8Известия Кабардино-Балкарского научного центра РАН № 6 (50) 2012
НАУКИ О ЗЕМЛЕ
УДК 361.461
БИОХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ОСНОВНЫХ ТИПОВ ГИДРОМОРФНЫХ ПОЧВ СТЕПНОЙ ЗОНЫ ЦЕНТРАЛЬНОГО КАВКАЗА (В ПРЕДЕЛАХ КАБАРДИНО-БАЛКАРИИ), СФОРМИРОВАННЫХ В УСЛОВИЯХ РАЗЛИЧНЫХ ВАРИАНТОВ ПОЯСНОСТИ
О.Н. ГОРОБЦОВА, Ф.В. ХЕЖЕВА, Т.С. УЛИГОВА, Р.Х. ТЕМБОТОВ
ФГБУН Институт экологии горных территорий КБНЦ РАН 360051, КБР, г. Нальчик, ул. И. Арманд, 37-а E-mail: iemt@mail.ru
Проведены профильно-генетические исследования биохимических свойств основных типов гидроморфных почв, формирующихся в поймах и дельтах рек степной зоны Кабардино-Балкарии. Отмечены особенности проявления катализирующего действия важнейших почвенных ферментов, рассчитан уровень их суммарной профильной активности, указаны различия в изучаемых показателях, обусловленные генетическими признаками почв и климатическими особенностями рассматриваемых вариантов поясности.
Ключевые слова: варианты поясности, гидроморфные почвы, ферментативная активность, уреаза, фосфатаза, инвертаза, каталаза, дегидрогеназа.
Разнообразный почвенный покров степной зоны Кабардино-Балкарии образовался в условиях сложного рельефа и развитой гидрографической сети. В поймах и дельтах рек, которые охватывают немалую часть исследуемой территории, сформировались гидро-морфные почвы, строение и свойства которых развиваются под воздействием периодических затоплений при паводке, близости грунтовых вод, отложения слоёв аллювия. Особенности водного режима аллювиальных и луговых почв отражаются и в специфике протекания биохимических процессов.
Для характеристики биологических свойств почв чаще всего используется показатель биологической активности. Среди многочисленных его составляющих активность почвенных ферментов классов оксидаз и гидролаз обладает наибольшей информативностью [1] и позволяет судить о важнейших процессах, определяющих свойства почв в сложных условиях периодического дополнительного увлажнения.
Цель работы - установить особенности проявления активности пяти важнейших почвенных ферментов (каталазы, дегидрогеназы, инвертазы, уреазы, фосфатазы) в профиле наиболее распространённых гидроморфных типов почв степной зоны Кабардино-Балкарии.
Важным аспектом исследований является сравнение биохимических и морфологических свойств изучаемых почвенных типов, сформированных в пределах степной зоны республики в терском и эльбрусском вариантах поясности [2]. Такого рода исследования проводятся на данных территориях впервые.
Краткая характеристика района исследования Район распространения гидроморфных почв степной зоны Кабардино-Балкарии (170400 м над ур. м.) представляет собой аллювиально-аккумулятивную котловину, постепенно понижающуюся с юго-запада на северо-восток. Реки Терек, Черек, Баксан, Малка, Нальчик и другие образуют большое количество русел, обусловливая значительную изре-
занность равнины, сложенную, главным образом, аллювиальными отложениями четвертичного периода в виде галечников, песков, суглинков и глин, которые и являются почво-образующими породами [3].
Биоклиматические условия, сложившиеся в районе исследований, весьма неоднородны, так как изучаемые территории расположены в границах двух вариантов поясности - терского и эльбрусского. В соответствии с типизацией высотно-поясной структуры, разработанной А.К. Темботовым [2], граница между терским и эльбрусским вариантами поясности проходит по линии Дых-тау - Каракая - нижнее течение р. Баксан. Особенности климата в указанных вариантах поясности заметно различаются (табл. 1).
Таблица 1.
Основные климатические характеристики степной зоны терского
И ЭЛЬБРУССКОГО ВАРИАНТОВ ПОЯСНОСТИ В ПРЕДЕЛАХ КАБАРДИНО-БАЛКАРИИ [4]
Среднее за 1979-2002 гг. Среднегодовая Суммарная Коэффициент
кол-во осадков, мм/год за 1979-2002 гг. испаряемость, увлажнения
температура воздуха, Т0С мм/год (Ку) по Иванову
Эльбрусский вариант поясности (метеостанция г. Прохладный)
489 +10,12 876 0,55
Терский вариант поясности (метеостанция г. Терек)
522 + 11,0 818 0,63
Территория эльбрусского варианта характеризуется более засушливым климатом, в его границах наблюдается явная ксерофитизация ландшафтов благодаря свободной циркуляции сухих ветров из Прикаспия. Однако в формировании водного режима гидроморфных почв существенная роль принадлежит дополнительным источникам влаги. В почвах, развивающихся в поймах и дельтах рек, ими являются грунтовые воды (уровень которых может быть различным в зависимости от сезонных изменений и интенсивности паводка) и периодическое поверхностное затопление. Грунтовые воды обусловливают гидроморфизм нижней части профиля, а аллювиальный кальматаж - слоистость профиля и наличие включений галечника [5].
В поймах рек развивается луговая растительность, представленная остепнёнными вариантами луга (разнотравно-злаковые фитоценозы), мезофильными (разнотравно-лугово-овсяницевые) и более влажными (разнотравно-стальниковые) сообществами. Хорошо развитая травянистая растительность (проективное покрытие нередко достигает 100%) стимулирует развитие дернового процесса и активизацию биохимических реакций. Кроме того, в долинах рек широко представлена древесно-кустарниковая растительность с участием тополя белого, тополя чёрного, ольхи серой, шелковицы, боярышника и других видов [6].
МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Профильно-генетические исследования морфологических и биохимических свойств почв описываемых территорий были проведены в летний период 2011 г. [7]. В данной работе приводятся материалы исследования, посвящённые описанию трёх основных типов гидроморфных почв. Их представителями являются почвы, местоположение и полное название которых приводятся в табл. 2. При определении мест закладки полнопрофильных разрезов использовались картографические материалы [8] и персональный навигатор ОРБМАР 60 СЕХ.
Почвенные разрезы располагались на типичных элементах рельефа природных биогеоценозов с естественным растительным покровом и ненарушенным почвенным профилем. Образцы почвы отбирались по генетическим горизонтам на всю мощность профиля. От-
бор и подготовка почвы для химического анализа производились в соответствии с общепринятыми в почвоведении методами [1].
Таблица 2.
Гидроморфные почвы степной зоны района исследований
Вариант поясности, Район,
Название почвы тип растительного сообщества место заложения разреза
Влажно-луговая карбонатная, Эльбрусский вариант, Прохладненский,
малогумусная, среднемощная, с. Псыншоко
среднесуглинистая, на четвер- разнотравно-луговыи Ь — 297 м над ур. м.,
тичных карбонатных суглинках N - 43°45'780" Е - 43°43'128"
Луговая карбонатная Эльбрусский вариант, Прохладненский,
слабогумусная, среднемощная, с. Новоосетинское
супесчаная, разнотравный Ь - 266 м над ур. м.,
на аллювиальных песчано- N - 43°41'924"
галечниковых отложениях Е - 43°48'121"
Луговая карбонатная Терский вариант, Урванский, с. Кахун
слабогумусная, маломощная, Ь - 304 м над ур. м.,
супесчаная, разнотравный N - 43°32'184"
на аллювиальных песчано- Е - 43°51'996"
галечниковых отложениях
Аллювиально-луговая насы- Эльбрусский вариант, Баксанский, с. Псыхурей
щенная, слабогумусная, Ь - 362 м над ур. м.,
маломощная, супесчаная, злаковый N - 43°50'682"
на аллювиальных песчано- Е - 43°34'206"
галечниковых отложениях Терский вариант, Пойма р. Нальчик Ь - 345 м над ур. м.,
разнотравный N - 43°31'797" Е - 43°44'501"
При изучении биохимических свойств почв определялось:
- содержание органического вещества по методу Тюрина в модификации Никитина;
- рН водной вытяжки потенциометрическим методом;
- активность каталазы газометрическим методом, остальных ферментов - колориметрическим методом [1].
Контролем при определении активности ферментов служили стерилизованные почвы (180иС, 3 часа), аналитическая повторность - трёхкратная. Оценка уровня ферментативной активности почв проводилась по шкале Э.И. Гапонюк, С.В. Малахова [9].
Расчёт суммарной относительной ферментативной активности и суммарной профильной ферментативной активности проводился по методикам, предложенным Д.Г. Звягинцевым [10], К.Ш. Казеевым и др. [1].
Результаты и их обсуждение
Луговые почвы речных долин и дельт изучаемых территорий представлены двумя подтипами - луговым и влажно-луговым. Для них характерно дополнительное плёночно-капиллярное увлажнение, источником которого являются неглубоко (1,5-3 м) расположенные грунтовые воды.
Сизовато-серая, неоднородная окраска нижних горизонтов наблюдаемых почв является слабовыраженным признаком гидроморфизма.
Наиболее высокими биохимическими характеристиками в ряду изученных гидроморф-ных почв обладает влажно-луговая карбонатная, сформированная в эльбрусском варианте поясности, в районе исследований аналогичный подтип в терском варианте не обнаружен. В ряду наблюдаемых гидроморфных почв влажно-луговая карбонатная содержит наибольшее количество гумуса в горизонте А (табл. 3), запас его в профиле также максимальный и составляет 497 т/га.
Таблица 3.
Биохимические свойства влажно-луговой карбонатной почвы
ЭЛЬБРУССКОГО ВАРИАНТА ПОЯСНОСТИ
Глубина отбора образцов почвы,см Содержание гумуса, % рН водн. вытяжки Дегидро-геназа, мг ТФФ 10 г/24 час. Каталаза, мл О2 1 г/1 мин Инвертаза, мг глюкозы 1 г/24 час. Уреаза, мг 1ЧН3 10 г/24 час. Фосфатаза, мг Р2О5 100 г/1 час.
А 0-43 5,00 8,20 6,31 3,8 4,25 74,4 18,9
АВ 43-60 2,29 8,31 1,15 3,5 0 37 5,14
В 60-90 1,35 8,68 0,59 4,6 0 6,4 0
Накоплению органических веществ способствует среднесуглинистый гранулометрический состав данной почвы. В гумусовом слое формируется хорошо выраженная комковато-зернистая структура, обеспечивающая оптимальный водный и воздушный режимы.
Максимальное проявление каталитической деятельности изучаемых ферментов наблюдается в поверхностном слое почвы, причём высокую активность проявляет только уреаза. Активность остальных ферментов средняя (каталаза и фосфатаза), слабая (дегидрогеназа) и очень слабая (инвертаза).
Вниз по профилю контролируемые показатели достаточно резко (в 2-5,5 раза) снижаются. Исключение составляет каталаза, но повышение её активности в горизонте (В), скорее всего, связано с увеличением карбонатности почвы вниз по профилю, эту особенность данного фермента отмечают и другие исследователи [11].
Относительная профильная активность ферментов класса оксидаз (49%) и гидролаз (51%) приблизительно равная. Но если рассматривать динамику изменения соотношения изучаемых классов ферментов вниз по профилю, то наблюдается активное усиление роли оксидаз в нижнем горизонте. На глубине 90 см соотношение составляет 90% (оксидазы) -10% (гидролазы). Вероятно, это связано с тем, что в период исследования основным являлось поверхностное увлажнение, уровень грунтовых вод был значительно снижен, и в нижней части профиля сформировались сухие условия. Ферменты класса оксидаз проявляют большую активность в засушливых условиях, эту особенность отмечали и другие авторы [11].
Суммарная профильная ферментативная активность влажно-луговой насыщенной почвы самая высокая в ряду изученных гидроморфных почв. В сравнении с луговой карбонатной эльбрусского и терского вариантов поясности этот показатель выше в 5 и 3,6 раза соответственно.
Таким образом, лучшие условия увлажнения, лугово-разнотравная растительность, более высокая гумусированность, благоприятные физические свойства описываемой почвы активизируют деятельность почвенных ферментов, особенно в наиболее биогенном гуму-сово-аккумулятивном горизонте.
Строение профиля и мощность гумусового слоя (А+В) у луговых карбонатных почв терского (80 см) и эльбрусского (42 см) вариантов поясности заметно различаются (табл. 4). Неодинакова и динамика изменения содержания гумуса вниз по профилю: в почве эльбрусского варианта поясности снижение весьма незначительное, а в почве терского варианта концентрация его заметно (в 1,6 раза) падает. Поэтому запас гумуса в профиле почвы, сформированной в эльбрусском варианте поясности (257 т/га), вдвое выше, чем в терском (128 т/га).
Таблица 4.
Биохимические свойства луговых карбонатных почв эльбруского И терского вариантов поясности
Глубина Содер- рН Дегидро- Каталаза, Инвертаза, Уреаза, мг Фосфатаза,
отбора жание водн. геназа, мг мл О2 мг глюко- NH3 мг Р2О5
образцов гумуса, вытяжки ТФФ 1 г/1 мин зы 10 г/24 час. 100 г/1 час.
почвы, см % 10 г/24 час. 1 г/24 час.
Эльбрусский вариант
А 0-22 2,61 8,26 8,11 0,55 2,1 15,2 13,64
АВ 22-36 2,55 8,40 0,19 0,1 0,68 2,5 3,13
В 36-80 2,54 8,48 0,83 0,8 0,23 2,6 2,24
Терский вариант
А 0-23 2,46 7,41 4,9 0,8 5,3 23,4 15,65
В 23-42 1,55 8,48 2,18 0,17 1,5 8,8 8,05
ВС 43-75 0,92 8,62 0,48 0,35 1,13 3,4 7,6
Формирование ферментативной активности в профиле обеих почв происходит следующим образом: максимальная активность наблюдается в гумусово-аккумулятивном горизонте, но и здесь только активность уреазы и фосфатазы можно характеризовать как среднюю, активность остальных ферментов колеблется между слабой и очень слабой. Вниз по профилю активность всех ферментов снижается, причём наиболее резкое уменьшение показателей наблюдается с глубины 22-23 см, но на границе с материнской породой их активность, хотя и очень слабая, сохраняется.
Проявление относительной суммарной профильной активности ферментов классов ок-сидаз и гидролаз в сравниваемых почвах различно. В профиле почвы эльбрусского варианта поясности соотношение составляет 45 : 55% соответственно. Для луговой карбонатной почвы терского варианта эти показатели 27:73%, то есть суммарная относительная активность гидролаз в 2,7 раза выше. Возможно, причиной этого являются различные условия увлажнения в сравниваемых почвах.
Расчёт суммарной профильной ферментативной активности показал, что для луговой карбонатной почвы, сформировавшейся в терском варианте поясности, активность ферментов на 30% выше, чем в эльбрусском, несмотря на то, что содержание гумуса и его запас в профиле почвы терского варианта значительно ниже. Обычно количественные показатели гумусового состояния почв находятся в сильной положительной корреляционной связи с активностью ферментов. Вероятно, в данном случае более высокая суммарная профильная активность ферментов луговой карбонатной почвы терского варианта поясности связана с иными причинами.
Можно предположить, что условия лучшего увлажнения, характерные для территорий терского варианта поясности, в сочетании с особенностями водного режима гидроморф-ных почв способствовали на момент исследований проявлению более высокой суммарной активности контролируемых ферментов.
Аллювиально-луговые насыщенные почвы развиваются в центральной части поймы и в дельтах рек исследуемых территорий. Содержание гумуса в верхнем горизонте сравниваемых почв имеет достаточно близкие значения (табл. 5), но в почве терского варианта поясности наблюдается резкое уменьшение его содержания в горизонте В (в 3,3 раза). В связи с этим запас гумуса в профиле составляет всего 78 т/га, что более чем в два раза ниже, чем в профиле эльбрусского варианта (167 т/га).
Активность изучаемых ферментов в гумусово-аккумулятивном горизонте описываемых почв заметно отличается. В почве эльбрусского варианта только фосфатаза проявляет среднюю активность, остальные ферменты - слабую и очень слабую. В почве, сформированной в терском варианте, активность уреазы высокая, фосфатазы и дегидрогеназы -средняя, каталазы и инвертазы - слабая. Общим для этих почв является то, что уже в горизонте В активность всех ферментов резко падает, а в некоторых случаях - не проявляется (табл. 5). Таким образом, суммарная профильная ферментативная активность аллюви-ально-луговых насыщенных почв формируется практически полностью за счёт биогенного гумусово-аккумулятивного горизонта.
Таблица 5.
Биохимические свойства аллювиально-луговых насыщенных почв
ЭЛЬБРУССКОГО И ТЕРСКОГО ВАРИАНТОВ ПОЯСНОСТИ
Глубина Содер- рН Дегидроге- Каталаза, Инвертаза, Уреаза, мг Фосфатаза,
отбора об- жание водн. наза, мг мл О2 мг глюкозы КИ3 мг Р2О5
разцов гумуса, вытяжки ТФФ 1 г/1 мин. 1 г/24 час. 10 г/24 час. 100 г/1 час.
почвы,см % 10 г/24 час.
Эльбрусский вариант
А 0-30 2,52 8,39 5,48 1,55 1,35 5,8 17,4
В 30-43 1,4 8,55 0,90 0,13 0,72 2,9 0
ВС 43-80 0,93 8,39 0,86 0,1 0 0,6 0
Терский вариант
А 0-18 2,16 8,18 9,23 1,3 9,75 34,6 18,1
В 18-40 0,65 8,68 1,84 0 0 1,88 0
ВС 40-60 0,5 8,7 0 0 0 0 0
Соотношение активности оксидаз и гидролаз в профиле сравниваемых аллювиально-луговых почв такое же, как и в луговых карбонатных почвах. В эльбрусском варианте поясности оно составляет 47 : 53%, а в терском - 38 : 62%, то есть активность оксидаз заметно ниже в более влажных условиях терского варианта поясности. Профильная динамика соотношения ферментов изучаемых классов также демонстрирует возрастание роли оксидаз вниз по профилю. Если в верхнем горизонте активность оксидаз составляет 44% в эльбрусском варианте и 35% в терском, то в нижней части профиля этот показатель возрастает до 92% и 89% соответственно. Повышение активности оксидаз в нижней части профиля можно связать со снижением влажности почвы и отсутствием подпитки грунтовыми водами в период исследования.
Суммарная профильная ферментативная активность в почве терского варианта поясности в 1,5 раза выше, чем в почве эльбрусского, хотя мощность гумусового слоя, запас гумуса в верхнем слое и во всём профиле значительно ниже. Таким образом, в обоих рассматриваемых в данной работе почвенных типах, сформированных в условиях терского варианта поясности, почвы при меньшем запасе гумуса в профиле обладают большей суммарной профильной ферментативной активностью. Можно предположить, что водный и воздушный режимы, формируемые в гидроморфных почвах климатическими особенно-
стями рассматриваемых вариантов поясности, а также дополнительными источниками влаги, неравномерным распределением воды в разные сезоны, чередованием промывного, непромывного и выпотного водного режимов оказывают на активность ферментов столь же значительное влияние, как содержание и распределение гумуса в профиле этих почв. Однако данное предположение нуждается в дополнительной проверке при специальном исследовании.
Заключение
Таким образом, впервые были проведены профильно-генетические исследования важнейших биохимических показателей основных типов гидроморфных почв, формирующихся в поймах и дельтах рек степной зоны Кабардино-Балкарии. В результате установлены закономерности проявления активности ферментов класса оксидаз и гидролаз в профиле изученных почв. Рассчитан уровень суммарной профильной активности контролируемых ферментов, определены различия, которые накладывают на изучаемые показатели генетические свойства гидроморфных почв и климатические особенности терского и эль-брусского вариантов поясности.
По величине суммарной профильной ферментативной активности изученные гидро-морфные почвы степной зоны Кабардино-Балкарии можно выстроить в следующий ряд: влажно-луговая карбонатная, эльбрусский вариант поясности (100 %) > луговая карбонатная, терский вариант поясности (28 %) > аллювиально-луговая, терский вариант поясности (23 %) > луговая карбонатная, эльбрусский вариант поясности (20 %) > аллюви-ально-луговая, эльбрусский вариант поясности (15 %).
ЛИТЕРАТУРА
1. Казеев К.Ш., Колесников С.И., Вальков В.Ф. Биологическая диагностика и индикация почв: методология и методы исследований. Ростов-на-Дону: Изд-во Рост. ун-та, 2003. 204 с.
2. Темботов А.К. География млекопитающих Северного Кавказа. Нальчик: Эльбрус, 1972. 245 с.
3. Кумахов В.И. Почвы центрального Кавказа. Нальчик: Полиграфсервис и Т, 2007. 125 с.
4. Ашабоков Б.А., Федченко Л.М., Калов Х.М., Бисчоков Р.М., Богаченко Е.М. Анализ и прогноз изменения климата в Кабардино-Балкарской Республике. Нальчик: Кабардино-Балкарская гос. сельхозакадемия, 2005. 150 с.
5. Вальков В.Ф., Колесников С.И., Казеев К.Ш. Почвы Юга России: классификация и диагностика. Ростов-на-Дону: СКНЦ ВШ, 2002. 349 с.
6. Цепкова Н.Л. Разнообразие фитоценозов равнинной территории Кабардино-Балкарской Республики // Проблемы экологии горных территорий. Сборник научных трудов. М.: Т-во научных изданий КМК, 2006. С. 51-54.
7. Улигова Т.С., Хежева Ф.В., Темботов Р.Х. Ферментативная активность в генетических горизонтах почв степной зоны терского варианта поясности Кабардино-Балкарии // Труды Кубанского государственного аграрного университета. 2011. №6 (33). С. 72-77.
8. Молчанов Э.Н., Калмаков В.Д., Романова А.К. и др. Почвенная карта Кабардино-Балкарской АССР. Новосибирск: Роскартография, 1984.
9. Гапонюк Э.И., Малахов С.В. Комплексная система показателей экологического мониторинга почв // Труды 4-го Всесоюзного совещания. Обнинск, июнь 1983. Л.: Гидроме-теоиздат, 1985. С. 3-10.
10. Звягинцев Д.Г. Биологическая активность почв и шкалы оценки некоторых её показателей // Почвоведение, 1978. № 10. С. 44-52.
11. Казеев К.Ш. Географические закономерности изменения ферментативной активности в почвах разных природных зон западной части Северного Кавказа // Почвы и растительный мир горных территорий. М.: Т-во научных изданий КМК, 2009. С. 30-38.
BIOCHEMICAL CHARACTERISTICS OF BASIC TYPES OF HYDROMORPHIC SOILS FORMED UNDER VARIOUS CONDITIONS OF VERTICAL ZONATION IN THE STEPPE ZONE OF THE CENTRAL CAUCASUS (WITHIN KABARDIN-BALKARIA)
O.N. GOROBTSOVA, F.V. KHEZHEVA, T.S. ULIGOVA, R.KH. TEMBOTOV
Institute of Ecology of Mountain Territories of the KBSC of the Russian Academy of Sciences 360051, KBR, Nalchik, 37-a, I. Armand's street E-mail: iemt@mail.ru
Profile and genetic studies of biochemical parameters in basic types of hydromorphic soils formed in floodplains and river deltas in the steppe zone of Kabardino-Balkaria are conducted. The peculiarities in efficiency of principle soil enzymatic activity are determined; the level of their summary profile activity is calculated; the differences in studied parameters dependent on genetic soil features and climatic peculiarities of considered variants of vertical zonation are determined.
Key words: variants of vertical zonation, hydromorphic soils, enzymatic activity, urease, phosphotase, invertase, catalase, dehydrogenase.
Работа поступила 22. 06. 2012 г.
