CC BY
181
ИЗВЕСТИЯ
ПЕНЗЕНСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ПЕДАГОГИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА имени В. Г. БЕЛИНСКОГО ЕСТЕСТВЕННЫЕ НАУКИ № 14 (18)2009
IZVESTIA
PENZENSKOGO GOSUDARSTVENNOGO PEDAGOGICHESKOGO UNIVERSITETA imeni V. G. BELINSKOGO NATURAL SCIENCES № 14 (18) 2009
УДК 631.4 (471.327)
ОЦЕНКА БИОЛОГИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ ПОЧВ ГОРОДСКИХ ЛАНДШАФТОВ
(НА ПРИМЕРЕ г. ЗАРЕЧНЫЙ)
© Ю. А. вяль, А. В. ШИЛЕНКОВ Пензенский государственный педагогический университет им. В. Г. Белинского, кафедра ботаники, физиологии и биохимии растений e-mail: [email protected]
Вяль Ю.А., Шиленков А.В. - Оценка биологической активности почв городских ландшафтов (на примере г. Заречный) // Известия ПГПУ им. В. Г. Белинского. 2009. № 14 (18). С. 7-10. - Изучены ключевые показатели биологической активности почв города Заречный: активность каталазы и уреазы, фитосанитарное состояние с важнейшими агрохимическими и физическими свойствами - содержанием гумуса, гранулометрическим составом и структурным состоянием. Установлено, что почвенный покров города формируются на богатой природной основе. Он сочетает в себе почвы со слабыми признаками антропогенной трансформации и ярко выраженными диагностическими признаками исходного генетического типа, а также почвоподобные тела. Ферментативная активность городских почв зависит от степени и вида антропогенной нагрузки. Наиболее сильно она подавлена в почвоподобных телах с нарушенным почвенным профилем. Предлагаются меры по повышению ферментативной активности и устойчивости городских почв.
Ключевые слова: биологическая активность почв, городские почвы
Vyal’ Yu. A., Shilenkov A.V. - Evaluation of Biological Activity of Soil in Urban Areas (Zarechny Town) // Izv. Penz. gos. pedagog. univ. im.i V.G. Belinskogo. 2009. № 14 (18). P. 7-10. - Key factors of biological activity of soil in Zarechny Town such as catalase and ureasa activity, soil condition with its main agrochemical and physical properties (humus content, size of particles and structure) are studied in the article. It is established that the soil layer in the town is composed of rich natural constituents. It combines soil with weak signs of changes due to human activity and clearly observed diagnostic signs of initial genetic type as well as soil-related particles. The activity of ferments in the town soil mostly depends upon degree and sort of human activity. The ferment activity is mostly depressed in soil-related particles in the damaged soil profile. Measures to increase the ferment activity and stability of the town soil are put forward in the research.
Keywords: biological activity of soils, urban soils.
Почвы городских ландшафтов до сих пор остаются еще относительно слабо изученным объектом, несмотря на заметно возросший в последнее время к ним интерес. Причин этого несколько. На территории города формируется сложный комплекс почвенных индивидуумов, обусловленный природными факторами, историей развития города и его современным экономическим статусом, политикой градостроительства. Поэтому на территории города можно обнаружить самые причудливые мозаики, включающие все переходы от относительно слабо затронутых хозяйственной деятельностью природных почв до почвоподобных тел, созданных искусственно. В отношении их пока не существует общепринятой терминологии (техноземы, урбаноземы и др.), обсуждается возможность применения при изучении их свойств общепринятых в почвоведении методов и необходимость разработки специальных методик [12].
Роль почв в экосистемах обсуждалась неоднократно. В условиях города с его интенсивными
потоками вещества и энергии нагрузка на них сильно возрастает, поэтому важно знать, насколько городские почвы справляются со своими экологическими функциями [14].
Биологическая активность - совокупность процессов, связанных с почвенной биотой - важнейшая характеристика почвы, во многом определяющая ее функциональные и структурные свойства. Для ее оценки принято использовать разнообразные методы: зоологические, геоботанические, микробиологические, биохимические [15]. В работе обсуждается возможность использования таких показателей, как активность ряда ферментов и фитотоксичность почвы.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА
Исследование проводилось в г. Заречный. Основная его часть расположена на первой надпойменной террасе реки Суры. Материнскими породами для естественных почв служили осадочные породы болот-
ного происхождения, слоистые по гранулометрическому составу [9].
Почвенные разрезы закладывали так, чтобы охватить районы разного назначения и почвы разного использования: промышленную зону (7Д), жилую (3Д, 4Л, 5Л, 5Д, 6Л, 6Д, 10А), рекреационную (7Л), общественно-деловую (1А, 2А, 4А). Всего выполнили 12 почвенных разрезов: в основном прикопки (на глубину 40-50 см), 1 глубокий почвенный разрез на глубину 120 см. По ним описывали строение почвенного профиля и определяли тип почвы. Образцы для анализов отбирали из верхних горизонтов с глубины 0-10 см.
Каталазную активность определяли перманганатометрическим методом Джонсона и Темпле [8], уре-азную активность - по Т. А. Щербаковой, содержание гумуса по И. В. Тюрину с фотоколориметрическим окончанием (2-х кратная повторность) [15]. Фитотоксичность почв определяли по подавлению прорастания и угнетению роста проростков редиса (сорт корунд), помещенных на поверхность почвенных пластинок в чашках Петри (3-х кратная повторность, 27 семян в каждой; инкубация при 60% от полной влагоемкости при t 20-22°С 5 дней). Структурное состояние определяли по Н. И. Саввинову, рН соляной вытяжки потен-циометрически [2].
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Морфологический анализ показал, что природная основа, на которой происходит формирование городских почв, чрезвычайно разнообразна. В образцах 1А, 4А, 4Л, 6Л, 7Л, 7Д более или менее явно диагностируются признаки серых лесных супесчано-легкосуглинистых почв. Они в нашей области обычны для боровых террас, сложенных породами легкого гранулометрического состава [10]. В образовании почвенного покрова города, видимо, принимали участие и лугово-черноземные почвы, формирующиеся обычно
в полугидроморфных условиях надпойменных террас (2А, 3Д, 5Д, 10А), а также дерново-слоистые почвы прирусловой поймы (6д) и дерново-зернистые почвы центральной поймы (5л).
Большинство исследованных нами почв нужно отнести к естественно-антропогенным поверхностно-измененным. В их профиле морфологические признаки генетических типов диагностируются ясно. Следы антропогенной трансформации присутствуют во всех образцах (за исключением 6Л) в виде включений строительного мусора различного химического состава (преимущественно известняк), бытового мусора (кости, стекло). Степень насыщенности включениями в остальных образцах варьирует от 1 до 3 баллов. Некоторые образцы должны быть отнесены к урбаноземам, как например, образец 7д, который был взят рядом с промышленным предприятием «Полет».
для оценки биологической активности использовали показатели каталазной и уреазной активности. Каталаза - фермент класса оксидоредуктаз, катализирует реакцию разложения перекиси водорода на воду и молекулярный кислород. У растений перекись водорода образуется в процессе дыхания, в ответ на стрессовое воздействие, а в почве - в результате биохимического окисления органических веществ. По ка-талазной активности судят о скорости окислительных процессов в почве [7, 12, 15].
уреаза - фермент класса гидролаз, осуществляющий гидролиз мочевины. Мочевина образуется в самой почве в результате биохимических реакций распада азотистых органических соединений, поступает в нее как конечный продукт азотного обмена животных, в составе растительных остатков, вносится в почву как удобрение. Под действием уреазы азот мочевины переходит в аммонийную форму, доступную для растений и нитрифицирующих бактерий, а также выделяется углекислый газ, который растения могут использовать в процессе фотосинтеза [7, 12, 15].
Таблица 1.
Ферментативная активность почв г. Заречный
Варианты Каталазная активность, мл 0,1 М КМпО4/г за 20 мин Уреазная активность, Мг N-N^/10 г за сутки
1А 0,59±0,02 22,65±0,11
2А 0,53±0,01 15,45±1,17
3Д 0,55±0,01 34,2±1,06
4А 0,65±0,02 13,2±0,42
4Л 0,42±0,01 12,9±0,64
5Л 0,45±0,02 22,2±1,48
5Д 0,58±0,06 12,00±0,64
6Л 0,93±0,02 33,00±1,48
6Д 0,66±0,04 17,55±0,74
10А 0,88±0,00 14,10±0,42
7Л 0,93±0,01 22,20±1,90
7Д 0,42±0,01 11,55±0,95
ПОЧВОВЕДЕНИЕ ►►►►►
Каталазная активность исследуемых почв значительно варьирует (табл. 1). Наиболее высока она в образцах 6Л, 7Л и 10А. Первые два принадлежат серым лесным почвам, развивающимся на окраине города сосновым лесом. Несмотря на рекреационную нагрузку, почвообразование здесь протекает при ведущем участии природных процессов. Об этом свидетельствует полночленный почвенный профиль, в том числе наличие органогенного горизонта А0, характер морфологических признаков генетических горизонтов, отсутствие антропогенных включений. Поэтому каталазная активность их перегнойно-аккумулятивных горизонтов приближается к значениям, установленным ранее для почв этого генетического типа [6].
увеличение антропогенной нагрузки приводит к ингибированию каталазной активности в почвах этого генетического ряда. В наибольшей степени это выражено в почвах с нарушенным почвенным профилем (образец 4Л со снятым гумусовым горизонтом) и в почвоподобном теле, испытывающем влияние промышленного предприятия (7Д). Для них обнаружено снижение каталазной активности на 55 %.
По данным ряда исследований, каталаза является ферментом, чувствительным ко многим видам антропогенной нагрузки. установлено ингибирование каталазной активности в почвах, загрязненных не-
В ряде исследований показано существование тесных положительных корреляционных связей между содержанием гумуса в почве и активностью многих гидролитических и окислительно-восстановительных ферментов. Это связано с ролью органического вещества как источника, субстрата и иммобилизатора почвенных ферментов [1, 3, 4, 16]. Эти выводы получены при анализе почв естественных ландшафтов и агроценозов. Видимо, эти же механизмы формирования ферментативного пула действуют и в почвах городов. Согласно нашим данным, среди изученных факторов наибольшее влияние на ферментативную активность городских почв оказывает гумусированность.
Для более полной характеристики биологической активности почвы города Заречный изучили фитотоксичность почвы как способность подавлять прорастание семян и угнетать рост проростков. Исследования показали, что всхожесть семян редиса на почвенных пластинках достоверно не отличалась от контроля (увлаж-
фтью [3, 13], отходами лавсано-эфирного производства [11], тяжелыми металлами [5].
Изучение уреазной активности дает более сложную картину (табл. 1). Вариативность этого признака в изученных нами почвах выше по сравнению с каталаз-ной активностью. Для одних образцов установлена низкая активность обоих ферментов (4Л, 7Д), что может трактоваться как ослабление биологической активности почв в условиях города. Для других характерно снижение уреазной активности на фоне средних (2А, 4А, 5Д) и высоких (10А) значений активности каталазы. Это может расцениваться как большая чувствительность уреазы к антропогенному воздействию. К аналогичным выводам пришли и другие исследователи [13].
В целом большинство изученных нами почв согласно шкале Звягинцева должны быть отнесены к среднеобогащенным уреазой, а 2 - к богатым (16,7%). Это серая лесная почва под лесом на окраине (6Л) и черноземно-луговая жилой зоны (3Д).
Важнейшими природными факторами ферментативной активности являются органическое вещество, водно-воздушный режим, обусловленный гранулометрическим и агрегатным составом, реакция почвенного раствора [1, 7, 15, 16]. Мы изучили эти свойства и при помощи корреляционного анализа попытались установить их влияние на ферментативную активность (табл. 2).
ненная фильтровальная бумага), что можно расценивать как отсутствие подавления прорастания (табл. 3).
Анализ ростовых процессов показывает более сложную картину. В 9 вариантах наблюдалось стимулирование почвой ростовых процессов побегов проростков в среднем на 20-40%, в 5 образцах сопровождающееся усиленным накоплением биомассы побега на 20-30%. Однако общая длина растений, выросших на почвенных пластинках, достоверно не отличались от контрольного варианта (за исключением 2-х образцов, где наблюдалось превышение на 18-20%). Причиной этого может служить угнетение ростовых процессов корня, которое в качестве тенденции проявляется у большинства вариантов. По данным физиологов, изменение соотношения ростовых процессов и накопления биомассы надземных и подземных органов в неблагоприятных эдафических условиях является характерной стрессовой реакцией растений, в том числе и на начальных этапах онтогенеза.
Таблица 2.
Коэффициенты корреляции между активностью ферментов и химическими и физическими свойствами почвы
Каталазная активность Уреазная активность
Содержание гумуса 0,49 0,44
Содержание частиц физической глины 0,24 -0,02
Содержание АЦА (по сухому образцу) -0,1 0,199
Содержание АЦА (по влажному образцу) 0,255 0,003
Кислотность -0,24 -0,28
Таблица 3.
Показатели фитотаксичности почв г. Заречный
Варианты Всхожесть% Длина побега, см Длина корня, см Длина проростка, см Масса побега, мг
1А 86,4±3,3 3,5±0,2* 3,9±0,1 7,5±0,3* 7,1±0,4
2А 79,0±3,3 3,3±0,0* 3,6±0,3 6,8±0,4 7,7±0,4*
3Д 91,4±1,2 3,6±0,2* 4,0±0,3 7,6±0,4* 7,5±0,5
4А 75,3±7,5 3,1±0,3 3,1±0,2* 6,1±0,5 5,6±0,2
4Л 70,4±4,3 3,1±0,1* 3,4±0,3 6,5±0,3 6,4±1,0
5Л 80,3±6,2 3,6±0,4 3,4±0,3 7,0±0,6 8,3±0,2*
5Д 80,3±2,5 3,7±0,2* 2,8±0,1* 6,5±0,3 7,8±0,2*
6Л 86,4±1,2 3,2±0,0* 3,7±0,2 6,9±0,2 8,8±0,7
6Д 84,0±1,2 5,2±1,3 3,8±0,1 8,9±1,0 8,4±0,3*
10А 90,1±3,3 3,4±0,1* 3,1±0,3 6,4±0,4 8,6±0,4*
7Л 81,5±5,7 3,4±0,2* 3,8±0,4 7,1±0,6 7,4±0,2
7Д 74,1±2,1 3,1±0,1* 3,5±0,2 6,6±0,3 8,3±0,5
к 84,0±5,4 2,6±0,1 3,8±0,1 6,4±0,1 6,6±0,4
выводы
1. Почвы города Заречный формируются на разнообразной природной основе (серые лесные, луговочерноземные, дерново-слоистые, дерново-зернистые почвы). Ряд их характеризуется слабыми признаками антропогенной трансформации на фоне хорошо прослеживающихся диагностических признаков исходного генетического типа. Другие являются искусственно созданными почвоподобными телами.
2. Ферментативная активность городских почв зависит от степени и вида антропогенной нагрузки. Наиболее сильно она подавлена в почвоподобных телах с нарушенным почвенным профилем.
3. Наиболее эффективными мерами повышения ферментативной активности и устойчивости городских почв будут все способы нормализации их биологического круговорота, направленные на увеличение содержания в них органического вещества как основного фактора биологической активности.
4. Фитосанитарное состояние изученных почв не может быть оценено однозначно, требуются дополнительные исследования.
список ЛИТЕРАТУРЫ
1. Абрамян С.А. Изменение ферментативной активности почвы под влиянием естественных и антропогенных факторов // Почвоведение. 1992. №7. С. 70-82.
2. Александрова Л.Н., Найденова О.А. Лабораторнопрактические занятия по почвоведению. Л.: Агропро-миздат. Ленингр. Отд-ние, 1986. 295 с.
3. Антоненко А.М., Занина О.В. Влияние нефти на ферментативную активность аллювиальных почв Западной Сибири // Почвоведение. 1992. №1. С. 38-43.
4. Балаян Т.В. Биологическая активность дерново-подзолистой почвы и урожаи сельскохозяйственных культур // Почвоведение. 1993. №12. С. 65-71.
5. Девятова Т.А., Стороженко Н.В. Влияние техногенного загрязнения на биологическую активность почв г. Воронежа // Почва, жизнь, благосостояние. Сб. мат. Всероссийской конференции (Пенза, 29-30 марта 2000 г.) / Под ред. Надежкина С.М. Пенза: ПГСХА, 2000. С. 107-108.
6. Вяль Ю.А. Анатомо-Морфологические и физиологобиохимические особенности подроста широколиственных деревьев в разных экологических условиях // Автореф. дисс....канд. биол. наук. М, 2006. 23 с.
7. Галстян А.Ш. Ферментативная активность почв Армении. Ереван: Айастан, 1974. 259 с.
8. Ганжара Н.Ф., Борисов Б.А., Байбеков Р.Ф. Практикум по почвоведению. М.: Агроконсалт, 2002. 280 с.
9. Геологический атлас Пензенской области. Саратов, 2001. С. 24.
10. Дюкова Г. Р. Экология почвообразования и почвы Пензенской области // Охрана растительного и животного мира Поволжья и сопредельных территорий. Мат. Всерос. науч. конф. Пенза, 2003. С. 263-270.
11. Ивлева С.Н., Шимко Н.А., Ефремов А.Л. Влияние органических токсикантов на ферментативную активность почвы // Почвоведение. 1992. №3. С. 133-138.
12. Муха В.Д. Естественно-антропогенная эволюция почв (общие закономерности и зональные особенности). М.: Колос, 2004. С. 92-101.
13. Саулебекова А.К. Экологическое состояние нефтезаг-рязненных почв различных месторождений Атыраус-кой области. Автореф. дисс....канд. биол. наук. Алматы, 2007. 21 с.
14. Строганова М.Н., Мягкова А.Д., Прокофьева Т.В. Роль почв в городских экосистемах // Почвоведение. 1997. №1. С. 96-101.
15. Хазиев Ф.Х. Методы почвенной энзимологии. М.: Наука, 1990. 189 с.
16. Щербакова Т.А. Ферментативная активность почв и трансформация органического вещества. Минск.: Наука и техника. 1983. 122 с.
17. Шмидт В.М. Математические методы в ботанике: Учебное пособие. Л.: Изд-во ЛГУ, 1984. 288 с.
