Изменение биологических свойств чернозема обыкновенного при глеевом процессе (модельный опыт)

Одним из важных экологических факторов, оказывающих влияние на биологическую активность почв, является переувлажнение. В степной зоне на черноземах при усилении гидроморфности и возникновении застойно-промывного режима возможно проявление глееобразования, с последующими деградационными изменениями почв, с эволюцией их в сторону почв, принципиально отличающихся от черноземов [8].

Реализация процесса глееобразования проходит на фоне двух различных форм гидрологического режима — застойно-промывного и застойного. Застойно-промывной режим оказывает негативное влияние на почвенный покров. Наблюдается развитие активного процесса деградации почвенного покрова, в результате которого почвы частично или полностью утрачивают свое плодородие. В то время как в условиях застойного режима существенных деградационных изменений почвообразующих пород не происходит. Глеевый процесс принадлежит к группе элементарных почвенных процессов. Оглеение — сложный биохимический восстановительный процесс, протекающий при переувлажнении почв в анаэробных условиях при непременном наличии органического вещества и участии анаэробных микроорганизмов.

Термины «глей» и «глееобразование» были введены в научную терминологию Г. Н. Высоцким в 1905 году [2] для обозначения «более или менее плотной породы серого цвета с зеленоватым оттенком, формирующейся в условиях длительного переувлажнения». Он впервые указал на биохимическую природу глееобразования, установил роль превращения окисной формы железа в закисную в условиях недостатка кислорода при участии анаэробных микроорганизмов. Изменение водного режима почв, их переувлажнение (даже кратковременное), создание условий анаэробиоза в почвах неизбежно активизирует процессы восстановления железа, нарушает соотношение окисленных и восстановленных форм, которые существенно различаются по своим функциональным особенностям, роли в процессах почвообразования.

Железо в почвах черноземного ряда является малоподвижным, достаточно инертным и устойчивым элементом, что определяется геохимическими, гидрологическими и климатическими особенностями степной зоны и свойствами самих почв. Присущий почвам степей водно-воздушный режим обусловливает господство в почвах окислительной обстановки. В этих условиях преобладающей формой железа является трехвалентная. Повышению устойчивости железа в данном случае способствуют также нейтральная и слабощелочная реакция среды и присутствие в почвах карбонатов [11].

Можно считать, что устойчивость железа в черноземах, его инертность и малая подвижность определяются в первую очередь автоморфностью экосистемы. Однако в настоящее время в степных ландшафтах отмечается увеличение обводненности почвенной толщи в силу ряда причин антропогенного и природного характера [1].

В результате в степной зоне практически повсеместно отмечается подъем уровня грунтовых вод, что ведет к появлению здесь внепойменных западин (мочаров), которые, однажды возникнув, уже никогда не исчезают бесследно.

Объекты и методы

Было изучено влияние восстановительных процессов на эколого-биологические показатели чернозема обыкновенного.

Исследование выполнено в условиях лабораторного моделирования длительного затопления почв.

В качестве объекта исследования был выбран чернозем обыкновенный карбонатный южно-европейской фации среднемощный малогумусный на желто-бурых лессовидных суглинках. Отбор почвы производился на территории Ботанического сада ЮФУ.

Восстановительные процессы в черноземе были смоделированы переувлажнением с добавлением легкодоступного для микроорганизмов органического субстрата (сахарозы) для развития анаэробных процессов.

Ранее было выявлено, что простое затопление даже на очень продолжительное время не приводило к развитию оглеения в черноземах [3, 8]. Для развития анаэробных процессов необходимо дополнительное внесение органического субстрата для создания условий кислородного дефицита [2].

Контролем служил чернозем с оптимальным увлажнением (60%). Параллельно были смоделированы варианты с затоплением и оптимальным увлажнением с добавлением 1% раствора сахарозы.

Для постановки опыта были подобраны специальные условия и сконструированы лизиметры.

Исследования эколого-биологических показателей проводили на 100 сутки от начала эксперимента. Изменения диагностировались по морфологическим показателям (окраска, структура) и контролировались измерением рН, количества солей и карбонатов и содержанием гумуса. Выявлено интенсивное изменение в почве с добавлением стимулятора в виде сахарозы, по сравнению с контрольными образцами. Уже через месяц появились сизые пятна на поверхности почвы с застойным водным режимом и добавлением сахарозы. Надпочвенный раствор приобрел рыжевато-оранжевую окраску за счет перехода в него гидроокиси железа.

При получении аналитических данных, используемых в настоящей работе, применялась разработанная и апробированная методология исследования биологической активности [4, 5] с использованием общепринятых в почвоведении и биологии методов [4, 5, 11, 12].

Численность бактерий, актиномицетов и микроскопических грибов учитывали методом посева почвенной суспензии на плотные питательные среды. На МПА (мясо-пептонный агар) выделяли бактерии, использующие органический азот, на КАА (крахмало-аммиачный агар) — бактерии, использующие минеральный азот, и актиномицеты. Обилие азотфиксаторов учитывали путем посева на среду Эшби. Численность грибов и сахаролитических бактерий учитывали на кислой среде Чапека.

рН почвы определяли в почвенной суспензии (почва / вода в соотношении ½, 5) потенциометрически на иономере [4, 5]. Количество легкорастворимых солей определяли кондуктометрическим методом.

Концентрацию оксида железа (II) определяли фотометрическим методом с использованием фенонтралина.

Валовое содержание оксидов металлов и неметаллов определяли рентгенфлюорисцентным на приборе «Спектроскан Макс-GV».

Общая численность бактерий, одноклеточных водорослей и длина грибного мицелия определялись люминесцентно-микроскопическим методом на микроскопе Микмед 2, окрашиванием бактерий акридином оранжевым, а грибного мицелия — калькофлуором белым.

О ферментативной активности почв судили по активности ферментов разных классов: оксидоредуктаз — каталаза, дегидрогеназа; и гидролаз — -фруктофуранозидаза (фосфатаза). Определение ферментативной активности почв основано на учете количества переработанного в процессе реакции субстрата или образования продукта реакции в оптимальных условиях температуры, рН среды, концентрации субстрата и навески почвы.

Содержание гумуса определяли по его окисляемости хромовой смесью [4, 5].

Исследования эколого-биологических показателей проводились на 100 сутки от начала эксперимента. Каждый из процессов постоянно диагностировался по морфологическим показателям. В варианте с моделированием оглеения надпочвенный раствор приобрел оранжевую окраску за счет перехода в него гидроокиси железа, а у поверхности обнаруживались отдельные сизые пятна.

Изменение элементного состава чернозема под влиянием глееобразования в условиях застойного водного режима проявляется весьма незначительно. Происходит уменьшение доли оксида марганца в варианте с затоплением (808 мг/кг) и сочетанным воздействием затопления и сахарозы — (797 мг/кг) по сравнению с контрольным вариантом. В целом существенных систематических изменений валового состава относительно контрольного образца не обнаружено (табл.1).

Таблица 1 — Содержание оксидов металлов и неметаллов при моделировании глеевого процесса.

При оглеении наблюдалось незначительное повышение содержания гумуса на 0,3% по сравнению с контрольным вариантом. Повышение гумусированности почв при оглеении объясняется увеличением активности биологических процессов.

Было установлено, что добавление органического субстрата приводит к подкислению среды. рН в контрольном образце почвы составлял 8,2, в варианте с оглеением снизился до 7,7. Для естественных глеевых горизонтов характерна слабокислая или нейтральная реакция среды [1].

Концентрация восстановленного железа в варианте с сочетанным затоплением и добавлением сахарозы достигало 1800 мг/100 г почвы, что в 15 раз превышало концентрацию оксида железа (II) в контрольном образце. Простое затопление почвы приводило к повышению концентрации оксида железа до 800 мг, а внесение субстрата без затопления — до 1200 мг.

Рисунок 1. Концентрация FeO в черноземе обыкновенном при моделировании процесса оглеения Численность аммонифицирующих бактерий значительно увеличилась в сочетанном варианте и составляла 172 млн/г, что в пять раз больше, чем в контрольном варианте.

Численность микромицетов значительно подавлялась в варианте с затоплением и составляла 27 тыс/г. В варианте с сочетанным воздействием количество микроскопических грибов уменьшилось более чем в 40 раз по сравнению с контролем. оглеение чернозем биологический Длина грибного мицелия варьировала от 0,014 км/г почвы в контрольном варианте и ингибировалась до 0,008 км/г почвы при оглеении.

Простое затопление практически полностью подавило численность актиномицетов, в свою очередь в варианте с затоплением раствором сахарозы актиномицеты выявлены не были.

Общая численность бактерий, определенных методом люминесцентной микроскопии, обнаруживала свой максимум в варианте с оглеением и составляла 23 млрд/г почвы.

Микроскопические водоросли незначительно подавлялись сочетанным воздействием с численностью 10,5 тыс/г. В то время как в контрольном варианте этот показатель составлял 11,4 тыс/г почвы.

Обилие азотфиксаторов, амилолитиков и сахаролитиков существенно не изменялось.

Таким образом, основная тенденция связана с выраженным снижением численности грибов и актиномицетов и повышением численности бактерий. Можно предположить, что бактерии выступают в виде дублеров засухоустойчивых мицелярных организмов.

При исследовании ферментативной активности удалось установить, что оглеение в значительной мере подавило активность каталазы с минимумом 2,8 мл О₂/г/мин в варианте с оглеением, что почти в два раза меньше по сравнению с контрольным вариантом.

Похожая тенденция выявлена и для активности дегидрогеназы. Следует отметить, что в варианте с добавлением сахарозы и оптимальным увлажнением наблюдалась повышенная активность этих ферментов.

При исследовании активности гидролаз была замечена обратная тенденция. Активность фосфатазы увеличивалась и при простом затоплении, и при сочетанном воздействии с максимумом 0,45 мг Р₂О₅/г/ч. Повышение активности гидролаз связано с обогащением гидроморфных почв органическим веществом.

Для суждения о биологической активности и эколого-биологическом состоянии почвы недостаточно какого-либо одного показателя, так как каждый из них отражает лишь какую-то одну сторону биологических процессов в почве. Поэтому необходимо использовать широкий набор показателей состояния почвы. Для их объединения была применена методика определения интегрального показателя биологического состояния почвы (ИПБС) [4,5]. Данная методика позволяет оценить совокупность биологических показателей почвы. Для этого показатели контрольного варианта принимают за 100% и по отношению к нему в процентах выражается значение этого же показателя в остальных образцах.

При исследовании глеевого процесса было установлено, что максимальная микробиологическая активность наблюдается в варианте с сочетанным воздействием затопления и сахарозы, минимальная — вариант с затоплением без сахарозы.

Максимальная ферментативная активность наблюдается в варианте с сахарозой и оптимальным увлажнением, минимальная — вариант с затоплением (рис.2).

Рисунок 2. Интегральный показатель биологического состояния чернозема При рассмотрении интегрального показателя биологической активности чернозема при глееобразовании выявлено понижение ферментативной активности при увеличении численности микроорганизмов.

Таким образом, в результате ряда модельных экспериментов было выявлено, что процесс глееобразования стимулирует общую численность бактерий, аммонификаторов и подавляет численность актиномицетов, микромицетов и длину грибного мицелия.

Глеевый процесс понижает активность оксидоредуктаз и повышает активность гидролаз. Также незначительно повышается концентрация гумуса и показатель рН сдвигается в сторону нейтральной реакции среды, происходит накопление большого количества оксида железа (II).

• 1. Ачканов А. Я., Николаева С. А. Вторичный гидроморфизм почв степных ландшафтов Западного Предкавказья // Почвоведение. 1999. № 12.С. 1424−1432.
• 2. Вальков В. Ф., Уманская (Назаренко) О. Г. Изменение минеральной части южного чернозема при глеевом процессе (модельный опыт) // Почвоведение, 1982, № 7. С. 99−106.
• 3. Зайдельман Ф. Р., Тюльпанов В. И., Ангелов Е. Н., Давыдов А. И. Почвы мочарных ландшафтов — формирование, агроэкология и мелиорация. — М.: Изд-во МГУ. 1998. 160 с.
• 4. Казеев К. Ш., Колесников С. И., Вальков В. Ф. Биологическая диагностика и индикация почв: методология и методы исследований. Ростов н/Д: Изд-во РГУ, 2003. 204 с.
• 5. Казеев К. Ш., Колесников С. И Биодиагностика почв: методология и методы исследований. Ростов-на-Дону, 2012.
• 6. Казеев К. Ш., Колесников С. И., Вальков В. Ф. Биология почв Юга России. Ростов н/Д, 2004.
• 7. Казеев К. Ш., Кутровский М. А., Даденко Е. В., Везденеева Л. С., Колесников С. И., Вальков В. Ф. Влияние карбонатности пород на биологические свойства горных почв Северо-Западного Кавказа // Почвоведение. 2012. № 3. С. 327.
• 8. Казеев К. Ш., Стрелкова В. И., Тищенко С. А. Влияние переувлажнения на биоту и свойства почв Юга России. Ростов н/Д: Ростиздат, 2006. 143 с.
• 9. Казеев К. Ш., Фомин С. Е., Колесников С. И., Вальков В. Ф. Биологические особенности локально-гидроморфных почв Ростовской области // Почвоведение, 2004, № 3, С. 361−372.
• 10. Методы почвенной микробиологии и биохимии // Под ред. Д. Г. Звягинцева. М.; Изд-во МГУ. 1991. 304 с.
• 11. Николаева С. А., Еремина А. М. Трансформация соединений железа в черноземах в условиях повышенной увлажненности почв // Почвоведение, 2001, № 8, С. 963−969
• 12. Хазиев Ф. Х. Методы почвенной энзимологии. М.: Наука. 1990. 189 с.