CC BY
70
УДК 631.427+591.9
1 12
В.С. Андриевский , М.В. Якутия ’
1ИПА СО РАН, Новосибирск
2СГГ А, Новосибирск
ПОЧВЕННО-БИОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ В МОНИТОРИНГЕ МОЛОДЫХ ЭКОСИСТЕМ СЕВЕРНОЙ ТАЙГИ
В статье рассматривается проблема применимости почвенно-зоологических и почвенно-микробиологических методов в мониторинге молодых экосистем, формирующихся в подзоне северной тайги Западной Сибири.
V.S. Andrievsky1, M.V. Yakutin1'2
1Institute of Soil Science and Agrochemistry (ISSA)
18 Sovetskaya Ul., Novosibirsk, 630099, Russian Federation
о
Siberian State Academy of Geodesy (SSGA)
10 Plakhotnogo Ul., Novosibirsk, 630108, Russian Federation
THE SOIL-BIOLOGICAL CHARACTERISTICS IN MONITORING OF NORTHERN TAIGA YOUNG ECOSYSTEMS
In the paper the problem of applicability of soil-zoological and soil-microbiological methods in monitoring of young ecosystems forming in a subzone of northern taiga of Western Siberia is esteemed.
Высокая степень заболоченности территории в таежной зоне Западной Сибири делает необходимой отсыпку грунтом оснований кустовых площадок, дорожных дамб и других объектов в процессе хозяйственного освоения территории. Для добычи грунта (песка) на территориях месторождений разрабатываются карьеры, которые после окончания отсыпки забрасываются. Отсыпанные поверхности и заброшенные карьеры являются объектами, на которых начинается первичная сукцессия с образованием новых биологических сообществ зонального ряда [1].
Начальная стадия сукцессии связана с появлением на поверхности песка водорослей, цианобактерий, лишайников, мхов и травянистых растений [2, 3, 4]. В пределах первых 2-5 лет развития молодой экосистемы проективное покрытие составляет от 5 до 23 %. Растительный покров представлен в основном травянистыми растениями и редкими всходами древесных видов [5, 6]. В составе наземной фитомассы большую долю составляет ветошь (30-80 %), что говорит о замедленном разложении опада [5]. На новообразованных местообитаниях возобновление древесных пород наблюдается на том же уровне, что и под пологом леса, но в среднем менее обильно, чем на нарушенных местообитаниях суходольных лесов [7, 1].
Цель данного исследования состояла в оценке применимости почвеннобиологических методов для целей мониторинга молодых экосистем, формирующихся в подзоне северной тайги.
Исследование было проведено на севере обширной Западно-Сибирской равнины в районе Сибирских Увалов. В качестве объектов исследования в окрестностях города Ноябрьска Тюменской области (63° С.Ш., 75° В.Д.) была выбрана серия самозарастающих карьеров, спланированных (выположенных) в 1979 (К1), 1995 (К6), 1998 (К9) гг. Карьерные выработки использовались для добычи песка. Площадь карьеров составляет от 3 до 20 га, средняя глубина карьерных выработок - 4-7 м, угол наклона бортов карьеров не превышает 18°.
В качестве терминальной стадии развития всех исследованных молодых экосистем, формирующихся на месте карьеров, была выбрана зональная экосистема: сосновый лес с примесью кедра и осины на подзоле иллювиально-железисто-гумусовом (Т2). Краткая характеристика исследованных экосистем приведена в табл. 1.
Таблица 1 Характеристики исследованных экосистем в подзоне северной тайги
Экосистема Карьер (К9) Карьер (К6) (Транзитная позиция) Карьер (К1) Зональная экосистема
Возраст в 1999 г. (лет) 1 4 20 -
Растительное сообщество Отдельные травянистые растения Вейниково- овсянницевая ассоциация Вторичный лиственничнососновый лес Сосновый лес с примесью кедра и сосны
Почво- образующая порода Песок с примесью гальки, гравия Средне- зернистый Песок Мелко-зернистый песок Супесь
Почва Эмбриозем инициальный Эмбриозем инициальный Эмбриозем органно- аккумулятив-ный Подзол иллювиально- железисто- гумусовый
Рекультива- ционные мероприятия Спланирован Спланирован Не рекультивирован -
Образцы для микробиологического анализа отбирались по общепринятой методике [8] в молодых почвах из слоев 0-5 и 5-10 см, в зональной почве из горизонтов А1 и БИ. В почвенных образцах определялось содержание углерода в биомассе почвенных микроорганизмов (С-биомассы) методом фумигации-инкубации [9, 10] в модификациях [11] для молодых почв и [12] для зональной почвы. Для анализа населения панцирных клещей отбирались почвенные пробы стандартным цилиндрическим пробоотборником послойно, по 5 см в глубину в 10-кратной повторности в каждой экосистеме. Выгонка клещей из почвы осуществлялась общепринятым для микроартропод методом термоэклекции Тулльгрена-Берлезе [13]. Статистическая обработка результатов проводилась методами вариационного и дисперсионного анализов [14, 15].
Микробная биомасса является важнейшим функциональным агентом молодой почвы, определяя ее развитие [16]. В ряду молодых почв, формирующихся на месте карьерных выработок, с увеличением возраста
происходило постепенное накопление содержания С-биомассы в слое 0-5 см. А в слое 5-10 см этот показатель практически не изменялся (рис. 1). За 20 лет развития молодой почвы уровень С-биомассы в ее верхнем (0-5 см) слое увеличивается в 12 раз и оказывается в 2,6 раза выше, чем горизонте БИ, но в 9 раз ниже, чем в горизонте А1 (193±12 мг / 100 г почвы) подзола иллювиально-железисто-гумусового. Наибольшее влияние на содержание С-биомассы микроорганизмов в молодых почвах оказывают две группы факторов: связанные с возрастом почвы и с глубиной по профилю (рис. 2).
Возраст молодой почвы (годы)
А Молодые почвы (0-5 см) п Молодые почвы (5-10 см)
О Зональная почва (БЬ)
НСР (5%) = 1,9
Рис. 1. Величина С-биомассы микроорганизмов (мг С / 100 г почвы) в молодых
почвах в подзоне Северной тайги (▲-----в слое 0-5 см; ■— в слое 5-10 см) и
аппроксимирующие кривые зависимости С-биомассы от возраста молодой почвы (у(0-5) - для слоя 0-5 см; у(5-10) - для слоя 5-10 см)
Для достижения уровня зональной почвы по содержанию С-микробобио-массы молодой почве при таких темпах накопления потребуется примерно 175 лет. В исследованиях, проведенных в молодых лесных почвах Карпат, показано, что только через 20 лет развития экосистемы уровень микробной биомассы заметно повышается [17].
Показатели видового богатства и обилия панцирных клещей в трансформированных биотопах в сравнении с таковыми ненарушенной зональной экосистеме свидетельствуют о идущем в них процессе восстановительной сукцессии сообществ. Самое молодое сообщество орибатид (К 9) является наиболее бедным, как по численности, так и видовому богатству (обнаружены лишь единичные особи некоторых видов). Через 3-4 года (К 6) развития сообщества численности возрастают в 5 раз, а видовое богатство -почти в 3 раза. При этом если разнообразие видов уже приближается к таковому зональной экосистемы, то численность остается более чем на порядок ниже,
чем в контроле. Через 20 лет после начала восстановительной сукцессии картина кардинально меняется: и по численности, и по видовому богатству сообщество орибатид карьеров достигает уровня зональной экосистемы, даже несколько превосходя его по обоим параметрам (табл. 2). Однако набор видов и их количественные соотношения показывают сравнительно небольшое сходство группировок орибатид 20-летнего карьера и зональной экосистемы - 23,9 % (по [18]). То есть, приблизившись по количественным параметрам (численностям и видовому богатству) к зональной экосистеме, сообщество орибатид 20-летнего карьера все еще далеко от нее качественно.
180 -150 -120 -90 -60 -30 -0
Рис. 2. Значения Б критерия для различных факторов, влияющих на С-биомассы (А - возраст молодой почвы, В - глубина по профилю, С - срок отбора образцов, АВ, АС, ВС - взаимодействие факторов; *- р<0,05; **- р<0,01; ***-
р<0,001)
Виды панцирных клещей по-разному реагируют на нарушение среды обитания. Одни виды можно рассматривать как индикаторные для состояния ненарушенности естественной лесной экосистемы. Другая группа видов менее чувствительна к деформации среды обитания, и их можно рассматривать как индикаторные для продвинутых стадий восстановления нарушенного сообщества орибатид. Еще в большей мере индикаторами процесса восстановления на продвинутых его стадиях могут служить виды, чье обилие в деформированных биотопах выше, чем в естественной лесной экосистеме.
Таблица 2 Численности и видовое богатство панцирных клещей (орибатид) в
почвах исследованных экосистем
Экосистема Численность (тыс. экз./м ) Число видов
Карьер (К 9) 0,2 5
Карьер (К 6) 1,0 13
Карьер (К 1) 29,0 18
Зональная экосистема 28,2 16
Таким образом, в процессе развития молодых почв в подзоне северной тайги происходит постепенное увеличение содержания С-биомассы, и за первые 20 лет формирования почвы содержание С-биомассы увеличивается в 12 раз. Восстановление сообществ панцирных клещей после их нарушений при образовании карьеров, в начальный период (до 5 лет после нарушения) идет
относительно медленно. После 20 лет с момента нарушения процесс восстановительной сукцессии заметно ускоряется.
Результаты исследования показывают, что показатели биомассы микроорганизмов, численности и видового богатства панцирных клещей (орибатид) в почвах могут успешно использоваться в практике экологического мониторинга молодых экосистем, формирующихся в таежной зоне.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Васильев, С.В. Воздействие нефтегазодобывающей промышленности на лесные и болотные экосистемы / С.В. Васильев. - Новосибирск: Наука, Сиб. предприятие РАН, 1998. -136 с.
2. Connel, J.H. Mechanisms of succession in natural communities and there role in community stability / J.H. Connel, R.O. Stayer // Amer. Natur. - 1977. - V. 111. - P. 1119-1144.
3. Разумовский, С.М. Закономерности динамики биогеоценозов / С.М. Разумовский. -М.: Наука, 1981. - 232 с.
4. Моделирование динамики органического вещества в лесных экосистемах / [отв. ред. В.Н. Кудеяров]. - М.: Наука, 2007. - 380 с.
5. Посттехногенные экосистемы Севера / [Отв. ред. И.Б. Арчегова, Л.П. Капелькина] - СПб.: Наука, 2002. - 159 с.
6. Махонина, Г.И. Экологические аспекты почвообразования в техногенных экосистемах Урала / Г.И. Махонина. - Екатеринбург: Изд-во Урал. ун-та, 2003. - 356 с.
7. Шилова, И.И. Первичные сукцессии растительности на техногенных песках нефтегазодобывающих районов Среднего Приобья / И.И. Шилова // Экология. - 1977. - № 6. -
С. 5-15.
8. Методы почвенной микробиологии и биохимии / И.В. Асеева [ и др.]; под ред. Д.Г. Звягинцева. - М.: Изд-во Моск. ун-та, 1991. - 303 с.
9. Jenkinson, D.S. The effect of biocidal treatments on metabolism in soil. V. A method for measuring soil biomass / D.S. Jenkinson, D.S. Powlson // Soil. Biol. Biochem. - 1976. - V. 8. - P. 209-213.
10. Schnurer, J. Microbial biomass and activity in an agricultural soil with different organic matter content / J. Schnurer, M. Clarholm, T. Rosswall // Soil. Biol. Biochem. - 1985. - V. 17. - P. 611-618.
11. Voroney, R.P. Determination of КС and KN in situ for calibration of the chloroform fumigation-incubation method / R.P. Voroney, E.A. Paul // Soil. Biol. Biochem. - 1984. - V. 16. - P. 914.
12. Ross, D.J. Microbial C and N litter and soil of a Southern beech (Nothofagus) forest: comparison of measurement procedures / D.J. Ross, K.R. Tate // Soil Biol. Biochem. - 1993. -V. 25. - P. 467-475.
13. Методы почвенно-зоологических исследований. - М.: Наука, 1975. - 206 с.
14. Плохинский, Н.А. Биометрия / Н.А. Плохинский. - М.: Изд-во Моск. ун-та, 1970. -
367 с.
15. Сорокин, О.Д. Прикладная статистика на компьютере / О.Д. Сорокин. -Краснообск: ГУП РПО СО РАСХН, 2004. - 162 с.
16. Экология и рекультивация техногенных ландшафтов / И.М. Гаджиев, В.М. Курачев, Ф.К. Рагим-заде [и др.] - Новосибирск: Наука, Сиб. отд-ние, 1992. - 305 с.
17. Стефурак, В.П. Почвенная микрофлора антропогенно нарушенных наземных экосистем на трассах газопроводов в Карпатах / В.П. Стефурак // Микробиол. журн. - 1989. - № 2. - С. 12-17.
18. Вайнштейн, Б.А. О некоторых методах оценки биогеоценозов / Б.А. Вайнштейн // Зоол. журн. - 1967. - Т. 4, № 7. - С. 981-986.
© В.С. Андриевский, М.В. Якутия, 2010
