CC BY
67
УДК 631.46
АГРОХИМИЧЕСКИЕ И МИКРОБИОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКТОЗЕМОВ МОСКВЫ И МОСКОВСКОЙ ОБЛАСТИ
В.И. Васенев, аспирант (научный руководитель О.А. Макаров, д.б.н.)
Факультет почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова, e-mail: vasenyov@mail.ru
Для представительного ряда (n = 61) конструктоземов Москвы и Московской области проанализированы основные агрохимические и микробиологические параметры. Полученные результаты сопоставлены с зональными фоновыми почвам (n = 30). На фоне высокой вариабельности почвенного покрова исследованных объектов, доказано значимое отличие конструктоземов от фоновых почв и рассмотрены основные тенденции изменения почвенного покрова при переходе земель в категорию городских.
Ключевые слова: агрохимические свойства, конструктозем, зональные почвы, микробная биомасса, микробное дыхание, органический углерод, урбанизация.
AGROCHEMICAL AND MICROBIOLOGICAL PARTICULARITIES OF ARTIFICIAL SOIL (CONSTRUCTOZEM) IN MOSCOW AND MOSCOW REGION TOWNS
V.I. Vasenev, e-mail: vasenyov@mail.ru Agrochemical and microbiological features of a representative set of urban constructed soils (laminated urban soils) (n = 61) have been analyzed in comparison to zonal non-urban soil cover (n = 30). The difference between urban and non-urban soils was significant, despite high spatial variability. This enabled to formulate the main tendencies of soil cover transformation, resulting from land conversion into urban land-use.
Keywords: agrochemical features, microbial biomass, microbial respiration, soil organic carbon, urbanization, urban constructed soils, zonal non-urban soils.
Урбанизация - одна из основных тенденций изменения современного землепользования. В процессе урбанизации происходят принципиальные изменения растительного и почвенного покрова, потоков веществ и энергии, а ее результатом становится формирование урбо-экосистем, принципиально отличающихся от естественных аналогов. Важным элементом урбоэкосистем являются городские почвы, которые различаются по степени «запечатанности», загрязненности, физическим и морфологическим свойствам [1]. Значительную часть в почвенном покрове городов занимают конструктоземы -искусственно созданные, слоистые почвы, широко распространенные на газонах [2]. Этот термин близок зарубежному понятию «торфяные почвы газонов» (turf grass soils), которые, как правило, становятся основным объектом исследования при изучении почвенного покрова урбоэкосистем [3, 4].
Городские почвы в целом и конструктоземы в частности стали объектом научных исследований только в последние 15-20 лет, когда стала очевидна их высокая экологическая значимость [5, 6]. Большинство работ сфокусированы на диагностических и классификационных аспектах их исследования [5, 7], и содержании в них токсичных веществ [8, 9].
Агрохимическим и микробиологическим показателям конструктоземов уделяется явно недостаточное внимание - не смотря на очевидный научный и практический интерес. Состояние микробного пула, содержание органического углерода, кислотность - ключевые факторы для почвенных экологических функций, определяющих газообмен с атмосферой и круговорот элементов питания [10]. Функционально-экологическое сопоставление свойств конструктоземов с их естественными аналогами позволяет количественно оценивать
влияние урбанизации на состояние и функционирование почвенного покрова.
Цель работы - изучить агрохимические и микробиологические свойства представительных конструктоземов Москвы и Московской области - в сравнении их с зональными естественными аналогами.
Исследования проводили в представительном ряду конструктоземов городов Москва, Дубна, Пущино, Вос-кресенск и поселка Серебряные Пруды. В качестве фоновых аналогов конструктоземов исследованы соответствующие зональные почвы на близлежащих лесных, луговых и сельскохозяйственных угодьях. Зональными почвами для Дубны были перегнойно-подзолистые почвы, для Москвы и Воскресенска - дерново-подзолистые, для Пущино - серые лесные, а для Серебряных Прудов - выщелоченные черноземы. Всего были отобрано 61 образец конструктоземов и 30 образцов фоновых почв. Смешанные образцы отбирались повторным бурением из верхних (0-10 см) и подстилающих их горизонтов (10-150 см).
Микробиологические показатели. Субстрат-индуцированное дыхание (СИД) почвы оценивали по скорости начального максимального дыхания микроорганизмов после обогащения почвы глюкозой. Навеску почвы (2 г) помещали во флакон объемом 15 мл, добавляли раствор глюкозы (0,2 мл; концентрация 10 мг/г почвы), герметично закрывали и фиксировали время. Обогащенный образец почвы инкубировали (3-5 ч при 22°С), затем отбирали пробу воздуха из флакона и анализировали с помощью газового хроматографа КристалЛюкс (детектор - катаро-метр). Время отбора газовой пробы также фиксировали. Скорость СИД выражали в мкл С02-С/г почвы х ч. Углерод микробной биомассы рассчитывали по формуле: Смик (мкг С/г почвы) = СИД (мкл СО2/г почвы х ч) х 40,04 + 0,37 (Anderson, Domsch, 1978).
Микробное (базальное) дыхание (МД) определяли по скорости выделения С02 почвой за 24 ч инкубации при 22°С и 60% полной влагоемкости (ПВ). Определение проводили аналогично СИД, но вместо раствора глюкозы в почву добавляли дистиллированную воду. Скорость микробного дыхания выражали в мкг С02-С/г почвы х ч. Удельное дыхание микробной биомассы (микробный метаболический коэффициент, qCO2) рассчитывали как отношение скорости микробного дыхания к микробной биомассе: МД / Смик = qCO2 (мкг С02-С/мг Смик х ч). Прединкубация образцов. До начала измерений СИД и МД образцы почвы (около 0,3 кг) увлажняли до 50-60% ПВ и инкубировали 7 суток при 22°С в полиэтиленовых пакетах с воздухообменом.
Химические показатели. В почвенных образцах определяли содержание Сорг. бихроматным методом со спек-трофотометрическим окончанием (по Тюрину в модификации Никитина). Кислотность рНН20 определяли потен-циометрически, содержание аммиачного азота (NH4+) -калориметрическим методом с применением реактива Несслера, нитратного азота (NO3-) - по методу Грандваля-Ляжу, содержание обменного калия и подвижного фосфора - методом Кирсанова на пламенном фотометре.
Первичная обработка данных была проведена с использованием основных инструментов базовой статистики (поиск среднего значения, стандартного отклонения, доверительного интервала, построение корреляционных матриц). Для проверки значимости различий средних значений микробиологических показателей для молодого и среднего конструктозема был использован сравнительный тест по критерию Стьюдента (t-тест). Для определения значимости различия средних значений использовался однофакторный дисперсионный анализ (One-way ANOVA) и LSD-тест, проверенный по F-критерию (F-protected LSD test). Статистический анализ
был проведен с использованием пакета STATISTICA 6.0, таблицы и графики были построены в программе Microsoft Office Excel 2007.
Результаты. Агрохимические свойства. Реакция среды изученных конструктоземов варьирует от сильно кислой (pH 4,0) до щелочной (pH 8,3), при средних значениях 6,8 ± 0,9 и отсутствии значимых изменений с глубиной. Наиболее высокие значения pH были получены для почв г. Дубна и г. Воскресенск, наиболее низкие - для г. Пущино (табл. 1). Еще большая пространственная неоднородность отмечена для содержания элементов питания в конструк-тоземах. Минимальное и максимальное содержание азота отличалось в 13 раз для аммонийной формы и в 17 раз -для нитратной; фосфора - в 66 раз, калия - в 14 раз. Максимальное содержание азота отмечено в конструктоземах Москвы, больше всего фосфора и калия - в почвах Серебряных Прудов. Данная закономерность прослеживается как для верхних, так и нижних (подстилающих) горизонтов. При этом, если содержание минерального азота с глубиной практически не изменяется, то подвижного фосфора и обменного калия в нижних горизонтах содержится на 20-40% меньше, чем в верхних.
Содержание органического углерода в изучаемых конструктоземах варьировало в 22 раза - от 0,4% до 9,1% при среднем значении 3,2 ± 1,7%. Для большинства описанных почв характерно убывающее распределение органического углерода по профилю: если в верхних горизонтах содержится, в среднем, 4,1±1,9%, то в нижних - 2,3 ± 1,1% (значимость различий проверена критерием Стьюдента, p < 0,05). Пространственная неоднородность содержания органического углерода также велика: наиболее высокие значения отмечены для конст-руктоземов Серебряных Прудов, наиболее низкие - для г. Дубны (рис. 1). Это характерно и для верхних, и для нижних горизонтов.
1. Агрохимические свойства исследованных конструктоземов
Объект РНН2О NH4+, мг/кг NO3-, мг/кг P2O5, мг/кг Кподв., мг/кг
Москва 6,68 ± 1,10bc 10,3 ± 12,16 9,6 ± 11,46 439±6666 95 ± 576
Дубна 7,48 ± 0,35c 5,3 ± 1,0a 4,3 ± 1,9a 89 ± 41a 62 ± 28a
Воскресенск 7,14 ± 0,57c 5,8 ± 2,2a 7,2 ± 6,0a6 237 ± 268a6 144± 49c
Пущино 5,87 ± 0,76a 5,4 ± 1,3a6 4,2 ± 1,8a 257 ±153a6 47 ± 18a
Серебряные Пруды 6,91 ± 0,43b 7,2 ± 3,4a6 9,1 ± 9,0a6 765 ±512c 180 ±86d
Примечание: a, b, с, d - статистически однородные группы (F-protected LSD, p < 0,05)
Москва Воскресенск Дубна Пущнно С .Пруды
локализация
Рис. 1. Содержание Сорг. (%) в коснтруктоземах различных объектов
2. Агрохимические свойства фоновых почв различных объектов
Почвы Сорг.) % PHH20 NH4+, мг/кг NO3-, мг/кг P2O5, мг/кг Кподв., мг/кг
Перегнойно -подзолистые 4,0 ± 3,16 6,01 ± 1,11а6 9,4 ± 7,1а 8,6 ± 8,2а 88 ± 68а 78 ± 38а6
Дерново-подзолистые 2,3 ± 0,8а 5,84 ± 0,78а6 5,6 ± 2,2а 7,2 ± 6,7а 144± 106а 97±195а6
Серые лесные 2,4 ± 1,1а 5,38 ± 0,93а 8,7 ± 8,9а 5,9 ± 3,4а 107 ± 54а 45 ± 16а
Черноземы выщелоченные 4,0 ± 2,26 6,31 ± 0,676 7,0 ± 3,9а 5,9 ± 5,6а 248 ± 1706 130 ±706
Примечание: a, b - различные статистически однородные группы для каждого показателя (F-protected LSD, p < 0,05)
3. Микробиологические показатели исследованных конструктоземов
Объект Смик, мкг С/г почвы МД, мкг С02-С/г почвы qCO2, мкг С02-С/мг Смик х ч
0-10 см 10-150 см 0-10 см 10-150 см 0-10 см 10-150 см
Москва 289±1486 102±656 0,53 ± 0,34а 0,27 ± 0,21а 2,33 ± 1,83а 2,73 ± 1,03а6
Дубна 256 ± 200а 69 ± 34а 0,37 ± 0,16а 0,24 ± 0,09а 3,70 ± 5,70а 4,94 ± 4,806с
Воскресенск 150±58а6 55 ± 43а6 0,42 ± 0,14а 0,23 ± 0,19а 3,25 ± 1,63а 4,53 ± 2,30с
Пущино 617±215с 155±77с 0,89 ± 0,576 0,23 ± 0,09а 1,36 ± 0,42а 1,70 ± 0,76 а
Серебряные Пруды 347 ±1736 99 ± 35а6с 0,59 ± 0,27a6 0,25 ± 0,10а 1,82 ± 0,55а 3,01 ± 1,93а6с
Примечание: a, b, с, d - статистически однородные группы (F-protected LSD, p < 0,05).
Для фоновых почв также отмечена высокая вариабельность изучаемых показателей (табл. 2). Максимальное содержание Сорг. и элементов питания показано для черноземов и перегнойно-подзолистых почв. Для них же характерна нейтральная реакция среды, в то время как наиболее кислыми оказались изученные серые лесные почвы легкого грансостава. Значения Сорг. и элементов питания в нижних горизонтах были значимо ниже, чем в верхних, в то время как показатель рН с глубиной менялся не принципиально.
Микробиологические показатели. Значения показателя углерода микробной биомассы (Смик) в изученных конст-руктоземах варьировали более чем в 100 раз: от 8 до 961 мкг С/г почвы, при средних значениях 203 ± 181 мкг С/г почвы. Максимальное значение микробной биомассы описано для конструктоземов г. Пущино, минимальное -для г. Дубны. При этом для всех объектов в верхних горизонтах сосредоточено порядка 70% от общей микробной биомассы. Минимальное значение микробного дыхание (МД) отличается от максимального в 34 раза: 0,06 и 2,04 мкг С02-С/г почвы х ч, соответственно. Среднее значение МД составило 0,40 ± 0,31 мкг С02-С/г почвы х ч. Пространственная динамика МД аналогична показателю Смик с максимум для г. Пущино и минимумом для г. Дубны. Однако в отличие от Смик значимое варьирование МД ограничено верхними горизонтами, значения МД в подстилающих горизонтах различных объектов практически не отличались. Доля микробного дыхания верхних горизонтов составляла 65-80% от общего микробного дыхания по профилю. Значения микробного метаболического коэффициента ^С02) изученных конструктоземов варьировало в 26 раз: от 0,73 до 18,7 мкг С02-С/мг Смик х ч - при среднем значении 2,82 ± 2,52 мкг С02-С/мг Смик х ч.
Важно отметить, что пространственное распределение яС02 изученных конструктоземов имеет закономерность, обратную описанной для Смик и МД. Максимальные значения микробного метаболического коэффициента показаны для г. Воскресенска и г. Дубны, а минимальное - для г. Пущино (табл. 3). Это справедливо и для верхних, и для подстилающих горизонтов, а с глубиной значения qCO2 увеличивались на 20-40%.
Для фоновых почв характерна меньшая вариабельность микробиологических показателей, чем для конст-руктоземов. Максимальные значения Смик и МД отмечены для перегнойно-подзолистых почв и черноземов, наименьшие - для серых лесных. Для серых лесных почв показано и наибольшее значение ^С02, что может свидетельствовать о более угнетенном состоянии их микро-биоты, по сравнению с другими почвами. Для всех изученных почв отмечено снижение Смик и МД и повышение дС02 с глубиной (табл. 4).
Обсуждение. Для исследованного представительного ряда конструктоземов характерна очень высокая пространственная неоднородность: значения агрохимических и микробиологических показателей варьируют в десятки раз. Повышенный разброс данных может быть связан как с влиянием зональных факторов, так и с контрастной историей землепользования. Стоит отметить, что достаточно высокая пространственная вариабельность показана и для фоновых почв, особенно для пере-гнойно-подзолистых почв у г. Дубна. Тем не менее, несмотря на столь высокую внутреннюю неоднородность для ряда агрохимических (рН, Р205) и микробиологических (Смик, МД) показателей доказано статистически значимое отличие конструктоземов от естественных почв (значимое по критерию Стьюдента, р < 0,05).
4. Микробиологические показатели фоновых почв различных региональных объектов
Почва Смик, мкг С/г почвы МД, мкг С02-С/г почвы qCO2, мкг С02-С/мг Смик х ч
0-10 см 10-150 см 0-10 см 10-150 см 0-10 см 10-150 см
Перегнойно-подзолистая 760 ± 249с 50 ± 33а 1,29 ± 0,596 0,20 ± 0,14а 1,80 ± 0,90а 6,65 ± 6,696
Дерново-подзолистая 467 ± 122а6 121 ±53с 0,62 ± 0,19а 0,22 ± 0,10а 1,36 ± 0,40а 1,91 ± 0,62а
Серая лесная 307± 104а 105 ±116с 0,60 ± 0,37а 0,24 ± 0,15а 1,94 ± 0,82а 2,32 ± 1,53 а
Чернозем выщелоченный 544 ± 2746с 69 ± 35а6 0,88 ± 0,28a6 0,19 ± 0,09а 1,81 ± 0,57а 3,46 ± 2,99а6
Примечание: a, b, с, d - статистически однородные группы (F-protected LSD, p < 0,05)
Рис. 2. Микробная биомасса в конструктоземах (город) и есественных почвах (фон)
различных региональных объектов
450 400
350 300
ё 250 ^ 200 150 100 50
о
4о;
294
294
196
а 163
I
386
306
206
■ город фон
Москва Воскресенск Дубна Пущино С. Пруды локализация
Подобные закономерности еще более четко выражены при анализе отдельных региональных объектов. Так, микробная биомасса конструктоземов оказалась значимо меньше, чем в естественных аналогах для четырех объектов из пяти (рис. 2). Микробное дыхание конструктоземов также оказалась значимо ниже, чем в фоновых почвах, а рН и содержание фосфора - значимо выше. Заметные отличия наблюдаются и для других показателей: для конструктоземов характерны более высокие значения дС02, большее содержание Сорг. (особенно в нижних горизонтах) и элементов питания.
Таким образом, исследования пространственной вариабельности конструктоземов и статистических закономерностей их отличий от сопряженных естественных почв по целому ряду показателей (как в среднем для региональной выборки, так и по ее отдельным представительным объектам) позволяют сделать несколько принципиальных выводов. 1. Анализ значимости отличий показывает, что городские почвы - это не хаотичная комбинация субстратов различного свойства и происхождения, а самостоя-
тельный, сравнительно упорядоченный компонент регионального почвенного покрова и урбоэкосистем, одной из характерных особенностей которого является высокая внутренняя неоднородность. 2. Системный анализ выявленных закономерностей статистических отличий позволяет уточнить основные тенденции изменения агрохимических и микробиологических показателей лесных, луговых и сельскохозяйственных почв при переходе их в категорию городских земель: деградация и упрощение микробного пула, увеличение содержания органического углерода и элементов питания, нейтрализация и подщелачивание реакции среды. 3. Региональная детализация отмеченных закономерностей наиболее актуальна для Московской области - наиболее урбанизированного региона России, где доля земель поселений уже составляет более 10% и постоянно растет, а возможным последствиям столь интенсивной урбанизации для функционирования почвенного покрова региона пока, к сожалению, уделяется недостаточно внимания.
Литература
1. Курбатова А.С., Башкин В.Н., Баранникова Ю.А., Герасимова С.Г., Никифорова Е.В., Решетина Е.В., Савельева В.А., Савин Д.С., Смагин А.В., Степанов А.Л. Экологические функции городских почв. - Смоленск: Маджента, 2004. - 232 с.
2. Строганова М.Н., Мягкова А.Д., Прокофьева Т.В. Роль почв в городских экосистемах // Почвоведение. 1997, № 1. - С. 96-101.
3. Bandaranayke W., Qian Y.L., Parton W.J., Ojima D.S., Follett R.F. Estimation of soil organic carbon changes in turfgrass systems using the CENTURY model // Agronomy Journal. 2003. V. 95. - P. 558-563.
4. Allaire S.E., Arrive C.D.L., Lafond J.A., Lalancette R., Brodeur J. Carbon dioxide emissions by urban turfgrass areas // Canadian Journal of Soil Science. 2008. V. 2. - P. 529-532.
5. Герасимова М.И., Строганова М.Н., Можарова Н.В., Прокофьева Т.В. Антропогенные почвы: генезис, география, рекультивация. Уч. пособие. - Смоленск: Ойкумена, 2003. - 268 с.
6. Alexandrovskaya E.I., Alexandrovskiy A.L. History of the cultural layer in Moscow and accumulation of anthropogenic substances in it. Catena, 2000 V. 41. - P. 249-259.
7. Прокофьева Т.В., Строганова М.Н. Почвы Москвы (почвы в городской среде, их особенности и экологическое значение). Серия Москва биологическая. - М.: ГЕОС, 2004. - 60 с.
8. Anderson J.P.E., Domsch K.H. A physiological method for the quantitative measurement of microbial biomass in soils // Soil Biol Biochem. 1978. V. 10. P. 215-221.
9. Chen T.B., Wong J.W.C., Zhou H.Y. Assessment of trace metal distribution and contamination in surface soils of Hong Kong Environ. Pollut., 1997 V. 96. - P. 61-68.
10. Добровольский Г.В., Никитин А.А. Функции почв в биосфере и экосистемах. - М., 1990. - 260 с.
