Каталазная активность подзолистых почв и ее изменение при естественном лесовосстановлении на вырубках среднетаежных еловых лесов

Ферментативная активность почв – один из важнейших показателей, характеризующий их биологическое состояние (состояние почвенного биотического комплекса) и экологические условия функционирования [11, 24]. Количественные параметры содержания и активности почвенных ферментов тесно связаны с функционированием в почвах микроорганизмов, беспозвоночных животных, корневой системы растений, которые при жизни, а также в результате автолиза клеток после их смерти, выделяют значительное количество различных биогенных веществ, в т.ч. и ферментов [5, 12, 13]. Наличие в почвах ферментов определяет скорость и направление протекания процессов разложения растительного опада и синтеза гумусовых веществ. Комплексы ферментов, представленные в различных типах почв, существенно отличаются по активности биокаталитических реакций и ответной реакции на внешние воздействия, что позволяет использовать параметры фермен-

тативной активности для характеристики почв и оценки их экологического состояния. Первоочередное внимание в этом плане уделяется оценке активности в почвах ферментов, относящихся к классу оксидоредуктаз [11, 21, 23]. Это обусловлено тем, что оксидоредуктазы играют ведущую роль в регуляции скорости протекания в почвах окислительно-восстановительных реакций, лежащих в основе синтеза гумусовых веществ, а также в катализе биохимических процессов, протекающих в клетках живых организмов.

Наиболее часто в биологии и экологии почв из группы оксидоредуктаз используют определение активности фермента каталазы. Каталаза участвует в расщеплении перекиси водорода, образующейся при автоокислении многих органических веществ в клетках живых организмов, а также в почвах, до молекулярного кислорода и воды. Каталазная активность – достаточно устойчивый и информативный показатель при энзимологической диагностике почвенных разностей [6, 20]. Параметры активности фермента каталазы используют при изучении различных типов почв как с целью характеристики их биологических свойств [20, 24, 25], так и для оценки влияния различных антропогенных факторов на состояние почвенных систем [17, 26], включая воздействие на лесные экосистемы лесозаготовительной деятельности [1, 2, 4, 16, 28]. Однако, как свидетельствует анализ литературы, данные по влиянию рубок на изменение каталазной активности почв носят весьма противоречивый характер, что и предопределило цель настоящей работы.

Цель данной работы заключается в оценке каталазной активности подзолистых текстурно-дифференцированных почв и выявлении закономерностей ее изменения в процессе де-мутационной сукцессии при естественном лесовосстановлении после сплошнолесосечных рубок среднетаежных ельников черничных.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Объектами исследования послужили почвы стационарного участка Института биологии Коми НЦ УрО РАН, где, начиная с 2005 г., проводится комплексное изучение последствий рубок главного пользования в экосистемах средней тайги [19]. Территориально стационар расположен в бореальной зоне европейского северо-востока России, в границах муниципального образования муниципальный район «Усть-Куломский» Республики Коми. Подробное описание выделенных для наблюдений участков, включая характеристику строения и свойств подзолистых текстурно-дифференцированных почв фонового участка и разновозрастных вырубок, приведены в ряде работ [7, 8, 14, 15, 27]. Для выявления закономерностей изменения ферментативной активности почв после рубок еловых лесов использовали два ключевых участка: ПП1 – фоновый, представлен коренным ельником черничным, и участок ПП2, на котором в зимний период 2001/2002 гг. проведена сплошнолесосечная рубка ельника черничного. В настоящее время на участке ПП2 сформировалось молодое лиственно-хвойное насаждение из березы, ели и пихты с участием рябины [15, 19]. Почвенный покров ключевых участков сложный, отличается пестротой и мел-коконтурностью. В его структуре преобладают подзолистые и подзолистые глееватые текстурно-дифференцированные почвы. Благодаря временному переувлажнению в первые годы после сведения древесной растительности, почвы участка ПП2 характеризуются развитием поверхностного оглеения и возрастанием в структуре почвенного покрова доли сложных подтипов подзолистых текстурно-дифференцированных почв – подзолистых поверхностно-глееватых с микропрофилем подзола [15].

Ферментативную активность почв изучали в органогенных (подгоризонты О1, О2, О3) горизонтах и минеральных подзолистых (EL[e]; EL[e,g]). Пробы почв отбирали на каждом выделенном участке в 9-10 кратной повторности в течение летне-осеннего периода 2008-2010 гг. и однократно – в августе 2013 г. Пробы почв доводили до воздушно-сухого состояния и готовили к исследованиям в соответствии с требованиями к подготовке образцов для проведения биохимических исследований [6, 23]. Активность каталазы определяли в смешанных образцах газометрическим методом в 3-кратной повторности [11, 23].

Метод основан на измерении скорости распада перекиси водорода при взаимодействии её с почвой по объему выделившегося кислорода. Статистическую обработку полученных результатов проводили с использованием пакета программ STATISTICA 10.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Как известно, каталазную активность проявляют практически все почвы. Наличие в почвах фермента каталазы связано с жизнедеятельностью преимущественно аэробных микроорганизмов [17, 24, 25]. Однако разложение перекиси водорода может осуществляться не только ферментом каталазой, но и присутствующими в почвах катализаторами абиотической природы [20, 21]. Ими могут быть органические соединения, глинистые минералы, различные химические элементы с переменной валентностью и т.д. При использовании газометрического метода можно определить суммарную каталитическую активность ( Σ _КА) почвы – по количеству выделившегося кислорода при обработке перекисью водорода воздушно-сухого образца почвы, оценить вклад абиотических катализаторов (КА_НФ) – по количеству кислорода, выделившегося при обработке перекисью водорода образца почвы, инактивированного при температуре 180 °С, и определить вклад фермента каталазы (КА_Ф) в каталитическую активность почв – по разнице между Σ _КА и КА_НФ.

Согласно полученным нами данным, суммарная каталитическая активность почв коренного ельника (ПП1) и лиственно-хвойного сообщества, сформировавшегося на вырубке (ПП2), варьирует в достаточно широких пределах (табл. 1). Максимальной величиной Σ _КА отличаются подгоризонты лесной подстилки, в минеральном подзолистом горизонте она снижена в 3,6-4,1 раза. В органогенных горизонтах всех рассмотренных нами почв вклад ферментативной (КА_Ф) и неферментативной каталитической (КА_НФ) активности в величину Σ _КА составляет 47–55 %. В подзолистом горизонте, вне зависимости от фитоценоза (коренной еловый лес, вторичное лиственно-хвойное насаждение), на долю КА_Ф приходится 25 %, КА_НФ – 75%.

Для почвы участка ПП1 отмечена тенденция возрастания вклада активности каталазы в величину Σ _КА в направлении от верхней части подстилки к нижней: в подгоризонте О1 ее доля в суммарной каталитической активности составляет 50,6, в О2 – 51,8, в О3 – 54,6 %. Относительное возрастание в нижней части лесной подстилки величины КА_Ф связано с активной трансформацией здесь растительных остатков и синтезом гумусовых веществ, протекающих при существенной роли почвенной микробиоты – основного источника поступления ферментов в почву [3, 9, 12]. В почве участка ПП2 картина

Таблица 1. Пределы варьирования каталитической активности в почвах коренного ельника черничного (ПП1) и лиственно-хвойного насаждения (ПП2), сформировавшегося на вырубке 2001/2002 гг., см³ О₂ ·г^-1·мин^-1

Горизонт (подгоризонт)	Параметр	^ КА		КАФ		КА нф
		ПП1	ПП2	ПП1	ПП2	ПП1	ПП2
01	X	9,0	8,5	4,6	4,2	4,5	4,3
	±Д	1,5	1,2	1,5	1,1	0,5	0,5
	min	4,0	2,8	0,0	0,2	2,0	2,6
	max	19,0	18,2	14,4	12,2	7,2	6,2
02	X	8,6	9,1	4,5	4,4	4,1	4,8
	±д	0,8	1,1	0,9	1,1	0,4	0,6
	min	5,0	5,2	0,6	0,2	2,2	2,8
	max	13,8	16,2	10,4	10,0	6,6	8,4
03	X	9,2	8,4	5,0	3,9	4,2	4,3
	±д	1,0	0,8	1,1	0,9	0,6	0,4
	min	4,4	5,2	1,4	1,0	2,4	2,8
	max	14,0	12,6	9,8	9,0	7,0	6,8
EL[e(g)]	X	2,3	2,3	0,6	0,6	1,7	1,7
	±д	0,5	0,5	0,3	0,3	0,4	0,4
	min	0,2	0,3	0,0	0,0	0,1	0,2
	max	3,6	4,5	1,9	2,6	3,2	3,4

Примечание. Здесь и далее: Σ _КА – суммарная каталитическая активность; КА_Ф – активность фермента каталаза; КА_НФ – неферментативная каталитическая активность; Х – среднее арифметическое; ±∆ – границы доверительного интервала (р < 0,05); min и max соответственно минимальное и максимальное значение показателя.

распределения вклада КА_Ф и КА_НФ в величину Σ _КА несколько меняется. Здесь доля активности фермента каталазы в органогенном горизонте снижается вниз по профилю от 49,3 (О1) к 48,0 (О2) и 47,1 (О3) %. Уменьшение доли КА_Ф может косвенно свидетельствовать о снижении активности функционирования почвенной микробиоты в почве вырубки.

Анализ данных по активности фермента каталазы (ферментативная каталитическая активность – КАФ) в почвах участков ПП1 и ПП2 показал следующее. Подгоризонты лесных подстилок рассмотренных нами почв отвечают, по градации Д.Г. Звягинцева [10], среднему уровню обо-гащенности ферментом каталазой – 3,9–5,0 см3 О2·г-1·мин-1 (табл.1). В отдельные сроки, в верхней части органогенного горизонта, величина КАФ может достигать 10,0–14,4 см3 О2 ·г-1·мин-1, что соответствует уровню почв, богатых ферментом каталазой. Однако в нижней части подстилки (подгоризонт О3) даже в наиболее оптимальные по условиям годы уровень содержания каталазы в исследованных нами почвах не выходит за пределы средней степени обогащенности.

Подзолистые горизонты характеризуются крайне низкой активностью фермента каталазы (табл. 1), соответствующей, по градации Д.Г. Звягинцева [10], очень бедному или бедному уровню обогащенности. В сравнении с органогенными горизонтами, в минеральной части почв она снижена в 6,5-8,3 раза. Такая картина в профильном распределении показателей каталазной активности характерна для почв таежных лесов [18], что обусловлено резким снижением биомассы и функциональной активности микроорганизмов при переходе от органогенных горизонтов к минеральным [22].

Оценка сезонной динамики каталитической активности проведена нами на примере данных, полученных в течение 2009 г. Как видно (рис. 1), почвы исследованных ключевых участков в летний (июнь-июль) и осенний (сентябрь-октябрь) периоды различаются по параметрам суммарной каталитической активности. В осенний период величина Σ _КА возрастает, что связано со спецификой жизнедеятельности почвенной микробиоты, погодными условиями вегетационного периода и особенностями поступления свежего растительного опада. Холодное с избыточным количеством осадков начало летнего периода 2009 г. обусловило низкую микробиологическую активность почв, что нашло свое отражение в относительно невысоких значениях каталитической активности (рис. 1). Основной вклад в ее величину в этот период вносила неферментативная каталитическая активность (табл. 2).

□ ПП1

И ПП2

июнь июль сентябрь октябрь

Рис. 1. Изменение величины суммарной каталитической активности (ось Y, см³ О₂ ·г^-1·мин^-1) подзолистых почв в течение летне-осеннего периода 2009 г.:

ПП1 – коренной ельник черничный;

ПП2 – молодое лиственно-хвойное сообщество, сформировавшееся на вырубке

Таблица 2. Изменение ферментативной (КА_Ф) и неферментативной (КА_НФ) каталитической активности почв коренного ельника (ПП1) и молодого лиственно-хвойного сообщества (ПП2) в течение летне-осеннего сезона 2009 г., см³ О₂ ·г^-1·мин^-1

Участок	Горизонт	Срок отбора
		июнь		июль		сентябрь		октябрь
		КА ф	КА нф	КА ф	КА нф	КА ф	КА нф	КА ф	КА нф
ПП1	01	1,9±0,8	4,1±0,8	0,2±0,0	4,7±0,4	5,7±1,6	2,9±1,9	7,4±0,5	3,7±0,3
	02	2,3±0,8	3,9±0,3	2,3±1,0	4,6±0,7	6,0±0,9	3,7±0,6	5,1±1,0	4,0±0,5
	03	3,1±1,0	3,2±0,9	2,2±2,1	4,2±0,7	5,3±0,8	3,7±0,8	5,9±0,8	3,4±0,5
	EL[e]	0,6±0,4	2,1±0,1	0,1±0,2	2,6±0,2	1,8±0,2	1,7±0,1	1,6±0,5	1,5±0,4
ПП2	01	3,0±1,3	3,7±0,3	1,9±0,4	4,5±0,4	4,9±0,3	3,4±0,0	3,6±0,5	4,0±0,5
	02	1,6±0,5	3,7±0,3	1,0±0,7	4,3±0,4	4,4±0,5	3,7±0,3	4,7±1,0	4,3±0,3
	03	1,9±0,3	3,3±0,3	1,5±1,8	3,8±1,4	4,3±0,8	4,1±0,3	2,8±0,5	4,1±0,3
	EL[e,g]	0,4±0,4	2,0±0,1	0,0±0,0	2,5±0,5	2,4±0,4	2,0±0,1	1,5±0,4	1,7±0,4

Аномально теплые погодные условия осеннего периода, которыми характеризовался 2009 г., и поступление дополнительных источников питательных веществ со свежим опадом способствовали активизации жизнедеятельности микробиоты и, соответственно, возрастанию каталитической активности подзолистых почв как в коренном еловом лесу, так и на вырубке (рис. 1). В этот период во всех горизонтах существенно возросла роль фермента каталазы, особенно в подгоризонтах лесной подстилки, где значения величины КАФ в 1,3-3,2 (ПП1) и 1,3-2,1 (ПП2) раза превысили показатели КАНФ (табл. 2). В минеральных подзолистых горизонтах вклад ферментативной и неферментативной составляющей в суммарную каталитическую активность, благодаря возрастанию активности фермента каталазы, оказался практически на одном уровне.

Во все годы наблюдений в минеральных подзолистых горизонтах исследованных нами почв коренного ельника черничного и молодого лиственно-хвойного насаждения активность фермента каталазы варьировала в незначительных пределах (рис. 2). И на вырубке, и в коренном еловом лесу минеральные горизонты по этому показателю существенно не отличались друг от друга. Горизонты лесных подстилок во все годы наблюдений характеризовались более высокими (в ряде случаев статистически достоверными для р<0,05) показателями каталазной активности, по сравнению с минеральными горизонтами. В зависимости от года наблюдения (т.е. в зависимости от конкретных погодных условий), ферментативная каталитическая активность (КАФ) органогенных горизонтов почвы вырубки может быть на одном уровне с почвами коренного елового леса,

Рис. 2. Изменение активности фермента каталазы по годам наблюдений в подгоризонтах лесной подстилки О1 (I), О2 (II) О3(III) и подзолистом горизонте (IV) почв коренного елового леса (ПП1) и молодого лиственно-хвойного сообщества (ПП2)

меньше ее, или превышать соответствующие показатели коренного елового леса (рис. 2).

С использованием многофакторного дисперсионного анализа нами была проведена оценка влияния на варьирование параметров каталазной активности комплекса следующих факторов: тип фитоценоза (градации: коренной лес, лиственно-хвойное сообщество вырубки), разновидность генетического горизонта (градации: органогенный, минеральный горизонт); срок отбора (градации: месяц отбора); год наблюдения (градации: год отбора проб). Анализ полученных за все годы данных показал, что наибольшее влияние на параметры каталазной активности оказал год отбора (F=42,04; p≤1·10-6). Влияние генезиса горизонта также оценивалось как достоверное (F=23,63; p≤1·10-6) и несколько превосходило влияние срока отбора (F=16,01; p≤1·10-6). Тип фитоценоза (т.е. в каких условиях почва формируется – в коренном еловом лесу или на его вырубке) существенного влияния на параметры каталазной активности в данном случае не оказывает (F=0,09; p=0,77). Таким образом, решающее воздействие на активность фермента каталазы в подзолистых текстурно-дифференцированных почвах принадлежит погодным условиям года, а не характеру антропогенного воздействия. Именно погодные условия года определяют конкретные экологические условия (температура, влажность) мест обитания почвенных микроорганизмов, играющих ведущую роль в формировании пула фермента каталазы в почвах и ельников черничных, и молодых лиственно-хвойных насаждениях, представленных на первых стадиях сукцессии растительного покрова после их сплошнолесосечных рубок.

ВЫВОДЫ

Определены параметры суммарной каталитической активности в подзолистых текстурнодифференцированных почвах коренного ельника черничного и молодого лиственно-хвойного насаждения, сформировавшегося после сплошнолесосечной рубки. Оценен вклад в ее величину неферментативной и ферментативной каталитической активности. Показано, что в подзолистых горизонтах почв ведущую роль играет неферментативная каталитическая активность (75%), в то время как в органогенных горизонтах вклад ферментативной и неферментативной каталитической активности близок по величине (47–55 %).

Установлено, что максимальной активностью фермента каталазы отличаются органогенные горизонты, в минеральных горизонтах уровень ферментативной каталитической активности снижен в 6,5-8,3 раза. Для сезонной динамики характерно возрастание активности фермента каталазы в осенний период как в подзолистых почвах коренного елового леса, так и молодого лиственно-хвойного насаждения.

Показано, что в биоклиматических условиях средней тайги основное влияние на параметры и динамику активности фермента каталазы в подзолистых текстурно-дифференцированных почвах оказывают погодные условия года, характер генетического горизонта и срок отбора, а не тип фитоценоза (коренной еловый лес, молодое лиственно-хвойное насаждение, сформировавшееся на вырубке). Полученные данные свидетельствуют о невозможности использования параметров каталазной активности для оценки экологического состояния подзолистых текстурно-дифференцированных почв после проведения сплошнолесосечных рубок среднетаежных ельников черничных.