Биодиагностика деградации чернозема при развитии процессов гидроморфизма (в модельном эксперименте)

Переувлажнение является одним из главных экологических факторов, оказывающих влияние на эколого-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 [7]. В целях устойчивого развития сельского хозяйства необходимо краткосрочное и особенно долгосрочное прогнозирование деградаци-онных процессов и оценка риска воздействий антропогенного характера на почву и другие компоненты природных ландшафтов и агроландшафтов.

В последнее время в Ростовской области и на Юге России происходит существенное увеличение площади гидроморфных почв [7, 11, 12]. Эти почвы помимо временного переувлажнения подвержены и сопутствующим процессам: оглеению, уплотнению, слитизации и засолению. Наибольший интерес вызывает деградация черноземов, обладающих значительной буферностью свойств и высоким уровнем плодородия. Автоморфные черноземы на данный момент подвергаются интенсивному переувлажнению, не соответствующему экологии этих почв, приобретают признаки гидроморфизма, что и проводит к их деградации.

Цель исследования: изучение влияния гидроморфизма и сопутствующих деградационных процессов на эколого-биологические показатели чернозема с использованием лабораторного моделирования.

Объекты и методы исследований. Для лабораторного моделирования деградационных процессов на фоне переувлажнения и их влияния на экологобиологические свойства был выбран чернозем обыкновенный карбонатный южно-европейской фации среднемощный малогумусный на желто-бурых лессовидных суглинках. Отбор почвы производился на территории Ботанического сада ЮФУ. Для постановки эксперимента по изучению деградационных процессов в условиях лабораторного эксперимента были отобраны образцы почвы, массой более 10 кг. Затем образцы высушивались до воздушно-сухого состояния, размельчались и просеивались с использованием сита с диаметром пор 3 мм. Затем из гомогенного почвенного материала отобрали множественную пробу массой 400 г путем размещения почвы тонким слоем на плоской поверхности и разделения. Для постановки опыта были подобраны специальные условия и сконструированы пластиковые сосуды (минилизиметры). На дно сосудов были установлены синтетические фильтры и дренаж. Исследования эколого-биологических показателей проводили на 100 сутки от начала эксперимента. Каждый из процессов диагностировался по морфологическим показателям (окраска, структура) и контролировался измерением рН, количества солей и карбонатов, концентрации гумуса, объема лизиметрических вод. Схема лабораторного моделирования:

• 1.    Моделирование оглеения:

• -    застойный режим с использованием воды;

• -    оптимальное увлажнение + 1% р-р сахарозы;

• -    застойный режим + 1 % раствор сахарозы.

• 2.    Моделирование осолодения:

• - застойно-промывной режим с использованием воды;

  -застойно-промывной режим с использованием 0,1Н раствора Na 2 CO 3 .

• 3.    Моделирование закисления почв:

• - застойно-промывной режим с использованием воды;

• -застойно-промывной режим с использованием 0,1 Н раствора Н 2 SO 4 ;

• 4.    Моделирование образования солончаков.

• -    выпотной режим с использованием 1% раствора Na 2 SO 4 + NaCl;

• -    выпотной режим с использованием воды.

Контролем для всех моделируемых процессов служил чернозем с оптимальным увлажнением. Сброс лизиметрических вод в вариантах опыта с застойнопромывным водным режимом производили один раз в неделю через отверстие в нижней части минилизиметра. После сброса лизиметрических вод образцы оставляли на 1 сутки для высушивания. После аэрации образцы снова заливали раствором. Варианты опыта с застойным режимом размещали в сосудах с глухо закрытыми пробками. Также в сосуды были помещены стеклянные трубки для удаления воздуха. Сброс лизиметрических вод на фоне застойного режима провели в конце эксперимента.

Используемые в настоящей работе аналитические данные были получены с помощью разработанной и апробированной методологии исследования биологической активности почв [3, 9, 10, 15] с использованием общепринятых в биологии, экологии и почвоведении методов. Численность бактерий, актиноми-цетов и микроскопических грибов учитывали методом посева почвенной суспензии на плотные питательные среды. Использовали свежие образцы почв. На МПА (мясо-пептонный агар) выделяли бактерии, использующие органический азот, на КАА (крахмало-аммиачный агар) — бактерии, использующие минеральный азот (бактерии-нитрификаторы), и актино-мицеты. Численность грибов и сахаролитических бактерий учитывали на кислой среде Чапека. Все данные представлены в пересчете на массу воздушно-сухой почвы. Повторность 3-х кратная. рН почвы определяли в почвенной суспензии (почва/вода в соотношении 1/2,5) потенциометрически на иономере. Количество легкорастворимых солей определяли кондуктометрическим методом.

Концентрацию оксида железа (II) определяли фотометрическим методом с использованием фенан-тралина. Валовое содержание оксидов металлов и неметаллов определяли рентгенфлуоресцентным методом на приборе «Спектроскан Макс-GV». Общая численность бактерий, одноклеточных водорослей и длина грибного мицелия определялись люминесцентномикроскопическим методом на микроскопе Микмед 2, окрашиванием бактерий акридином оранжевым, а грибного мицелия - калькофлуором белым. Повторность опыта — 4-6-кратная. О ферментативной активности почв судили по активности ферментов разных классов: оксидоредуктаз - каталаза, дегидрогеназа и гидролаз - в -фруктофуранозидаза (фосфатаза). Повторность опыта 4-6 кратная. Содержание гумуса определяли по его окисляемости хромовой смесью [14].

Результаты и их обсуждение. При исследовании физико-химических характеристик установлено, что величина показателя рН варьировала в пределах от 6,2 в варианте с моделированием закисления до 9,6 в варианте с осолодением. В контрольном варианте чернозема с оптимальным увлажнением этот показатель составлял 8,2. В остальных вариантах реакция среды незначительно отличался от контроля. Концентрация легкорастворимых солей варьировала в пределах от 0,05 до 0,86%, причем максимальный показатель наблюдался при исследовании вариантов с моделированием образования солончаков. Количество карбонатов составило в среднем 0,9%, в то время как в варианте с осолодением карбонатность бала минимальна - 0,1%, а при исследовании модели с закислением карбонаты не были обнаружены.

Концентрация гумуса повышалась при затоплении и оглеении, и незначительно понижалась при закислении, осолодении и засолении. Также наблюдалась высокая концентрация оксида железа (II) в вариантах с оглеением, которая составляла 1800 мг/100 г почвы, что в 15 раз превышало концентрацию оксида железа (II) в контрольном варианте. При исследовании элементного состава рентгенфлуоресцентным методом на приборе «Спектроскан Макс-GV» были получены следующие результаты (табл. 1). Изменение элементного состава чернозема обыкновенного при моделировании деградационных процессов проявляется весьма незначительно. Происходит уменьшение доли оксида марганца в варианте с закислением (740,2 мг/кг) и сочетанным воздействием затопления и сахарозы - (797,4 мг/кг) по сравнению с контрольным вариантом. В целом существенных систематических изменений валового состава относительно контрольного образца не обнаружено, так как существенного выноса элементов в отведенный промежуток времени не происходило.

Данные об изменении численности различных микробных сообществ при моделировании деградаци-онных процессов на фоне переувлажнения представлены в табл. 2. Максимальная численность бактерий, культивируемых на среде МПА, отмечена в варианте с сочетанным воздействием сахарозы и затопления -172 млн./г. Закисление, осолодение и застойно-промывной режим значительно не подавляют численность бактерий. Минимальное количество бактерий наблюдалось в солончаке и составляло 17 млн./г. При исследовании обилия микромицетов установлено их ингибирование при осолодении, оглеении, застойно-промывном режиме и затоплении. Наиболее губительное воздействие на мицеллярные формы оказало оглеение с минимумом численности 1 тыс./г. В данном случае наблюдалась обратная корреляция между бактериями и грибами. Актиномицеты и амилолитики приурочены к более низким показателям влажности (27%), именно поэтому их численность подавляет затопление. Полное отсутствие актиномицетов отмечено при моделировании процесса оглеения.

Численность сахаролитических бактерий стимулирует сахароза в сочетании с оптимальным увлажнением - 0,4 млн./г. Затопление и хлоридно-сульфатное засоление не оказывает на них существенного влияния. В свою очередь, сахаролитики полностью отсутствуют в вариантах с осолодением и закислением черноземов. Обилие азотфиксаторов значительно подавляется только при моделировании закисления с минимумом численности 28%. Во всех остальных вариантах эксперимента обилие бактерий р. Azotobacter не изменялось. При помощи таких показателей как общая численность бактерий и одноклеточных водорослей, определенных методом люминесцентной микроскопии, удалось диагностировать негативное воздействие осолодения, засоления и закисления. Наименьшая численность бактерий наблюдалась в варианте с осолодением и составляла 8 млрд./г. В то время как добавление сахарозы как в сочетании с оптимальным увлажнением, так и при затоплении стимулировало бактериальную флору. Общее число водорослей варьировало от 11 тыс./г при оптимальном увлажнении и затоплении до 2 тыс./г при закислении, осолодении и засолении. Длина грибного мицелия варьировала от 0,001 км/г почвы в варианте с осолоде-нием и засолением до 0,017 км/г почвы при оптимальном увлажнении.

При определении ферментативной активности были получены следующие результаты (табл. 3). Ингибирование активности каталазы происходит при исследовании процессов затопления, закисления, осоло-дения и оглеения. Максимальная активность каталазы наблюдалась в варианте с оптимальным увлажнением и добавлением сахарозы и составляла 8,1 мл О2/г/мин. В контрольном варианте этот показатель составлял 6,7 мл О2/г/мин. Наибольшее снижение активности каталазы произошло при моделировании осолодения – 0,9 мл О2/г/мин.

Таблица 1. Содержание оксидов металлов и неметаллов в гидроморфных черноземах при моделировании различных процессов

Вариант	TiO 2 %	MnO мг/кг	Fe 2 O 3 %	CaO %	Al 2 O 3 %	SiO 2 %	P 2 O 5 %	K 2 O %	MgO %
Контроль	0,8	815,4	4,6	1,8	11,5	66,0	0,1	2,1	1,3
Застойный режим	0,9	807,9	4,7	1,8	11,6	66,4	0,2	2,1	1,3
Оптимальное увлажнение + 1% сахароза	0,8	840,1	4,6	1,9	11,4	66,0	0,2	2,1	1,3
Застойный режим + 1% сахароза	0,8	797,4	4,6	1,7	11,5	66,5	0,2	2,1	1,2
Застойно-промывной режим	0,8	822,6	4,6	1,9	11,5	65,9	0,1	2,1	1,3
Застойно-промывной режим + 0,1 Н Na 2 CO 3	0,8	858,5	4,6	2,1	11,2	66,2	0,2	2,0	1,3
Застойно-промывной режим + 0,1 Н Н 2 SO 4	0,8	740,2	4,6	1,7	11,4	66,4	0,2	2,0	1,3
Выпотной режим	0,8	791,1	4,6	1,9	11,4	66,1	0,1	2,1	1,3
Выпотной режим + 1% Na 2 SO 4 + NaCl	0,8	820,7	4,5	1,8	11,2	66,8	0,1	2,0	1,2

Таблица 2. Микробиологические характеристики гидроморфных черноземов

Вариант	Бакте терии, млн/г	Мик-роми-цеты, тыс/г	Акти-номи-ми-цеты, тыс/г	Ами-лоли-тики, млн/г	Саха-роли-тики, млн/г	Азот-фик-сато-ры, %	Общая числен-лен-ность бактерий, млрд/г	Водоросли, тыс/г
моделирование глеевого процесса
Контроль	34	44	5	0,3	0,2	100	17	11
Застойный режим	47	6	1	0,2	0,3	100	11	11
Оптимальное увлажнение + 1% сахароза	23	27	3	0,4	0,4	100	18	9
Застойный режим + 1% сахароза	172	1	0	0,3	0,3	100	23	11
моделирование осолодения
Застойно-промывной режим	35	5	7	0,4	0,2	100	15	7
Застойно-промывной режим + 0,1 Н Na 2 CO 3	85	16	2	0,4	0	100	8	2
моделирование закисления
Застойно-промывной режим + 0,1 Н Н 2 SO 4	73	33	10	0,4	0	28	9	2
моделирование образования солончаков
Выпотной режим	23	171	6	0,4	0,3	100	16	7
Выпотной режим + 1% Na 2 SO 4 + NaCl	17	31	4	0,3	0,3	100	10	2

Таблица 3. Ферментативная активность гидроморфных черноземов

Вариант	Каталаза, мл О 2 /г/мин	Дегидрогеназа, мг ТТФ/г/24 ч	Фосфатаза, Р 2 О 5 /г/ч
моделирование глеевого процесса
Контроль	6,7	22,8	0,38
Застойный режим	3,1	24,2	0,41
Оптимальное увлажнение + 1% сахароза	8,1	88,8	0,37
Застойный режим + 1% сахароза	2,8	17,6	0,45
моделирование осолодения
Застойно-промывной режим	5,1	31,3	0,40
Застойно-промывной режим + 0,1 Н Na 2 CO 3	2,9	9,6	0,15
моделирование подкисления
Застойно-промывной режим + 0,1 Н Н 2 SO 4	0,9	10,1	0,07
моделирование образования солончаков
Выпотной режим	6,5	20,8	0,31
Выпотной режим + 1% Na 2 SO 4 + NaCl	6,4	18,8	0

При исследовании активности дегидрогеназы наметилась похожая тенденция: ее максимальная активность наблюдалась в варианте с сочетанным воздействием оптимального увлажнения и сахарозы – 88,8 мг ТТФ/г/24 ч, а минимальная – при моделировании осолодения и закисления. Эти процессы более, чем в 2 раза подавляли активность дегидрогеназы по сравнению с контролем. Активность фосфатазы ингибируется засолением, задкислением и осолодением. Если при процессе закисления и осолодения наблюдалось значительное снижение активности фосфатазы, то при моделировании солончаков активность была нулевой. Активность фосфатазы повышается в вариантах с застоем влаги. Максимум активности - 0,45 мг Р2О5/г/ч – отмечен в варианте с оглеением.

Выводы: чернозем обыкновенный существенно отличается от автоморфного. Это отражается в физикохимических и эколого-биологических изменениях. Оглеение значительно повышает общую численность бактерий, которые выступают дублерами микромице-тов и актиномицетов. Степень гидроморфизма в сочетании с развитием глеегенных процессов оказывает влияние на ферментативную активность за счет развития восстановительных условий, при которых ингибируется активность каталазы и дегидрогеназы. Происходит увеличение активности фосфатазы, что объясняется высокой интенсивностью протекания биогенных процессов. Происходит огромное накопление закисных форм железа. Осолодение подавляет общую численность водорослей, сахаролитических бактерий и мицеллярную флору, ингибирует ферментативную активность. Происходит сдвиг реакции среды в щелочную сторону, снижается гумусированность и карбонат-ность. Моделирование закисления приводит к снижению численности водорослей, сахаролитических бактерий и азотфиксаторов с одновременным негативным воздействием на ферментативную активность. Происходит сдвиг реакции среды в кислую сторону, снижается гумусированность и исчезают карбонаты. Моделирование хлоридно-сульфат-ного приводит к снижению всех исследуемых показателей в разной степени. Наиболее информативные – активность фосфатазы, длина грибного мицелия и численность одноклеточных водорослей. Происходит накопление большого количества солей и снижение содержания гумуса. Моделирование и развитие деградационных процессов на фоне переувлажнения оказывает большее влияние на почву, чем разные режимы и условия увлажнения. Хорошо зарекомендовали себя не только ферментативные показатели, но и некоторые группы микроорганизмов и их численность. Можно прогнозировать, что для черноземов при усилении гидроморфности неизбежно развитие сопутствующих деградационных процессов, что приводит к эволюции их в сторону почв, принципиально отличающихся от автоморфных с радикальным изменением эколого-биологических свойств.

Исследование выполнено при поддержке Министерства образования и науки РФ (6.345.2014/K) и государственной поддержке ведущей научной школы РФ (НШ-9072.2016.11).