Экологическое состояние и устойчивость почв таежно-лесной зоны к антропогенным воздействиям

Нарастающая антропогенная нагрузка на экоси- свинцовому загрязнению после длительного ис- стемы ставит вопрос и делает актуальной проблему понимания и оценки их устойчивости. Почва, как основное звено экосистемы, во многом определяет устойчивость биосферы и её очищение от загрязняющих веществ, что обусловлено в значительной мере способностью почвенных микроорганизмов разлагать широкий спектр природных и техногенных загрязнителей. Высокая чувствительность почвенных микроорганизмов даже к низким концентрациям загрязняющих веществ и любым нарушениям в почве позволяет использовать микробиологические характеристики для оценки экологического состояния почвы.

По мнению ведущих ученых (Глазовская, 1983; Одум, 1986; Благодатская, Ананьева, 1996; Ананьева, 2003) устойчивость почв к различным воздействиям определяется способностью микроорганизмов противостоять различным стрессам и возвращаться к нормальному функционированию. Широко применяемым показателем нарушения и мерой устойчивости почвы к воздействиям является величина микробного метаболического коэффициента (q СО 2 ), который определяется как отношение базального (фонового) дыхания почвы к её микробной биомассе (С мик.). По данным Н.Д. Ананьевой (2003), сравнивая величины q CО 2 нарушенной и ненарушенной (контроль) почвы можно дать оценку различным воздействиям и определить степень нарушения экологического состояния почвы.

В своих исследованиях мы попытались с помощью биохимических показателей оценить устойчивость зональных дерново-подзолистых и редких дерново-бурых почв таежно-лесной зоны к пользования их под посев зерновых культур.

Объект и методы исследований

Объектом исследований явились дерновоподзолистые и дерново-бурые слабооподзоленные почвы. Для характеристики профильного варьирования свойств почв, почвенные образцы отбирали по генетическим горизонтам в летние месяцы в пятикратной повторности с трех стенок почвенного разреза с соблюдением стерильности. Во влажном состоянии определяли в почвенных образцах содержание и состав эколого-трофических групп микроорганизмов. Часть почвенных образцов доводили до воздушно-сухого состояния и использовали для изучения физико-химических свойств и закладки модельных опытов.

При закладке модельных опытов использовали почвенные образцы верхних корнеобитаемых горизонтов до глубины 20 см. Образцы почв высушивали, растирали и пропускали через сито 3 мм. Модельные опыты с дозами уксуснокислого свинца послужили основой для определения устойчивости микробных систем к загрязнению. Загрязнение уксуснокислым свинцом проводили путем тщательного перемешивания соли с воздушно сухой почвой. Эта соль легко растворима, позволяет оценить максимальное действие свинца на функционирование микробных систем. Срок модельных опытов – 6 месяцев.

В свежих образцах определяли численность и состав основных эколого-трофических групп микроорганизмов по общепринятым методикам (Звя-

гинцев, 1980). Для определения степени разложения органического вещества рассчитывали коэффициент минерализации путем деления численности автотрофных бактерий на количество микроорганизмов, использующих органические формы азота.

Оценку биохимической активности микроорганизмов в исследуемых целинных и опытных образцах проводили на основе активности каталазы и уровня дыхания. Активность каталазы измеряли согласно методу, разработанному Хазиевым (1976). Активность дыхания определяли адсорбционным методом, в модификации Шаркова (1984), в замкнутых сосудах при экспозиции почвы в течение 24 ч. при оптимальном для функционирования микроорганизмов температурном режиме (+28^оС). В образцах измеряли базальное (фоновое) дыхание (БД), учитывая скорость выделения СО 2 почвой в течение 24 ч. при увлажнении её водой, и субстрат индуцированное дыхание (СИД) при внесении в почву глюкозы – дополнительного источника углерода и энергии. При этом рассчитывали углерод микробной биомассы и микробный метаболический коэффициент по методике, разработанной Ананьевой (2003). Ряд исследователей (Благодатская, Ананьева, 1996; Ананьева, 2003) считают, что метаболический коэффициент может служить интегральным показателем состояния почвенного микробного сообщества, как в естественном так и техногенно-измененном состоянии. В настоящее время, многочисленными экспериментами ученых доказано, что устойчивой экосистеме соответствует низкий уровень метаболического коэффициента. По данным Ю. Одума (1986) величина метаболического коэффициента должна быть высокой в молодых и нарушенных экосистемах и низкой и стабильной в целинных и устойчивых почвах.

Ряд микробиологических показателей и рассчитанных на их основе метаболических коэффициентов был предложен учеными РАН (Благодатская, Ананьева, 1996; Ананьева, 2003) в качестве чувствительных экофизиологических индикаторов (ЭФИ).

В своих исследованиях мы определяли интенсивность эмиссии СО 2 после месячного, двухмесячного и шестимесячного компостирования дерново-бурой почвы двух экосистем с различными дозами уксуснокислого свинца по фону и без фона минеральных удобрений, которые по мнению ученых могут снижать негативное действие тяжелых металлов (ТМ) на развитие и функционирование микроорганизмов. Для количественной оценки относительной реакции микробных сообществ почв различных экосистем на действие ТМ был использован экофизиологический индекс устойчивости, разработанный учеными РАН (Благодатская, Ананьева, 1996). Он рассчитывается по формуле I R =1–2C 0 /С 0 +Р 0 , где С 0 – значение экологического индикатора в контрольном ненарушенном образце;

Р 0 – значение экологического индикатора после какого-либо воздействия. Значение предложенного индикатора ограничено интервалом (-1; 1), значения индекса, близкие к –1, означают, что сопротивление системы инородному воздействию отсутствует. Значение индекса ЭФИ равно 0, если С 0 =Р 0 , т.е. значение ЭФИ после воздействия не изменилось и система осталась в ненарушенном состоянии.

Результаты исследований

Материалы почвенного обследования указывают на исключительно сложный и разнообразный характер почвенного покрова Пермского края, характерными особенностями которого являются частая пространственная смена, мелкоконтурность и пестрота. Основной земельный фонд края составляют почвы подзолистого типа (56.5% общей площади). В типе подзолистых почв резко преобладают дерново-подзолистые, большая половина которых используется в сельскохозяйственном обороте. Небольшими островками среди всего многообразия почв выклиниваются дерново-бурые и дерново-карбонатные почвы, формирующиеся на пермских глинах.

Отличительной особенностью морфологии дерново-бурых почв является слабая дифференциация профиля на генетические горизонты по цвету и сложению, красно-бурый цвет окраски, характерный для почвообразующей породы, превалирует по всему профилю. Высокое содержание гумуса, в отличие от зональных дерново-подзолистых почв, способствуют формированию в этих почвах своеобразных микробных ценозов с высоким относительным (%) содержанием спорообразующих бактерий и актиномицетов (табл. 1), что по мнению ряда исследователей (Благодатская, Ананьева, 1996; Артамонова, 2002; Ананьева, 2003) является показателем высокой устойчивости и самоочищающей способности почвы от загрязнения. Микробные сообщества дерново-бурых почв характеризуются многочисленной и разнообразной микрофлорой корнеобитаемого горизонта. Содержание микроорганизмов плавно снижается в глубь профиля почвы, в отличие от дерновоподзолистых почв.

Исследуемые дерново-бурые почвы обладают высокой биохимической активностью, что проявляется в интенсивности эмиссии СО 2 из почвы и активности окислительно-восстановительного фермента каталазы (табл. 1).

Чем ниже метаболический коэффициент, тем выше устойчивость и выше сопротивляемость микроорганизмов внешним воздействиям. При оценке экологического состояния зональных почв нами установлена наибольшая чувствительность к ТМ загрязнению ниже следующих показателей, которые по степени чувствительности располагаются в следующей последовательности: актино-

Таблица 2

Экофизиологический индекс устойчивости микроорганизмов дерново-бурых почв при свинцовом загрязнении

Как показали экспериментальные и расчетные данные, дерново-бурые высокогумусные почвы способны выдержать даже высокие концентрации уксуснокислого свинца, но не превышающие 400 мг/кг, не нарушая существенно условия развития и функционирования микроорганизмов. Однако при дозе Рb – 600 мг/кг происходят серьезные нарушения в составе микробоценоза, почва теряет способность самостоятельно справляться с загрязнением, необходимо проведение рекультивации. Внесение азотных удобрений в загрязненную свинцом почву усиливает негативное действие уксуснокислого свинца на микроорганизмы. Несколько сглаживающий эффект оказывали молибденсодержащие микроудобрения. Представляется перспективным изучение действия фосфорсодержащих минеральных удобрений для связывания и снижения негативного действия свинца.

Использование показателей микробного состава почв и их биохимической активности следует считать ведущими при определении экологического состояния почв и их устойчивости к техногенным нагрузкам, принимая за эталон целинные ненарушенные почвы (см. табл.1).