Динамика микробных и биохимических показателей пирогенных почв Ханты-Мансийского автономного округа

Лесные пожары являются неотъемлемой частью естественной и антропогенной трансформации окружающей среды. Глубина и характер пирогенных изменений определяется, как правило, по нарушению и восстановлению лесного комплекса, не принимая во внимание деградацию почвы (табл. 1) [1-3]. Пожар не просто нарушает химический состав грунта и уничтожает часть микроорганиз- мов на какое-то сравнительно небольшое, порядка нескольких лет, время. Инициированные пожаром изменения приводят к радикальной перестройке экосистемы и ускоряют круговорот азота и углерода, который продолжает проходить с большей скоростью на протяжении десятков, если не сотен лет [4-6].

Таблица 1. Анализ прохождения лесных пожаров за период 2004-2010 гг. [1]

Показатели/годы	2004	2005	2006	2007	2008	2009	2010
количество пожаров, шт.	1028	893	373	386	210	412	440
площадь возгорания, га	62742	96307	15783	14993	5607	8172	5362 7
ущерб, млн. руб.	4 094	2 779	314	197	208	157	684

Микробные комплексы в силу большого разнообразия их биохимических функций и высокой чувствительности к изменениям среды перспективны в качестве критериев для оценки состояния пирогенных почв. Исследование динамики структуры и функциональной активности микро-боценозов после пожаров разной интенсивности позволяет использовать эколого-биологические и биохимические характеристики почв для прогнозирования скорости и направленности процессов после пожарного лесо возобновления [7-9].

Пожары средней и высокой интенсивности в первый год оказывают негативное влияние на структуру и функциональную активность микробных комплексов подзолистых почв. Снижается численность и биомасса микроорганизмов азотно-углеродного цикла, обедняется качественный состав, снижается интенсивность микробного дыхания, повышается олиготрофность п

почв в отношении азота. На состояние микробных комплексов почв влияет не только интенсивность пирогенного воздействия, но и погодные условия на момент пожара [10-12]. Благоприятное сочетание влажности и прогревания почвы стимулирует микробиологические процессы минерализации органического вещества, оказывая положительное влияние на лесорастительные условия в лесных биогеоценозах. Действие пирогенного фактора на микробоценозы почв неоднозначно, что определяется как неравномерным распределением горючих материалов, так и мозаичным характером произрастания напочвенного покрова и микрорельефом [13]. Пожары низкой интенсивности повышали активность микробиологических процессов в почвах, что создавало благоприятные предпосылки для после пожарного формирования живого напочвенного покрова и активного лесного возобновления [17].

Цель работы: исследование биологической и биохимической трансформации пирогенных почв в разные этапах восстановления.

Для исследований были выбраны 4 участка дерново-подзолистых почв, расположенных в Сургутском районе. Участки характеризуются пирогенным воздействием разного возраста: 1, 5, 10 и 20 летней давности. Чистые участки (контрольные) не подвергнутым огненному воздействию. На участках выбраны точки, где заложены почвенные разрезы, проведено описание и отбор образцов для почвенного, микробиологического и ферментативного анализов.

Аналитические исследования проводили на свежих образцах почвы. О биологической активности почвы судили по численности физиологических групп микроорганизмов: общее микробное число, мицеллиальные грибы, дрожжи и анаэробные бактерии [14]. Биохимическая активность почв определялась измерением ряда ферментов: каталазы, дегидрогеназы, уреазы и протеазы [15]. В сухих почвенных образцах определялись: кислотность рН, гидролитическая кислотность (Hr) и емкость обменных оснований (S) [16].

Поступление в результате пожаров большого количества минерализованного органического вещества вызвало резкий сдвиг параметров почвен-но-поглощающего комплекса. Сорбирующая способность «угольного» материала переформировывают ионный баланс и вызывает увеличение процесса создания новых коллоидных компонентов (рис. 1). Высокотемпературное воздействие на верхние горизонты почв приводит к разрушению сформированных почвенных агрегатов, изменению структуры сложения горизонтов и в значительной мере меняет характеристики собственно минеральной составляющей, переводя ряд минералов к потере важных физико-химических свойств. Кислотность изменяется в нейтральную сторону, что вызвано связыванием ионов водорода и алюминия. На протяжении последующих лет значения рН возвращаются к слабо-кислой, и по истечению 20 лет достигают контрольных по всему почвенному профилю. Причиной возврата является специфический для хвойных лесов растительно-древесный опад, насыщающий почву кислыми компонентами.

Функционирование почвенно-поглощаю-щего комплекса нарушается в сторону увеличения гидролитической кислотности и емкости обменных оснований. Формируемая новая коллоидная система имеет значения в 2-3 раза выше контрольных на глубину до 60-70 см по профилю почв. Это в свою очередь меняет доступность различных элементов питания, перестраивая взаимоотношения в пищевых цепях почвенной экосистемы. По мере восстановления пирогенных почв, увеличение емкости почвенно-погло-щающего комплекса продвигается вниз по профилю, по причине поддержки развивающейся корневых систем нового фитоценоза.

Активность различных эколого-трофических групп почвенных микроорганизмов определяется доступностью ряда основных элементов, в первую очередь азота и фосфора и компонентов физиологического баланса. Термическое воздействие на верхний слой почвы, приводящее к практически их полной биологической «стерилизации» происходит на фоне поступления большого количества легкодоступных компонентов для энергетического и пластического обмена. В последующие сезоны после пожара в почве разворачивается борьба за эти элементы с последовательным формированием зависящих друг от друга микробных группировок (рис. 2).

В первые несколько лет доминирование принадлежит бактериальным формам, чья численность по отношению к контрольным участкам, возрастает в несколько раз, и это развитие имеет ограничение по профилю почвы. На глубинах поле 50-60 см активно развиваются группы факультативных анаэробов. Помимо этого происходит активный вынос элементов питания новым развивающимся фитоценозом. По прошествии 20 лет после пирогенного воздействия общая микробная активность нарушенной и контрольной почв практически выравнивается, однако активность анаэробов остается высокой. Причиной этому служит слитность, вследствие спекания почвенных агрегатов, вновь сформированного дернового горизонта, не обеспечивающего тем самым формирование большого количества микропустот в почвенных агрегатах.

Пирогенный фактор воздействовал на мик-робоценозы почв неоднозначно в пределах профиля одного участка. Этому способствовало неравномерное распределение зольных материалов, пестрый характер произрастания напочвенного покрова и специфика микрорельефа. Пожары повышали активность микробиологических процессов в почвах, что формировало благоприятные предпосылки для после пожарного формирования нового напочвенного покрова и активного лесовозобновления по всем ярусам леса. Развитие ферментативной активности почв определяется суммарным взаимодействием биологических элементов всех уровней, развитием корневых систем и поглощающей (иммобилизирующей) функцией почвы. Пирогенное воздействие полностью уничтожает как элементы этого взаимодействия, так и многовременные налаженные физиологические и биохимические механизмы формирования, передачи и использования различных ферментов и других биологически активных веществ (рис. 3).

В первый сезон после пожара ферментативная активность смещается вниз по профилю, и в своих значениях превосходит контрольные показатели. Этому в немалой степени способствует промывной режим, утягивающий не закрепленные на почвенных агрегатах ферменты и активизация микрофлоры в нижележащих горизонтах. В последующих сезонах наблюдается активизация дегидрогеназы и уразы в значениях, почти в двое превосходящих контрольные. Такая картина свидетельствует об активном перераспределении доступных форм углерода и азота и изменением их соотношения. На период десятого сезона после пожара происходит концентрация ферментативной активности на глубине 20-30 см, где активно формируется новый дерновый горизонт, имеющий оптимальные условия для протекания разнообразных биохимических процессов. В последующем динамика ферментативных процессов на пирогенных почвах сходна с почвами контрольного участка, но в абсолютных значениях выше в 1,5-2 раза. Это является следствием стабилизации поглотительного комплекса почвы, поступлением новых корневых остатков и опаду на фоне активизации общей биологической активности.

Рис. 1. Изменение почвенных показателей в контрольных и пирогенных почвах

Рис. 2. Изменение численности микроорганизмов в контрольных и пирогенных почвах

Рис. 3. Изменение активности ферментов в контрольных и пирогенных почвах

Выводы: влияние пирогенного фактора на различные элементы почвенной системы разнообразны, разнонаправлены и формируют условия для внутреннего перераспределения пластических и энергетических процессов, но в целом они укладываются в общую стратегическую систему взаимоотношения факторов почвообразования. Любые изменения в составе и деятельности микроценоза пирогенных почв лишь усиливают или ослабляют отдельные известные нам химические, физиологические и биохимические процессы, происходящие в рамках данной почвенно-климатической зоны.