CC BY
103
УДК 579.6:631.4 Р. Ф. Хасанова, Я. Т. Суюндуков, И. Н. Семенова
г. Сибай, Россия
ОЦЕНКА ЭКОЛОГИЧЕСКОГО состояния почв СТЕПНЫХ АГРОЭКОСИСТЕМ ПО ПОКАЗАТЕЛЯМ БИОЛОГИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ
Аннотация. Изучена ферментативная и микробиологическая активность почв на агроценозах и приведена интегральная оценка их биологического состояния в условиях степного Зауралья Республики Башкорто-
Ферментативная активность почв изучалась по следующим методам: каталазная активность - по А. Ш. Галстяну (1974); целлюлозоразлагаюгцая - методом аппликаций, протеолитическая - по уменьшению массы азотосодержагцих веществ желатины, уреазная по учета количества аммиака, при разложении мочевины. Для оценки экологического состояния почв агроэкосистем был использован интегральный показатель биологического состояния почвы (ИПБС). Численность основных эколого-трофических групп микроорганизмов устанавливали методом посева почвенной суспензии из разведений на агаризованные питательные среды: мясо-пептонный агар (МПА), крахмало-аммиачный агар (КАА), голодный агар (ГА), агаризованную почвенную вытяжку (ПА). Характеристику структуры микробного сообщества проводили по коэффициентам: иммобилизации минерального азота (Кнмм), коэффициент олиготрофности (Колиг).
На основе данных анализа ферментативной активности чернозема обыкновенного степного Зауралья на разных угодьях можно заключить, что пахотное использование почв отрицательно воздействует на уровень гидролитических ферментов. Снижение интегрального показателя биологической активности пахотных почв под зерновыми культурами может свидетельствовать о нарушении их информационных, а также биохимических, физико-химических, химических и целостных экосистемных функций.
Специфическая структура микробных сообществ в почвах под целиной препятствует выносу азота за пределы экосистемы. Сельскохозяйственное использование почв приводит к активизации минерализацион-ных процессов и, соответственно, к снижению содержания азота в экосистеме. Возделывание многолетних трав улучшает биологическое состояние почв, что, несомненно, отражается на их плодородии. Полученные результаты подтверждают, что представленные в работе показатели ферментативной и микробиологической активности можно рекомендовать в качестве индикаторов благополучия почвенной среды, отражающих функциональное состояние почвенной биоты.
Ключевые слова: ферментативная активность; микрофлора; агроценоз; чернозем обыкновенный.
Сведения об авторах: Резеда Фиргатовна Хасанова1, кандидат биологических наук, ведущий научный сотрудник; Ялиль Тухватович Суюндуков2, доктор биологических наук, профессор, начальник научно-исследовательского центра; Ирина Николаевна Семенова3, доктор биологических наук, доцент, старший научный сотрудник.
Место работы: ''2'3Институт стратегических исследований Республики Башкортостан.
Контактная информация: 1-2'3453830, Республика Башкортостан, г. Сибай, ул. Кутузова, д. 1, 'тел.: 89276360952, 'e-mail: [email protected]; 2тел.: 89273053750, 2e-mail: [email protected]; Зтел.: 89273146567,3e-mail: [email protected].
Исследованиями многих ученых доказана тесная взаимозависимость между численностью, составом почвенной микробиоты и интенсивностью биологических процессов. Микроорганизмы, населяющие почвенную толщу, обладают мощным ферментативным аппаратом, способствующим их участию в почвообразовании, в кругообороте биогенных элементов и в поддержании плодородия почв. Существует взаимосвязь между биологической активностью почв, во многом определяющейся жизнедеятельностью населяющих их микроорганизмов, и продуктивностью многолетних трав (Киреева и др. 2011). Следовательно, биологическая активность почвы, являющаяся одной из
важнейших характеристик интенсивности микробиологических процессов, также выступает в роли информативного индикатора экологического состояния агроценозов (Ананьева и др. 2002; Семенова, Ильбулова 2011; Ros et all. 2003).
Цель данной работы - интегральная оценка биологического состояния почв агроценозов на основе изучения их микробиологической и ферментативной активности.
Исследования проводились в условиях степного Зауралья Республики Башкортостан. Морфологические и агрохимические особенности профиля почв изучаемых территорий позволяют отнести их к чернозему обыкновенно-
му, среднемощному, тяжелосуглинистому на элювиально-делювиальных отложениях. В качестве основного объекта исследования была выбрана пашня с посевом многолетних трав, таких как кострец безостый, эспарцет сибирский, козлятник восточный, люцерна синегиб-ридная, донник желтый. Для сравнения были изучены почвы на целине, представленной ко-выльно-типчаковой растительностью, и пахотная почва с посевом зерновых культур (яровая пшеница).
Материалы и методы
Исходные материалы были собраны в ходе полевых экспедиций, организованных в летние сезоны. При закладке пробных площадок выбирались однородные участки с выровненным почвенным покровом. Образцы почвы из горизонта А отбирались в месте произрастания растений в фазу их цветения. Ферментативная активность почв изучалась с помощью следующих методов: каталазная - методом А. Ш. Галстяна (1974), целлюлозоразлагающая - методом аппликаций (Хазиев 2005), протео-литическая - по уменьшению массы азотосо-держагцих веществ желатины, уреазная - по учету количества аммиака, образующегося при разложении мочевины (Хазиев, Кабиров 1986). Для оценки экологического состояния почв агроэкосистем в качестве обобщающего коэффициента был использован интегральный показатель биологического состояния почвы (ИПБС). Для расчета ИПБС максимальное значение каждого из использованных показателей принимали за 100% и выражали в процентах значения остальных величин по отношению к нему. Далее определяли среднее значение из четырех выбранных показателей ферментативной активности для каждого варианта опыта. Использованная методика позволяет суммировать относительные значения разных показателей, абсолютные значения которых не могут быть суммированы, так как имеют разные единицы измерения. Принято считать, что при уменьшении ИПБС менее чем на 5% почва выполняет экофункции нормально, при снижении от 5 до 10% наблюдается нарушение информационных экосистемных функций почвы, от 10 до 25% - ухудшение биохимических, физико-химических, химических и целостных экосистемных функций, более чем на 25% - угнетение всех вышеперечисленных, а также физических экосистемных функций (Колесников и др. 2013).
Численность основных эколого-трофи-ческих групп микроорганизмов устанавливали методом посева почвенной суспензии из разведений на агаризованные питательные среды. Для микроорганизмов, использующих органические формы азота, использовали мясо-пептонный агар (МПА), для микроорганизмов, употребляющих минеральные формы азота, -крахмало-аммиачный агар (КАА), для олиго-трофов - голодный агар (ГА), для гумусораз-лагающих микроорганизмов - агаризованную почвенную вытяжку (ПА) (Нетрусов, Котова 2005). Структуру микробного сообщества определяли по коэффициентам иммобилизации минерального азота (Кпмм=КАА/МПА) и олиго-трофности (Колиг= ГА/МПА). При Кпмм>1 в почве протекают интенсивные процессы минерализации органического вещества, что улучшает минеральное питание растений, при Колиг>1 в почве недостаточно легкодоступных в отношении азота органических соединений, что приводит к преимущественному развитию олиго-нитротрофилов, развивающихся при низком содержании азота (Стахурлова и др. 2007).
Результаты и обсуждение
Ферментативная активность является надежным индикатором степени окультуренно-сти почв (Даденко 2004; Семенова и др. 2012). Одним из показателей микробиологической активности и уровня плодородия почв является целлюлозолитическая активность, которая отражает процессы трансформации органического вещества, участвуя в вовлечении труднодоступных форм углерода в биологический круговорот, что в итоге сказывается на продуктивности биоты и уровне плодородия почв. На активность разложения клетчатки оказывают влияние биотические и абиотические факторы: влажность почвы, температура, внесение в почву минеральных удобрений, условия аэрации, характер растительного покрова и агротехника возделывания культур.
Изучение целлюлозолитической активности исследуемых почв показало, что под целиной процент разложения целлюлозы выше 50%, в пахотных почвах ее активность снижается почти на 20% (табл. 1). По шкале О. Е. Пря-женниковой (2011), интенсивность разрушения целлюлозы в почвах на варианте с целиной оценивается как сильная, на пашне - как средняя (от 30 до 50%).
Активность уреазы является одним из наиболее отзывчивых показателей, реагирую-
идах на стрессовую ситуацию в почве. Результаты исследования изменения уреазы почв аг-роценозов показали ее относительно низкую изменчивость, больший процент разложения мочевины наблюдается в пашне под сеяными многолетними травами, представленными, в
основном, бобовыми культурами (показатели разложения аммиака за 20 часов составляют 0,48 мг). На целине и в пашне под зерновыми культурами показатели уреазной активности ниже: 0,43 и 0,40 мг соответственно (табл. 1).
Ферментативная активность почв агроценозов
Таблица 1
Агроценоз Целлюлоза,% Уреаза, расчет мг ]ЧН3 за 20 часов Протеаза,% Каталаза, мл КМп04/за 2,5 часа ИПБС,%
Целина 57,53±18,1 0,43±0,01 71,56±16,6 1,32±0,4 79,99
Пашня (многолетние травы) 30,89±10,7 0,48±0,01 61,04±9,9 1,22±0,5 67,16
Пашня (зерновые культуры) 31,90±13,3 0,40±0,01 50,56±12,5 0,43±0,06 53,55
Определение активности протеазы позволяет выявить интенсивность процесса минерализации веществ белковой природы. Изучение протеолитической активности почв под разными агроценозами показало, что пахотное использование почв существенно снижает ее: если под целиной она составляла более 70%, то в пашне под травами - 61% и в пашне под зерновыми культурами - менее 50%.
Среди ферментов из класса оксидоредук-таз, участвующих в катализе окислительно-восстановительных реакций, значительный интерес представляет каталаза, играющая ведущую роль в окислении органических веществ в процессе дыхания. Исследования каталазной активности почв агроэкосистем также показали ее снижение при окультуривании, в особенности на варианте пашни с возделыванием зерновых культур.
На основе полученных данных о ферментативной активности проведена оценка экологического состояния почв агроэкосистем с помощью расчета ИПБС. На целине значение ИПБС составляет 80%, в пахотной почве под зерновыми культурами оно значительно ниже, что свидетельствует о нарушении информационных, а также биохимических, физико- химических, химических и целостных экосистемных функций почвы. Под сеяными многолетними травами ИПБС заметно возрастает по сравнению с почвой под зерновыми культурами, что показывает восстановление всех нарушенных
экосистемных функций почвы, кроме информационных.
Длительное пахотное использование черноземных почв не способствует накоплению общего азота, что связано не только с ежегодным отчуждением растительности, но и с усилением процессов минерализации азоторгани-ческих соединений. При этом с увеличением продолжительности использования почв в них снижается содержание легкодоступных растениям минеральных соединений азота. Общую направленность процессов превращения азота в почве можно оценить по численности основных физиологических (аммонификаторы, нитрифи-каторы, денитрификаторы, азотфиксаторы и др.) группировок и их соотношению. Так, количество легкодоступного азота в почве в определенной степени зависит от состава микроорганизмов, участвующих в превращении азота и минерализации органических остатков. Разложение органических азотсодержащих соединений осуществляется, главным образом, аммонифицирующими бактериями, которые при помощи внеклеточных ферментов переводят белковый азот в доступную для растений форму (Мишустин, Емцев 1987).
Численность аммонификаторов в почвах агроценозов была выше в пахотных почвах, видимо, это связано с тем, что в результате обработки почвы в ряде случаев наблюдается активизация минерализационных процессов в ней (рис. 1).
I Целина
□ Пашня
(многолетние травы)
□ Пашня (зерновые культуры)
КАА
ГА
МПА
ПА
Рис. 1. Численность эколого-трофических групп микроорганизмов в почвах агроэкосистем
Иммобилизацию минерального азота осуществляют микроорганизмы, способные усваивать аммиачный, аммонийный и нитратный азот. Численность групп микроорганизмов, выделяемых на средах с минеральными источниками азота, показывает потенциальную способность микробного сообщества почвы иммобилизовать азот в микробной биомассе, что повышает содержание биологически связанного азота и снижает его непроизводительные потери. Наибольшая численность иммобилизаторов минерального азота была выявлена также в пахотных почвах, особенно в пашне с возделыванием зерновых культур. Коэффициент иммобилизации, показывающий долю закрепленного в микробной биомассе азота в почве, был выше под целиной (Кимм=0,99), тогда как в пахотных почвах этот показатель варьировал от 0,56 до 0,64. От степени иммобилизации зависит содержание легкодоступного азота в почве, поскольку в микробную массу может включаться от 25 до 35% азота почвы и удобрений (Ста-хурлова и др. 2007).
Немаловажную роль в трансформации азота в почве играют олигонитрофилы, нуждающиеся в минимальной концентрации органических азотсодержащих веществ. Высокую численность олигонитрофильных микроорганизмов наблюдали в целинных почвах. Следовательно, структура микробного сообщества данного биоценоза способствует закреплению азота в микробном звене трофической цепи, однако высокий показатель коэффициента оли-готрофности в целинной почве (Колиг=1,67) свидетельствует о том, что под ними недостаточно легкодоступных в отношении азота органических соединений. Коэффициент олиготрофно-
сти в пахотных почвах значительно ниже: под многолетними травами составляет 0,47, под зерновыми - 0,40.
Низкое содержание педотрофных микроорганизмов в почве под зерновыми культурами обусловлено особенностями технологии ее возделывания, связанной с периодической обработкой почвы, способствующей деградации гумусовых веществ. В почве под сеяными многолетними травами происходит увеличение количества педотрофных микроорганизмов, что объясняется накоплением органического вещества за счет мощного развития корневых систем трав.
Заключение
На основе данных анализа ферментативной активности чернозема обыкновенного степного Зауралья на разных угодьях можно заключить, что пахотное использование почв отрицательно воздействует на уровень гидролитических ферментов. Снижение интегрального показателя биологической активности пахотных почв под зерновыми культурами может свидетельствовать о нарушении их информационных, а также биохимических, физико-химических, химических и целостных эко-системных функций.
Специфическая структура микробных сообществ в почвах под целиной препятствует выносу азота за пределы экосистемы. Сельскохозяйственное использование почв приводит к активизации минерализационных процессов и, соответственно, к снижению содержания азота в экосистеме. Возделывание многолетних трав улучшает биологическое состояние почв, что, несомненно, отражается на их плодородии. Полученные результаты подтверждают, что пред-
ставленные в работе показатели ферментативной и микробиологической активности можно рекомендовать в качестве индикаторов благо-
получия почвенной среды, отражающих функциональное состояние почвенной биоты.
ЛИТЕРАТУРА
Ананьева Н. Д., Благодатская Е. В., Демкина Т. С. 2002.Оценка устойчивости почвенных микробных комплексов к природным и антропогенным воздействиям // Почвоведение. 2, 580-587.
Галстян А. 111. 1974. Ферментативная активность почв Армении. Ереван: Айастан.
Даденко Е. В. 2004. Методические аспекты применения ферментативной активности в диагностике и мониторинге почв // Биология почв Юга России. Ростов н/Д: Изд-во ЦВВР, 65-71.
Киреева Н. А., Багаутдинова Г. Г., Нурмухаметов Н. М. 2011. Урожайность яровой пшеницы и биологическая активность чернозема выщелоченного при обработке биопрепаратом // Проблемы агрохимии и экологии. 1. 28-32.
Колесников С. И., Ротина Е. Н., Казеев К. 111. 2013. Экобиотехнология оценки эффективности рекультивации почв по биологическим показателям // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. Т. 15.3(5), 1625-1628.
Колесников С. Л., Ярославцев М. В., Спивакова Н. А., Казеев К. 111., Денисова Т. В., Даденко Е. В. 2012. Влияние загрязнения тяжелыми металлами на биологические свойства горных черноземов Юга России // Юг России: экология, развитие. 2, 103-109.
Мишустин Е. Н., Емцев В. Т. 1987. Микробиология. 3-изд., перераб. и доп. - М.: Агропромиздат.
Нетрусов А. И., Котова И. Б. 2005. Микробиология: учебник. М.: Академия.
Пряженникова О. Е. 2011. Целлюлозолитическая активность почв в условиях городской среды // Вестник Кемеровского государственного университета. 3(47), 9-13.
Семенова И. Н, Илъбулова Г. Р. 2011. Использование комплекса микробиологических показателей почв при проведении экологического мониторинга техногенно загрязненных территорий // Вестник Оренбургского государственного университета. 12(131), 352-354.
Семенова И. Н, Суюндуков Я. Т., Илъбулова Г. Р. 2012. Ферментативная активность черноземов Башкирского Зауралья в условиях техногенного загрязнения // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. Т. 14. 1-1, 59-63.
Стахурлова Л. Д., Свыстова И. Д., Щеглов Д. И. 2007. Биологическая активность как индикатор плодородия черноземов в различных биоценозах // Почвоведение. 6, 769-774.
Хазиев Ф. X. 2005. Методы почвенной энзимологии. М.: Наука.
Хазиев Ф. X., Кабиров Р. Р. 1986. Количественные методы почвенно-альгологических исследований. Уфа. Б ФАН СССР.
Ros М., Hemander N. Т., Garsia С. 2003. Soil microbial activity after restoration of a semiarid soil by organic amend-ments // Soil Biology and Bioch. 35, 463-469.
PEFERENCES
Ananiev N. D., Blagodatskaya E. V., Demkina T. S. In: Pochvovedenie [Soil science]. Vol. 2 (2002): 580-587. (In Russian).
Galstyan A. Sh. Fermentativnaya aktivnost' pochv Armenii [The enzymatic activity of the Armenian soil]. Yerevan: Hayastan. 1974. (In Russian).
Dadenko E. V. In: Biologiya pochv Yuga Rossii [Biology of soils in southern Russia]. - Rostov-on-Don: Publishing house TSVVR, (2004): 65-71. (In Russian).
Kireeva N. A., Bagautdinova G.G., Nurmuhametov N.M. In: Problemy agrohimii i ehkologii [Problems of Agricultural Chemistry and Ecology]. Vol. 1. (2011): 28-32. (In Russian).
Kolesnikov S. L., Rotini, E. N.. Kazeev K. Sh. In: Izvestija Samarskogo nauchnogo centra Rossijskoj akademii nauk [Proceedings of the Samara Scientific Center of the Russian Academy of Sciences]. Vol. 15. 3 (5) (2013): 1625-1628. (In Russian).
Kolesnikov S. L., Jaroslavtsev M. V., Spivakov H. A., Kazeev K. S., Denisova Т. V., Dadenko E. V. In: Yug Rossii: ehkologiya, razvitie [South of Russia: ecology and development]. Vol. 2 (2012): 103-109. (In Russian).
Mishustin E. N., Emcev V. T. Mikrobiologiya [Microbiology]. Moscow: Agropromizdat, 1987. (In Russian).
Netrusov A. 1, Kotova I. B. Mikrobiologiya: uchebnik [Microbiology: a textbook] Moscow: Academija. 2005. (In Russian).
Pryazhennikova О. E. In: Vestnik Kemerovskogo gosudarstvennogo universiteta [Bulletin of Kemerovo State University], Vol. 3 (47) (2011): 9-13. (In Russian).
Semenova I. N., Ilbulova G. R. In: Vestnik Orenburgskogo gosudarstvennogo universiteta [Bulletin of the Orenburg State University], Vol. 12 (131) (2011): 352-354. (In Russian).
Semenova I. N.. Suyundukov Ya. T., Ilbulova G. R. Izvestiya Samarskogo nauchnogo centra Rossijskoj akademii nauk [Bulletin of Samara Scientific Center of the Russian Academy of Sciences]. Vol. 14 (1-1) (2012): 59-63. (In Russian).
Stahurlova L. D., Svistova I. D., Scheglov D. I. In: Pochvovedenie [Soil science]. Vol. 6 (2007): 769-774. (In Russian).
Khaziev F. H. Metody pochvennoj ehnzimologii [Methods of soil enzymology]. Moscow: Nauka, 2005. (In Rus-
Khaziev F. H., Kabirov P. P. Kolichestvennye metody pochvenno - al'gologicheskih issledovanij [Quantitative methods of soil - algological research]. Ufa: Bashkir branch of Academy of Science of USSR, 1986. (In Russian).
Ros M., Hernander N. T., Garsia C. Soil microbial activity after restoration of a semiarid soil by organic amendments. In: Soil Biology and Bioch. Vol. 35 (2003): 463-469.
R. F. Hasanova, Ya. T. Suyundukov, I. N. Semenova
Sibai, Russia
ASSESSMENT OF ENVIRONMENTAL STATUS
OF SOIL STEPPE AGROECOSYSTEMS ON INDICATORS OF BIOLOGICAL ACTIVITY
Abstract. Studied enzymatic and microbiological activity of soils on agrocenoses and shows the integral evaluation of their biological condition in a steppe Trans-Urals Republic of Bashkortostan.
The enzymatic activity of soils was studied by the following methods: catalase activity - on A. S. Galstyan (1974); cellulose - by applications, proteolytic - to reduce the weight of nitrogen-containing substances gelatin, urease on account of quantity of ammonia in the decomposition of urea. To assess the ecological state of soil agroe-cosystems integral indicator of the biological condition of the soil was used (IPBS) (Valkov et al., 2001). The number of major ecological and trophic groups of microorganisms set by planting soil suspension of dilutions on agar nutrient medium meat-peptone agar (MPA), starch-ammonia agar (SAA), an empty agar (GA), agar soil extract (PA). The characterization of the microbial community structure was carried out by the coefficients: immobilization of mineral nitrogen (Kimm) oligotrophicity factor (Kolig).
Based on data analysis of the enzymatic activity of ordinary chernozem steppe Trans-Urals on different grounds it can be concluded that the use of arable land has a negative impact on the level of hydrolytic enzymes. Reducing the integral index of the biological activity of soils under arable crops may indicate a violation of their information, as well as the biochemical, physico-chemical, chemical and holistic ecosystem.
The specific structure of microbial communities in soils under virgin prevents nitrogen removal outside the ecosystem. Agricultural use of soil leads to increased mineralization processes and, consequently, to reduce the content of nitrogen in the ecosystem. The cultivation of perennial grasses improves the biological condition of the soil, which will undoubtedly affect their fertility. These results confirm that the figures presented in the enzymatic and microbial activity can be recommended as welfare indicators of soil environment, reflecting the functional state of the soil biota.
Key words: enzymatic activity; microflora; agrocenosis; ordinary chernozem.
About the authors: Rezeda Firgatovna Hasanova1, Candidate of Biological Sciences (PhD), Researcher; Yalil Tuhvatovich Suyundukov2, Doctor of Biology Sciences (Grand PhD), Head of the Research Center in Sibay; Irina Nikolaevna Semenova3, Doctor of Biological Sciences (Grand PhD), Researcher.
Place of employment: 12 Institute for Strategic Studies of the Republic of Bashkortostan.
Хасанова P. Ф., Суюндуков Я. Т., Семенова И. Н. Оценка экологического состояния почв степных агроэкоси-стем по показателям биологической активности // Вестник Нижневартовского государственного университета. 2017. № 1.С. 103-108.
Hasanova R. F., Suyundukov Ya. Т., Semenova I. N.Assessment of environmental status of soil steppe agroecosys-tems on indicators ofbiological activity// Bulletin of Nizhnevartovsk State University. 2017. No. 1. P. 103-108.
