Методология исследования биологической активности почв (на примере Северного Кавказа)

НАСТОЯЩИЙ МАТЕРИАЛ (ИНФОРМАЦИЯ) ПРОИЗВЕДЕН И РАСПРОСТРАНЕН ИНОСТРАННЫМ АГЕНТОМ ООО "МЕМО", ЛИБО КАСАЕТСЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ИНОСТРАННОГО АГЕНТА ООО "МЕМО".

Биологическая активность (далее - БА) почв Северного Кавказа оценивалась с принципиально новых позиций, не имеющих аналогов в генетическом почвоведении. Материалы по характеристике основных почв региона опубликованы в разных изданиях [1]. В этом сообщении приводится обобщенная методология научного подхода и основные теоретические и практические результаты.

В основу разработки методологии исследования и оценки БА почв был положен системный подход к изучению объектов или явлений природы, внедренный в естествознание В. В. Докучаевым. Кратко его идея заключается в следующем: любой объект или явление природы следует рассматривать не изолировано, а во взаимосвязи и взаимообусловленности с окружающими его системами и процессами.

БА почв рассматривалась как свойство почвы, производное совокупности абиотических, биотических и антропогенных факторов формирования почвы. В почве фито-, зоо-, микробоценозы объединяются в целостную систему с продуктами их жизнедеятельности (в первую очередь с ферментами и гумусовым комплексом) и абиотическими компонентами почвенной среды (гранулометрическими и структурными элементами, физическими и водными свойствами, реакцией среды, поглотительной способностью и др.). Кроме того, на формирование и изменение БА почв огромное влияние оказывает антропогенное воздействие (распашка целинных почв, внесение удобрений, известкование, загрязнение пестицидами, тяжелыми металлами и др.). БА почвы играет важную роль в процессе формирования, становления или деградации почвенного плодородия.

Основными составляющими предлагаемой методологии изучения и оценки БА почв являются следующие: комплексный подход совместного и одновременного изучения биологических объектов, их почвенных производных и абиотической среды; определение ряда наиболее информативных показателей БА почвы и последующее нахождение общей относительной биологической активности почвы; профильно-генетический и сравнительно-географический подходы к оценке степени БА почвы; учет широкой пространственной и временной вариабельности БА почвы; единообразие методики и методов исследования.

Комплексный подход совместного и одновременного изучения биологических объектов, их почвенных производных и абиотической среды подразумевает исследование фито-, зоо- и микробоценозов, ферментативной активности и гумусового состояния, основных генетических свойств почвы.

Комплексность исследований может соблюдаться в большей или в меньшей степени. В настоящее время нет какого-то единого универсального метода определения БА почвы. Предлагается большое количество разнообразных методов [2-6]. . Однако все они далеко не равнозначны. Подробная оценка различных методов определения БА почвы дана в работе Д. Г. Звягинцева [9]. Для оценки БА почвы недостаточно какого-либо одного показателя, так как каждый из них отражает лишь какую-то одну сторону происходящих в почве биологических процессов. Так, например, о БА почвы часто судят только по степени разложения в ней хлопчатобумажного полотна или только по результатам экспресс-метода определения биологической активности почвы по Т. В. Аристовской, М. В. Чугуновой [2]. Однако на самом деле с помощью первого метода можно судить лишь о целлюлозолитической способности почвы, а с помощью второго - о скорости разложения мочевины. Ограничиться каким-либо одним или двумя методами можно только при рекогносцировочных исследованиях, так как при высоких значениях одного из показателей БА другие биологические процессы в это же время могут быть подавлены.

С другой стороны, нет смысла определять необоснованно большое количество разнообразных показателей биологического состояния почвы. Практика показала, что для объективной достоверной оценки БА почвы достаточно определения набора наиболее информативных показателей БА почвы, отражающих разные параметры биологического состояния. К числу таких показателей отнесены следующие: содержание в почве гумуса, ферментативная активность - в первую очередь активность оксидоредуктаз (каталазы, дегидрогеназы, полифенолоксидазы, пероксидазы) и гидролаз (инвертазы, уреазы, фосфатазы), интенсивность выделения углекислого газа (дыхание почвы), скорость разложения мочевины, численность и качественный состав основных групп почвенных микроорганизмов и животных, и некоторые другие. В первую очередь рекомендуется определять биохимические показатели (содержание и качественный состав гумуса и ферментативную активность), как чувствительные и в то же время как значительно менее варьирующие по сравнению с микробиологическими и зоологическими показателями.

По значениям наиболее информативных показателей БА почвы можно определить показатель суммарной относительной биологической активности почвы. Абсолютные значения различных показателей БА почв включают в себя величины различной соразмерности и формы выраженности, каждая из которых отражает как профильно-генетическую, так и сравнительно-географическую характеристику почв. Однако для общей суммарной оценки биологии почв необходим другой подход. Поэтому был разработан и впервые применен показатель общей относительной БА почвы. Для этого был использован относительный метод оценки различных свойств почвы, предложенный итальянским ученым Д. Ацци [7]. Данный метод позволяет определить биологические показатели в совокупности и суммировать относительные значения показателей, абсолютные значения которых суммированы быть не могут.

В нашем случае наибольшее значение каждого из биологических показателей принимали за 100 и по отношению к нему рассчитывали в процентах остальные показатели. Затем суммировали относительные показатели, абсолютные значения которых не могут быть суммированы. Итог выражали в процентах по отношению к наибольшей из полученных сумм. Полученная величина характеризует суммарную относительную БА почвы (табл. 1).

Предложенный подход позволил оценивать суммарную БА отдельных генетических горизонтов каждой почвы, проводить сравнительно-географический анализ спектра почвенных зон и характеризовать степень влияния антропогенного воздействия на биологию почвы.

В биологических исследованиях до сих пор практикуется оценка БА только верхних горизонтов почв. Биологи увлекаются исследованием поверхностных или пахотных горизонтов, оставляя вне внимания большую часть почвенного профиля. В опубликованных тезисах докладов Всероссийской конференции "Микробиология почв и земледелие", проведенной в апреле 1998 г., лишь несколько авторов из более ста представленных хотя бы отчасти касаются микробиологических свойств горизонтов, залегающих ниже поверхностного (чаще всего пахотного) [8]. Почва отнюдь не ограничивается поверхностным горизонтом. Это сложный набор генетических горизонтов или слоев различного генезиса и свойств, безусловно имеющих свои биологические особенности, не совпадающие со свойствами наиболее биологически активного поверхностного горизонта. Пахотные горизонты различных почв в разных природных зонах по своим характеристикам сравнительно уравниваются, приобретая свойства, необходимые для ведущих сельскокохозяйственных культур. Вот почему мы предлагаем профильно-генетический метод оценки БА, который позволяет раскрыть новые закономерности генезиса почв и формирования ее плодородия (табл. 2).

Таблица 1

Общая относительная биологическая активность (БА) пахотных горизонтов почв Северного Кавказа, % от max 

Таблица 2

Профильно-генетическая оценка общей относительной БА в связи с особенностями абиотических характеристик почв Северного Кавказа

В нижних горизонтах почв БА резко падает и ее снижение чаще всего зависит от содержания в генетических горизонтах органического вещества (r=0,81). Значения БА для исследованных почв не коррелируют с такими важнейшими абиотическими показателями, как содержание ила, поглощенные основания, рН.

Более объективные результаты дает применение суммарной относительной БА при пересчете на весь почвенный профиль. Для этого производится расчет показателей БА на 1 см2 поверхности почвы вплоть до материнской породы, как это предлагал Д. Г. Звягинцев [9] (значение показателя БА каждого из почвенных горизонтов умножается на его мощность и объемный вес). Затем полученные результаты для отдельных горизонтов суммируют и получают показатель БА всего почвенного профиля. Для вычисления общей интегральной БА отдельные рассчитанные показатели БА разных почв выражают в относительных процентах от максимальных полученных значений. Затем эти показатели суммируют. Итог выражают в процентах по отношению к наибольшей из полученных сумм. Полученная величина является общей или интегральной биологической активностью почвы. Интересно, что эта величина практически не изменяется при исследовании годовой и сезонной динамики биологической активности в условиях Северо-Западного Кавказа (максимальные колебания общей БА не превышали 9%, в то время как абсолютные значения отдельных показателей БА варьировали в период исследований в несколько раз) [10]. Это свидетельствует об устойчивости показателя общей БА.

Сравнительно-географический анализ позволяет сравнивать между собой БА различных почв и выявлять пространственные закономерности ее формирования в зависимости от географии факторов среды.

В настоящем исследовании сравнительно-географическому анализу подвергнуты почвы степных районов равнин (черноземы обыкновенные североприазовские и предкавказские), лесостепи предгорий (черноземы выщелоченные слитые и серые лесостепные почвы) и лесов низких гор (бурые лесные почвы).

Черноземы обыкновенные (североприазовские), черноземы обыкновенные (предкавказские), черноземы выщелоченные слитые, серые лесостепные и бурые лесные почвы на территории Северного Кавказа располагаются последовательно с севера на юг. При этом наблюдается обратная равнинной последовательность расположения почв (почвы степей - почвы лесостепи - лесные почвы), обусловленная нарастанием количества осадков по мере приближения к Большому Кавказу.

Результаты исследований показали, что наивысшей БА из изученных почв обладает чернозем обыкновенный (предкавказский). БА пахотного горизонта почв Северного Кавказа убывает в следующем ряду: чернозем обыкновенный (предкавказский) > чернозем обыкновенный (североприазовский) > чернозем выщелоченный слитый > серая лесостепная почва > бурая лесная почва. Данная закономерность определяется, прежде всего, изменением содержания в почве гумуса. Оценка БА почв близка к оценке уровня плодородия (табл. 3). Данные по бонитировке почв представлены для полевых культур. Близкие значения характерны и для плодовых насаждений. Таким образом, по изменению БА почвы можно судить об изменении ее плодородия. Это дает возможность рекомендовать показатель общей биологической активности для широкого использования при мониторинге и биоиндикации почв, в том числе при изучении антропогенных воздействий.

Таблица 3

Биологическая активность и уровень плодородия почв

Характерной чертой БА почв является их широкая пространственная и временная вариабельность. Поэтому при проведении исследований биологических свойств почв важен правильный пространственный отбор почвенных и других образцов для лабораторных исследований и обязательна одновременность их взятия. При определении различных показателей БА почв необходимо соблюдение требуемого количества полевых и аналитических повторностей и обязательное проведение математического анализа на степень достоверности полученных результатов.

Единообразие методики и методов исследования подразумевает необходимость выработки, по возможности, единой методики исследования БА почв, включая правила отбора образцов (в частности, сроков отбора), выбор показателей БА и использование однотипных лабораторных методов определения показателей БА.

Особо остановимся на вопросе выбора сроков отбора образцов на примере сезонной динамики БА почв в условиях Северного Кавказа. Последняя характеризуется двумя периодами: пониженной активности или относительного покоя (ноябрь-март) и повышенной активности (май-сентябрь). Второй период, как это уже установлено биологами, не одинаков по сезонам и зависит от условий увлажнения и притока тепла. Поэтому в биологических исследованиях нами приняты три временных уровня: весна (май), лето (июль), осень (сентябрь). Динамика биоты связана с биологическими ритмами и меняющимися погодными факторами в сезонах каждого года. Об общих четких закономерностях ее активности легче судить по конечным результатам жизнедеятельности, а именно - по ферментативной активности и гумусовому состоянию почв. Если ферментативную активность в мае месяце принять за 100, в июле она составляет 85, в сентябре - 95. Отмечена достаточно значительная сезонная динамика даже такого относительно консервативного свойства, как содержание общего гумуса. В среднем для почв Северного Кавказа, если принять содержание гумуса в мае за 100, то в июле оно снижается до 84, а в сентябре возрастает до 104 (1). В то же время показатели численности биологических объектов (микрофлоры и зоофауны) изменяются в течение года в несколько раз.

Таким образом, вновь можно констатировать тот факт, что показатели численности почвенной биоты являются более динамичными по сравнению с биохимическими показателями гумусового состояния и ферментативной активности. Однако и последние отличаются существенным временным варьированием. Поэтому для возможности сравнительно-географических сопоставлений отбор образцов исследователями должен проводиться в единые сроки и при типичных для данного региона и этого времени года погодных условиях. Для условий Северного Кавказа это конец апреля - начало мая.

К сожалению, отсутствие в настоящее время единой методики изучения биологических свойств почв очень часто делает весьма затруднительным сравнение данных, полученных разными исследователями. Мы рекомендуем использовать наиболее распространенные методы исследования БА почв [3-6]. .

Сельскохозяйственное использование почв представляет собой целый комплекс антропогенных факторов, влияющих на БА. Было проведено сравнение старопахотных и целинных почв Северного Кавказа. Следует отметить, что целинные почвы - название условное. Правильнее их называть почвами под естественной растительностью или залежами с травянистыми и лесными биоценозами, так как первозданные биогеоценозы в районах интенсивного земледельческого использования практически отсутствуют.

Антропогенныс изменения почв рассматривались как влияние длительного (более 30-60 лет) использования земель в пахотных угодьях (табл. 4). Снижение содержания гумуса в исследованных почвах при их распашке, как правило, влечет за собой снижение их БА. Однако, как видно из табл. 4, далеко не всегда содержание гумуса тесно коррелирует со всеми показателями БА, так как на БА воздействует целый комплекс факторов. Например, увеличение общей БА черноземов выщелоченных слитых при их сельскохозяйственном использовании происходит при снижении гумуса. Это связано с улучшением степени аэрации на пашне сезонно-переувлажненных слитых черноземов. Более сильное снижение БА лесных и лесостепных почв по сравнению со степными объясняется утратой ими слоя лесной подстилки с максимальной концентрацией биологических объектов и интенсивностью биологических процессов.

Таблица 4

Влияние длительного использования почв в пашне на их БА

Таким образом, комплексное изучение биологической активности почв Северного Кавказа, включающее биоту, продукты ее жизнедеятельности совместно с абиотическими компонентами, раскрывает географическое разнообразие и профильно-генетические особенности почв региона, закономерности их взаимосвязи и взаимообусловленности, а также степень воздействия антропогенного влияния на плодородие земель.

ЛИТЕРАТУРА

1. Вальков В. Ф. Генезис почв Северного Кавказа. Ростов н/Д, 1977. 159 с.; он же. Системно-биологический подход при изучении почв // Научная мысль Кавказа. 1995. ? 4. С. 6-10.; Вальков В. Ф., Казадаев А. А., Гайдамакина Л. Ф. и др. Биологическая характеристика чернозема обыкновенного // Почвоведение. 1989. ? 7. С. 67-74.; Valkov V. F., Kazadaev A. A., Kremenica А. М., Tashiev S. S. The effect of stubble hurning on chernozem biota // Eurasian Soil Sci. 1996. ? 29/12. P. 1412-1416; Вальков В. Ф., Колесников С. И., Казеев К. Ш. Влияние загрязнения тяжелыми металлами на фитотоксичность чернозема // Агрохимия. 1997. ? 6. С. 50-55; Valkov V. F., Kolesnikov S. I., Kazeev K. Sh., Tashiev S. S. Influence of heavy metal pollution on microscopic fungi end Azotobacter of common chernozem // Russian Journal of Ecology. 1997. ? 28/5. P. 345-346; Вальков В. Ф., Штомпель Ю. А., Трубилин И. Т. и др. Почвы Краснодарского края, их использование и охрана. Ростов н/Д, 1996. 192 с.; Goncharova L. J., Bezuglova O. S., Valkov V. F. Seasonal dynamics of humus content and enzymatic activity in an ordinary carbonate chernozem // Soviet Soil Sci. V. 23. ? 2. 1991.

2. Аристовская Т. В., Чугунова М. В. Экспресс-метод определения биологической активности почвы // Почвоведение. 1989. ? 11. С. 142-147.

3. Казеев К. Ш., Koлесников С. И. Биологическая диагностика почв. Микробиологические методы // Методические рекомендации для научно-исследовательской работы студентов. Ростов н/Д, 1998. 19 с.

4. Они же. Биологическая диагностика почв. Биохимические методы // Там же. 23 с.

5. Методы почвенной микробиологии и биохимии / Под. ред. Д. Г. Звягинцева. М., 1991. 304 с.

6. Хазиев Ф.Х. Методы почвенной энзимологии. М., 1990. 189 с.

7. Ацци Д. Сельскохозяйственная экология. М., 1959. 479 с.

8. Микробиология почв и земледелие: Тез. докл. Всерос. науч. конф. СПб., 1998.

9. Звягинцев Д. Г. Биологическая активность почв и шкалы для оценки некоторых ее показателей // Почвоведение. 1978. ? 6. С. 48-54.

10. Казеев К. Ш. Изменение биологической активности почв предгорий Северо-Западного Кавказа при антропогенном воздействии // Автореф. дисс... канд. биол. наук. Краснодар, 1996. 133 с.

17 июня 1998 г.