ASSESSMENT OF ENVIRONMENTAL STATUS OF SOIL STEPPE AGROECOSYSTEMS ON INDICATORS OF BIOLOGICAL ACTIVITY

Full Text

Исследованиями многих ученых доказана тесная взаимозависимость между численностью, составом почвенной микробиоты и интенсивностью биологических процессов. Микроорганизмы, населяющие почвенную толщу, обладают мощным ферментативным аппаратом, способствующим их участию в почвообразовании, в кругообороте биогенных элементов и в поддержании плодородия почв. Существует взаимосвязь между биологической активностью почв, во многом определяющейся жизнедеятельностью населяющих их микроорганизмов, и продуктивностью многолетних трав (Киреева и др. 2011). Следовательно, биологическая активность почвы, являющаяся одной из важнейших характеристик интенсивности микробиологических процессов, также выступает в роли информативного индикатора экологического состояния агроценозов (Ананьева и др. 2002; Семенова, Ильбулова 2011; Ros et all. 2003). Цель данной работы - интегральная оценка биологического состояния почв агроценозов на основе изучения их микробиологической и ферментативной активности. Исследования проводились в условиях степного Зауралья Республики Башкортостан. Морфологические и агрохимические особенности профиля почв изучаемых территорий позволяют отнести их к чернозему обыкновенному, среднемощному, тяжелосуглинистому на элювиально-делювиальных отложениях. В качестве основного объекта исследования была выбрана пашня с посевом многолетних трав, таких как кострец безостый, эспарцет сибирский, козлятник восточный, люцерна синегибридная, донник желтый. Для сравнения были изучены почвы на целине, представленной ковыльно-типчаковой растительностью, и пахотная почва с посевом зерновых культур (яровая пшеница). Материалы и методы Исходные материалы были собраны в ходе полевых экспедиций, организованных в летние сезоны. При закладке пробных площадок выбирались однородные участки с выровненным почвенным покровом. Образцы почвы из горизонта А отбирались в месте произрастания растений в фазу их цветения. Ферментативная активность почв изучалась с помощью следующих методов: каталазная - методом А. Ш. Галстяна (1974), целлюлозоразлагающая - методом аппликаций (Хазиев 2005), протеолитическая - по уменьшению массы азотосодержащих веществ желатины, уреазная - по учету количества аммиака, образующегося при разложении мочевины (Хазиев, Кабиров 1986). Для оценки экологического состояния почв агроэкосистем в качестве обобщающего коэффициента был использован интегральный показатель биологического состояния почвы (ИПБС). Для расчета ИПБС максимальное значение каждого из использованных показателей принимали за 100% и выражали в процентах значения остальных величин по отношению к нему. Далее определяли среднее значение из четырех выбранных показателей ферментативной активности для каждого варианта опыта. Использованная методика позволяет суммировать относительные значения разных показателей, абсолютные значения которых не могут быть суммированы, так как имеют разные единицы измерения. Принято считать, что при уменьшении ИПБС менее чем на 5% почва выполняет экофункции нормально, при снижении от 5 до 10% наблюдается нарушение информационных экосистемных функций почвы, от 10 до 25% - ухудшение биохимических, физико-химических, химических и целостных экосистемных функций, более чем на 25% - угнетение всех вышеперечисленных, а также физических экосистемных функций (Колесников и др. 2013). Численность основных эколого-трофических групп микроорганизмов устанавливали методом посева почвенной суспензии из разведений на агаризованные питательные среды. Для микроорганизмов, использующих органические формы азота, использовали мясо-пептонный агар (МПА), для микроорганизмов, употребляющих минеральные формы азота, - крахмало-аммиачный агар (КАА), для олиготрофов - голодный агар (ГА), для гумусоразлагающих микроорганизмов - агаризованную почвенную вытяжку (ПА) (Нетрусов, Котова 2005). Структуру микробного сообщества определяли по коэффициентам иммобилизации минерального азота (Кимм=КАА/МПА) и олиготрофности (Колиг= ГА/МПА). При Кимм>1 в почве протекают интенсивные процессы минерализации органического вещества, что улучшает минеральное питание растений, при Колиг>1 в почве недостаточно легкодоступных в отношении азота органических соединений, что приводит к преимущественному развитию олигонитротрофилов, развивающихся при низком содержании азота (Стахурлова и др. 2007). Результаты и обсуждение Ферментативная активность является надежным индикатором степени окультуренности почв (Даденко 2004; Семенова и др. 2012). Одним из показателей микробиологической активности и уровня плодородия почв является целлюлозолитическая активность, которая отражает процессы трансформации органического вещества, участвуя в вовлечении труднодоступных форм углерода в биологический круговорот, что в итоге сказывается на продуктивности биоты и уровне плодородия почв. На активность разложения клетчатки оказывают влияние биотические и абиотические факторы: влажность почвы, температура, внесение в почву минеральных удобрений, условия аэрации, характер растительного покрова и агротехника возделывания культур. Изучение целлюлозолитической активности исследуемых почв показало, что под целиной процент разложения целлюлозы выше 50%, в пахотных почвах ее активность снижается почти на 20% (табл. 1). По шкале О. Е. Пряженниковой (2011), интенсивность разрушения целлюлозы в почвах на варианте с целиной оценивается как сильная, на пашне - как средняя (от 30 до 50%). Активность уреазы является одним из наиболее отзывчивых показателей, реагирующих на стрессовую ситуацию в почве. Результаты исследования изменения уреазы почв агроценозов показали ее относительно низкую изменчивость, больший процент разложения мочевины наблюдается в пашне под сеяными многолетними травами, представленными, в основном, бобовыми культурами (показатели разложения аммиака за 20 часов составляют 0,48 мг). На целине и в пашне под зерновыми культурами показатели уреазной активности ниже: 0,43 и 0,40 мг соответственно (табл. 1). Таблица 1 Ферментативная активность почв агроценозов Агроценоз Целлюлоза,% Уреаза, расчет мг NH3 за 20 часов Протеаза,% Каталаза, мл KMnO4 /за 2,5 часа ИПБС,% Целина 57,53±18,1 0,43±0,01 71,56±16,6 1,32±0,4 79,99 Пашня (многолетние травы) 30,89±10,7 0,48±0,01 61,04±9,9 1,22±0,5 67,16 Пашня (зерновые культуры) 31,90±13,3 0,40±0,01 50,56±12,5 0,43±0,06 53,55 Определение активности протеазы позволяет выявить интенсивность процесса минерализации веществ белковой природы. Изучение протеолитической активности почв под разными агроценозами показало, что пахотное использование почв существенно снижает ее: если под целиной она составляла более 70%, то в пашне под травами - 61% и в пашне под зерновыми культурами - менее 50%. Среди ферментов из класса оксидоредуктаз, участвующих в катализе окислительно-восстановительных реакций, значительный интерес представляет каталаза, играющая ведущую роль в окислении органических веществ в процессе дыхания. Исследования каталазной активности почв агроэкосистем также показали ее снижение при окультуривании, в особенности на варианте пашни с возделыванием зерновых культур. На основе полученных данных о ферментативной активности проведена оценка экологического состояния почв агроэкосистем с помошью расчета ИПБС. На целине значение ИПБС составляет 80%, в пахотной почве под зерновыми культурами оно значительно ниже, что свидетельствует о нарушении информационных, а также биохимических, физико- химических, химических и целостных экосистемных функций почвы. Под сеяными многолетними травами ИПБС заметно возрастает по сравнению с почвой под зерновыми культурами, что показывает восстановление всех нарушенных экосистемных функций почвы, кроме информационных. Длительное пахотное использование черноземных почв не способствует накоплению общего азота, что связано не только с ежегодным отчуждением растительности, но и с усилением процессов минерализации азоторганических соединений. При этом с увеличением продолжительности использования почв в них снижается содержание легкодоступных растениям минеральных соединений азота. Общую направленность процессов превращения азота в почве можно оценить по численности основных физиологических (аммонификаторы, нитрификаторы, денитрификаторы, азотфиксаторы и др.) группировок и их соотношению. Так, количество легкодоступного азота в почве в определенной степени зависит от состава микроорганизмов, участвующих в превращении азота и минерализации органических остатков. Разложение органических азотсодержащих соединений осуществляется, главным образом, аммонифицирующими бактериями, которые при помощи внеклеточных ферментов переводят белковый азот в доступную для растений форму (Мишустин, Емцев 1987). Численность аммонификаторов в почвах агроценозов была выше в пахотных почвах, видимо, это связано с тем, что в результате обработки почвы в ряде случаев наблюдается активизация минерализационных процессов в ней (рис. 1). Рис. 1. Численность эколого-трофических групп микроорганизмов в почвах агроэкосистем Иммобилизацию минерального азота осуществляют микроорганизмы, способные усваивать аммиачный, аммонийный и нитратный азот. Численность групп микроорганизмов, выделяемых на средах с минеральными источниками азота, показывает потенциальную способность микробного сообщества почвы иммобилизовать азот в микробной биомассе, что повышает содержание биологически связанного азота и снижает его непроизводительные потери. Наибольшая численность иммобилизаторов минерального азота была выявлена также в пахотных почвах, особенно в пашне с возделыванием зерновых культур. Коэффициент иммобилизации, показывающий долю закрепленного в микробной биомассе азота в почве, был выше под целиной (Кимм=0,99), тогда как в пахотных почвах этот показатель варьировал от 0,56 до 0,64. От степени иммобилизации зависит содержание легкодоступного азота в почве, поскольку в микробную массу может включаться от 25 до 35% азота почвы и удобрений (Стахурлова и др. 2007). Немаловажную роль в трансформации азота в почве играют олигонитрофилы, нуждающиеся в минимальной концентрации органических азотсодержащих веществ. Высокую численность олигонитрофильных микроорганизмов наблюдали в целинных почвах. Следовательно, структура микробного сообщества данного биоценоза способствует закреплению азота в микробном звене трофической цепи, однако высокий показатель коэффициента олиготрофности в целинной почве (Колиг=1,67) свидетельствует о том, что под ними недостаточно легкодоступных в отношении азота органических соединений. Коэффициент олиготрофности в пахотных почвах значительно ниже: под многолетними травами составляет 0,47, под зерновыми - 0,40. Низкое содержание педотрофных микроорганизмов в почве под зерновыми культурами обусловлено особенностями технологии ее возделывания, связанной с периодической обработкой почвы, способствующей деградации гумусовых веществ. В почве под сеяными многолетними травами происходит увеличение количества педотрофных микроорганизмов, что объясняется накоплением органического вещества за счет мощного развития корневых систем трав. Заключение На основе данных анализа ферментативной активности чернозема обыкновенного степного Зауралья на разных угодьях можно заключить, что пахотное использование почв отрицательно воздействует на уровень гидролитических ферментов. Снижение интегрального показателя биологической активности пахотных почв под зерновыми культурами может свидетельствовать о нарушении их информационных, а также биохимических, физико-химических, химических и целостных экосистемных функций. Специфическая структура микробных сообществ в почвах под целиной препятствует выносу азота за пределы экосистемы. Сельскохозяйственное использование почв приводит к активизации минерализационных процессов и, соответственно, к снижению содержания азота в экосистеме. Возделывание многолетних трав улучшает биологическое состояние почв, что, несомненно, отражается на их плодородии. Полученные результаты подтверждают, что представленные в работе показатели ферментативной и микробиологической активности можно рекомендовать в качестве индикаторов благополучия почвенной среды, отражающих функциональное состояние почвенной биоты.

About the authors

R. F. Hasanova

Institute for Strategic Studies of the Republic of Bashkortostan

Candidate of Biological Sciences (PhD), Researcher

Yа. T. Suyundukov

Institute for Strategic Studies of the Republic of Bashkortostan

Doctor of Biology Sciences (Grand PhD), Head of the Research Center in Sibay

I. N. Semenovа

Institute for Strategic Studies of the Republic of Bashkortostan

Doctor of Biological Sciences (Grand PhD), Researcher

References

Supplementary files