Научная статья на тему 'Динамика углерода микробной биомассы целинных степных и сухостепных почв Забайкалья'

Динамика углерода микробной биомассы целинных степных и сухостепных почв Забайкалья Текст научной статьи по специальности «Экологические биотехнологии»

CC BY
355
94
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
УГЛЕРОД / МИКРОБНАЯ БИОМАССА / ЧЕРНОЗЕМЫ / CARBON / MICROBIC BIOMASS / CHERNOZEMS

Аннотация научной статьи по экологическим биотехнологиям, автор научной работы — Чимитдоржиева Эржена Очировна, Чимитдоржиева Галина Доржиевна

Authentic communication between change of temperature and quantity of the carbon biomass in soils is revealed. Deficiency of moisture in soils limited growth of microorganisms during the separate periods of vegetation. Humidity influence was shown through change of activity of plants and security of microorganisms by substratum and biogene elements.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по экологическим биотехнологиям , автор научной работы — Чимитдоржиева Эржена Очировна, Чимитдоржиева Галина Доржиевна

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Dynamics of carbon microbic biomass of virgin chernozems and chestnut soils of Transbaikalia

Authentic communication between change of temperature and quantity of the carbon biomass in soils is revealed. Deficiency of moisture in soils limited growth of microorganisms during the separate periods of vegetation. Humidity influence was shown through change of activity of plants and security of microorganisms by substratum and biogene elements.

Текст научной работы на тему «Динамика углерода микробной биомассы целинных степных и сухостепных почв Забайкалья»

целостной районной (городской) системы наблюдения за качеством поверхностных и подземных вод, атмосферы, почв, в том числе и с использованием сил и средств районных подразделений федеральных органов исполнительной власти: Роспотребнадзора, Росприроднадзора, МЧС, Росрыболов-ства, Бассейновых водных управлений и других. Важный вклад в этот процесс может и должна вложить правильно организованная, управляемая и координируемая органом местного самоуправления целостная система производственного экологического контроля, включающая сеть производственноаналитических лабораторий предприятий города (района). Отсюда следует вывод о том, что именно на уровне органов местного самоуправления в лице экологического органа, имеющего в том числе и контрольные функции, должна закладываться первичная аналитическая база системы управления качеством окружающей среды.

Это представляется важным и потому, что подсистема экологической безопасности на уровне муниципального образования играет двойную роль: важно не только вовремя отследить негативные процессы в природной среде, но и своевременно запланировать соответствующие управленческие решения по организации природоохранных мероприятий, независимо от их стоимости, источников финансирования и сроков внедрения - будь то строительство очистных сооружений, ограничение сбро-

сов (выбросов), рекультивация земель, сбор вторичного сырья и т.п. [3].

Именно с самого низшего уровня подсистемы экологической безопасности - муниципального -формируются как необходимые управленческие решения, так и инициируется разработка природоохранных нормативных актов, а также законодательных инициатив в представительный орган субъекта РФ в целях повышения эффективности экологического законодательства, в том числе и на федеральном уровне.

Исходя из вышеизложенного, можно сделать однозначный вывод: если в ближайшее время не будут предприняты меры по воссозданию природоохранной организационно-управленческой системы на уровне местного самоуправления, рассчитывать на улучшение и без того сложной экологической обстановки в России явно не придется.

Библиографический список

1. Конституция Российской Федерации. - М.: Маркетинг, 2001. - 39 с.

2. Российская Федерация. Законы. Об охране окружающей среды. - Собрание законодательства РФ, 2002, № 2, ст. 133; 2004, № 35, ст. 3607. - 34 с.

3. Гаврилов Е.В., Исаков В.М., Цховребов Э.С. Проблемы обеспечения экологической безопасности на территории муниципального образования // ЭКОС-Информ. - 2005. - № 1. - С. 17-21.

УДК 631.461

Чимитдоржиева Эржена Очировна

Институт общей и экспериментальной биологии СО РАН

[email protected]

Чимитдоржиева Г алина Доржиевна

Институт общей и экспериментальной биологии СО РАН

galdoij@gmail. com

ДИНАМИКА УГЛЕРОДА МИКРОБНОЙ БИОМАССЫ ЦЕЛИННЫХ СТЕПНЫХ И СУХОСТЕПНЫХ ПОЧВ ЗАБАЙКАЛЬЯ

Выявлена достоверная связь между изменением температуры и количеством С-биомассы в почвах. Дефицит влаги в почвах лимитировал рост микроорганизмов в отдельные периоды вегетации. Влияние влажности проявлялось через изменение активности растений и обеспеченности микроорганизмов субстратом и биогенными элементами.

Ключевые слова: углерод, микробная биомасса, черноземы.

Микробный углерод почвы - важная функциональная часть почвенного органического углерода, обеспечивающая основную продукцию диоксида углерода почвами [1]. Знания о запасе микробного углерода различных типов почв важны для экологических исследований, в том числе и прогнозных сценариев. Особый интерес представляют ненарушенные степные и сухостепные биоценозы, запасы углерода в которых отражают их природный потенциал.

Цель работы - изучить сезонную динамику накопления С-биомассы и оценить запасы микроб-

ного углерода черноземов и каштановых почв Туг-нуйской котловины Забайкалья.

Работа выполнена в 2008-2010 гг. в Тугнуйс-кой котловине Западного Забайкалья. Объектами исследований являлись целинные черноземы и каштановые почвы.

Физико-химические свойства почв определяли общепринятыми методами [2; 3]. С-микробные биомассы исследовали регидратационным методом [4].

Для черноземов характерны: мощность гумусового профиля 25-33 см, содержание гумуса 4,15,3%, легкий гранулометрический состав, неболь-

Кцелинэ — — Ч целина

Рис. 1. Динамика С-биомассы в черноземах и каштановых почвах за вегетационный сезон 2008 г., мг С / 1 г почвы

шая сумма поглощенных оснований (22,629,7 мг-экв/100 г почвы). Каштановым почвам свойственна незначительная мощность горизонта А: 24-26 см. Легкий гранулометрический состав определяет низкое содержание гумуса (1,0-2,3%) и низкую емкость катионного обмена.

По нашим данным, в начале вегетации 2008 года количество С-биомассы было невысокое, что обусловлено глубоким промерзанием почв и медленным весенним их прогреванием. Величина С-биомассы в середине мая составляла в черноземе - 0,56 и в каштановой почве - 0,38 мг С / 1 г почвы (см.: рис. 1). В черноземах отмечается почти вдвое большее количество С-биомассы, чем в каштановых почвах, что объясняется комплексом физических и физико-химических свойств почвы.

С повышением температуры почвы и после выпадения осадков, количество С-биомассы в черноземах постепенно нарастает от 0,51 до 0,64, и в каштановых почвах - от 0,30 до 0,44 мг С / 1 г почвы.

Отсутствие осадков в первой и второй декадах июля в сочетании с высокой температурой воздуха привело к дефициту влаги в почвах, вследствие чего наблюдалось снижение накопления микробной массы в черноземе от 0,62 до 0,52, в каштановой почве - от 0,39 до 0,31 мг С / 1 г почвы.

В третьей декаде июля накопление С-биомассы незначительно повышается в черноземе - 0,65, в каштановой почве - 0,43 мг С / 1 г почвы. После небольшого падения в первой декаде августа во второй декаде содержание С-биомассы в черноземе повышается до 0,61 и в каштановых почве -0,42 мг С / 1 г почвы. В этот период верхние слои почв находились в оптимальном соотношении влажности и температуры, что и обусловило накопление С-биомассы.

В с ентябре наблюдается спад содержания С-биомассы, что связано с затуханием биологических процессов в почвах. Количество углерода микробной биомассы плавно понижалось в черноземе

до 0,45 и в каштановой почве до 0,32 мг С / 1 г почвы. Активность и всплеск микробной активности очень тесно связаны с температурой и влажностью почвы.

В вегетационном сезоне 2009 года динамика содержания углерода микробной биомассы соответствовала изменениям погодных условий. Оттаивание почв весной, высокое содержание в них биогенов и доступных минерализации органических остатков способствовало инициации гидролитической микрофлоры (Ь-стратеги), активность которой приводила к разложению сложных органических веществ, что обеспечивало легкогидролизуемым субстратам другие группы микроорганизмов [5]. Так, в начале вегетации растений количество микробной массы составляло в черноземе - 0,55 и в каштановой почве - 0,40 мг С / 1 г почвы (см.: рис. 2).

Во второй декаде мая наблюдалось незначительное понижение накопления С-биомассы в черноземе - 0,32, и в каштановой почве - 0,21 мг С / 1 г почвы. Это связано с условиями увлажнения, в тот период почвы вследствие отсутствия осадков были иссушены. После продолжительной весенней засухи, выпадение осадков способствовало повышению количества С-биомассы, где в третьей декаде июня оно достигало своего первого максимума в черноземе - 0,61 и в каштановой почве - 0,44 мг С / 1 г почвы. По мере использования почвенными микроорганизмами легкодоступных органических соединений, содержащихся в растительных остатках, корневых экссудатах, низкомолекулярных гумусоподобных веществах в почвах под паром, происходит уменьшение количества и видового разнообразия почвенной микробиоты вследствие исчерпания доступных питательных субстратов [6].

В начале июля усиливалась конкуренция между растениями и микроорганизмами за источники питания, что снижало содержание последних в почве. Содержание С-биомассы в этот период было сравнительно низким на всех почвах (см.: рис. 2).

0,65

^ ^ ^ Л' Л' Г,' Л1 чр' £>' ^ Л> «■< «* <0'

т? г° л'*' -сз*' .о'*' л'5' ^ ,/ ,/ ^ ^ ^

4 г * 4 г ^ *с>» ^ ор*

■Кцелина

Ч целина

Рис. 2. Динамика С-биомассы в черноземах и каштановых почвах за вегетационный сезон 2009 г., мг С / 1 г почвы

Увлажнение почвы после выпадения осадков в июле, после засушливого периода, привело к подъему содержания С-биомассы в черноземе -0,58 и в каштановой почве - 0,40 мг С / 1 г почвы.

В августе, после небольшого спада количества С-биомассы в конце июля, наблюдался подъем накопления в черноземе до 0,55, в каштановой почве - 0,27 мг С / 1 г почвы.

В конце вегетации содержание С-биомассы несколько возрастало, составляя в черноземе - 0,49 и в каштановой почве - 0,36. Этот максимум количества С-биомассы связан с микробиологической сукцессией: вследствие поступления в почву свежих растительных остатков ослабляются конкурентные взаимоотношения между растениями и микроорганизмами за питательные вещества, а отсутствие лимитирования по субстрату и элементам питания способствует активному росту различных групп микроорганизмов.

В начале вегетации 2010 года в черноземе целинном содержание углерода микробной биомассы составляло 0,55, в целинной каштановой почве -

0,35 мг С / 1 г почвы. Активному формированию микробной массы способствовало выпадение осадков в середине мая (см.: рис. 3).

Увеличение количества С-биомассы в середине июня связано, вероятно, с бурным ростом г-стра-тегов [7; 8]. При благоприятных гидротермических условиях, накопление углерода микробной биомассы плавно нарастало и достигало первого максимума в черноземе - 0,60 и в каштановой почве - 0,45 мг С / 1 г почвы.

В связи с засушливой погодой в конце июня -первой половине июля содержание С-биомассы снижалось в черноземе до 0,32 и в каштановой почве до 0,23 мг С / 1 г почвы. В конце июля, после осадков, этот показатель достиг своего второго пика и повысился в черноземе до 0,58 и в кашта-

Кцелина — — Ч целина

Рис. 3. Динамика С-биомассы в черноземах и каштановых почвах за вегетационный сезон 2010 г., мг С / 1 г почвы

новой почве - 0,37 мг / 1 г почвы.

В августе показатель С-биомассы колеблется в интервале на черноземе 0,57-0,41, на каштановой почве - 0,32-0,29 мг С / 1 г почвы.

В сентябре накопление С-биомассы незначительно повышалось, что, возможно, связано с отмиранием и быстрым разложением растительных остатков на поверхности и в самой почве. Содержание С-биомассы в черноземе составляло 0,55 и в каштановой почве - 0,43 мг С / 1 г почвы.

Проведенный анализ позволяет связать сезонные изменения накопления С-биомассы с воздействием трофических и климатических факторов. Сходный характер сезонной динамики роста микроорганизмов в разных типах почвах свидетельствует о существовании единых внутренних и внешних механизмов, регулирующих сукцессионные изменения микробного сообщества. В природных условиях на кинетику роста микробных популяций влияет в основном взаимодействие их с другими компонентами экосистемы [9].

Анализ результатов изучения динамики содержания С-биомассы показал, что в течение вегетационного сезона ее максимумы и минимумы совпадают с таковыми периода весна-лето.

Основываясь на существующих в настоящее время экологических концепциях, можно полагать, что выявленные в наших исследованиях динамические изменения накопления С-биомассы связаны с изменениями в структуре почвенного микробного комплекса.

Статистическая обработка данных показала, что в разных типах почв содержание С-биомассы достоверно различалось. В наших экспериментах выявлена достоверная связь между изменением температуры и количеством С-биомассы в почвах. Дефицит влаги в почвах лимитировал рост микроорганизмов в отдельные периоды вегетации. Доказательством является прямая связь между содержанием С-биомассы и влажностью почв г = 0,6-0,9. Влияние влажности проявлялось через изменение активности растений и обеспеченности микроорганизмов субстратом и биогенными элементами.

Амплитуда колебаний содержания С-биомассы за весь период наблюдений характеризует способность микробного комплекса реагировать на изменение условий среды. Резкие колебания в содержании С-биомассы в почвах, отличающихся меньшим ресурсом гумуса, связаны с реакцией микроорганизмов на изменение факторов среды, которые влияют на поступление в почву легкогидролизуемого органического субстрата. Высокая амплитуда колебаний характеризует меньшую устойчивость микробного комплекса этих почв. Так, накопление С-биомассы в черноземах в меньшей степени зависело от воздействия условий среды, прежде всего благодаря протекторной функции органического вещества.

По нашим данным, количество С-биомассы от запаса органического углерода почвы в среднем составляет для черноземов 1,4-2,5% и каштановых почв 1,8-3,3%.

Для сравнения приведем данные других регионов. В почвах Западной Сибири количество С-био-массы колеблется от 1,2 до 7,5% [10; 11]. По другим оценкам, на долю почвенной микробной биомассы приходится от 3 до 10% органического углерода [12]. По зарубежным публикациям, доля С-биомассы в органическом веществе пахотных почв колеблется от 1 до 4% [13]. По данным F.P. Anderson и K.H. Domsch [14], она изменяется в более широких пределах (0,2-4,8%). Эти оценки близки к количественным показателям для изученных черноземов и каштановых почв Тугнуйской котловины.

Процессы микробиологической иммобилизации углерода в большей степени зависели от количества и качества субстрата. Опосредованное влияние климатических факторов связано с продукционными и деструкционными процессами, включая поступление в почву растительных остатков, которые разлагаются постепенно в течение нескольких лет.

Микробиологические и биохимические показатели криоаридных почв значительно ниже, а параметры их колебаний выше, по сравнению с аналогами почв других территорий, что предопределяет нестабильный уровень потенциального плодородия.

Наряду с общими микробиологическими показателями криоаридных почв, отличия и контрасты параметров почвенных условий отдельных типов накладывают специфические особенности на микробиологические процессы, протекающие в этих почвах.

Библиографический список

1. Jenkinson D.S., Powlson D.S. The effect of biocidal treatment on metabolism in soil: 5. A method for measuring soil biomass // Soil Biol. and Biochem. -1976. - Vol. 8. - № 3. - P. 209-213.

2. Аринушкина Е.В. Руководство по химическому анализу почв. - М.: Изд-во МГУ, 1970. - 487 с.

3. Агрохимические методы исследования почв. - М.: Наука, 1975.

4. Благодатский С.А., Благодатская Е.В., Горбенко А.Ю. и др. Регидратационный метод определения микробной биомассы в почве // Почвоведение. - 1987. - № 4. - С. 64-71.

5. Умаров М.М. Ассоциативная азотофикса-ция. - М.: Изд-во Моск. ун-та, 1986. - 136 с.

6. Нимаева С.Ш. Микробиология криоаридных почв. - Новосибирск: Наука, 1992. - 176 с.

7. Звягинцев Д.Г. Почва и микроорганизмы. -М.: Изд-во Моск. ун-та, 1987. - 256 с.

8. Паников Н.С. Кинетика роста микроорганизмов: общие закономерности и экологические приложения. - М.: Наука, 1991. - 310 с.

9. Паников Н.С. Особенности кинетики микробного метаболизма в природных средах // Экологическая роль микробных метаболитов. - М.: Изд-во Моск. ун-та, 1986. - С. 140-165.

10. Наумова Н.Б. Биомасса микроорганизмов в почвах естественных, сельскохозяйственных и техногенных экосистем Сибири: Автореф. дис. ... канд. биол. наук. - Новосибирск, 1990. - 19 с.

11. Якутин М.В. Биомасса и активность микроорганизмов пойменных почв Средней Оби // Почвоведение. - 1994. - № 12. - С. 70-76.

12. СемёновВ.М., ИванниковаЛА., Кузнецова Т.В. Структурно- функциональное состояние органического вещества почвы // Почвенные процессы и пространственно-временная организация почв. - М.: Наука, 2006. - С. 230-247.

13. Тейт Р.Ш. Органическое вещество почвы. -М.: Мир, 1991. - 398 с.

14. Anderson J.P., Domsch K.H. Mineralization of bacteria and fungi in chloroform-fumigated soils // Soil Biol. and Biochem. - 1978. - Vol. 10. - № 3. -P. 207-213.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.