрата. После добавления новой порции субстрата наблюдается все большее снижение ОВП. Тем не менее, первая половина эксперимента характеризуется резкой сменой условий со стремлением к возврату к окислительной обстановке. Во второй части опыта, после 15 суток, для варианта чернозема обыкновенного сохранялись восстановительные условия до конца срока экспозиции. ОВП не поднимался выше 10 мВ. Отмечено усиленное газообразование в надпочвенном растворе на протяжении всего эксперимента, что говорит в пользу развития процессов сбраживания протеинов и маслянокислого брожения.