CC BY
43
ПОЧВЕННО-МИКРОБИОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ В МОНИТОРИНГЕ ЭКОСИСТЕМ, ФОРМИРУЮЩИХСЯ В ПОДЗОНЕ СУХИХ СТЕПЕЙ
Михаил Владимирович Якутии
Институт почвоведения и агрохимии СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, д. 8/2, д.б.н., старший научный сотрудник лаб. Биогеоценологии, тел. (383)3639025, e-mail: yakutin@issa.nsc.ru;
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, проф. кафедры экологии и природопользования
В статье анализируются различные характеристики микробоценозов молодых почв, формирующихся в сухостепной зоне Республики Тыва. Делается вывод, что современные инструментальные почвенно-микробиологические методы более всего подходят для использования в практике мониторинга молодых экосистем и почв.
Ключевые слова: Зона сухих степей, Тыва, почвы, мониторинг, микробиология, инструментальные методы.
THE SOIL-MICROBIOLOGICAL CHARACTERISTICS IN MONITORING OF THE ECOSYSTEMS FORMED IN A SUBZONE OF DRY STEPPES
Mikhail V. Yakutin
Institute of Soil Science and Agrochemistry SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 8/2 Akademician Lavrentjev, ScD, senior researcher, laboratory of biogeocenology, tel. (383)3639025, e-mail: yakutin@issa.nsc.ru;
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., professor of department of ecology and wildlife management
In article various microbiological characteristics of the young soils formed in dry steppes zone of Republic Tyva are analyzed. The conclusion that modern tool soil-microbiological methods more all approach for practice of ecological monitoring of young ecosystems and soils becomes.
Key words: Dry steppes zone, Tyva, soil, monitoring, microbiology, tool methods.
Особенностью экосистем сухих степей Тывы является замедленность биологического круговорота веществ. Медленное разложение корневого опада приводит к тому, что в почве отмечается большое количество мертвых корней и корневая масса резко преобладает над надземной [1,2]. Первые микробиологические исследования почв Тывы относятся к 1953 году [3], но и до настоящего времени микробиологические характеристики почв Тывы изучены очень слабо [2, 4].
Песчаные массивы широко представлены в центре Убсунурской котловины. Для них характерны широкие и вытянутые грядово-бугристые формы рельефа, сильно осложненные более мелкими холмисто-ячеистыми, барханными и другими формами. С подветренной стороны, особенно на теневых склонах и в понижениях таких песчаных массивов формируются «каштановые пески» (на слабозакрепленных участках) и каштановые и светло-каштановые почвы (на хорошо закрепленных участках) [2].
При проведении исследований в Южной Тыве оказалось возможным проследить изменения биомассы и метаболической активности микроорганизмов в процессе развития степной криоаридной почвы от инициального эмбриозема через маломощные светло-каштановые почвы к сформировавшейся каштановой почве. В качестве инициальной стадии почвообразования рассматривались закрепленные пески в песчаном массиве Цугер-Элисс. Гряда зарастающих песков Цугер-Элисс имеет общую высоту около 40 м и протяженностью около 14 км с северо-запада на юго-восток. На западном склоне песчаной гряды в 2 км к северо-востоку от озера Торе-Холь была выбрана катена, в элювиальной позиции которой находится разреженное разнотравное сообщество на слабо закрепленном песке, а в аккумулятивной позиции - разнотравно-злаковая сухая степь с караганой на светло каштановой маломощной песчаной почве. В качестве терминальной стадии развития экосистем и почв рассматривалась почва каштановая среднемощная мелкощебнистая под разнотравно -злаковой степью близ останца Онджалан. Все выбранные участки находятся под умеренной пастбищной нагрузкой: летней (Цугер-Элисс) и зимней (Онджалан) (рис. 1).
Рис. 1. Схематическая карта останцовой равнины в районе оз. Торе -Холь, расположение объектов исследования
Примерный возраст почв, сформировавшихся на песчаной гряде Цугер -элисс, определен по описаниям почвенных разрезов и анализу содержания Сорг на основании закономерностей изменения песчаных почв в зависимости от возраста [5]. Так примерный возраст эмбриозема инициального (слабо закреплен-
ный песок) составляет около 100 лет, светло-каштановой маломощной песчаной почвы - 500-3000 лет, а почвы светло-каштановой маломощной супесчаной -3000-5000 лет.
Подзона сухих степей вообще характеризуется аридными условиями, и влажность является одним из основных факторов, ограничивающих развитие микроорганизмов в каштановых почвах. Влажность всех почвенных образцов во все сроки отбора оказалась очень низкой (0,25-2,21%), но, как показывают выполненные к настоящему времени исследования, даже при очень низкой влажности количество микроорганизмов в каштановых почвах может достигать значительных величин. Это указывает на высокую устойчивость микроорганизмов в этих почвах к недостатку влаги. Почти постоянный дефицит влаги в каштановых почвах обуславливает развитие спорообразующих бактерий и ак-тиномицетов, которые легче переносят неблагоприятные условия окружающей среды и являются агентами глубокого разложения органического вещества. В моменты благоприятного сочетания температуры и влажности в каштановых почвах отмечается высокая напряженность микробиологических процессов [6,7].
На инициальной стадии почвообразования происходит заселение почвообразующего субстрата микробным ценозом, состоящим в основном из микобактерий, проактиномицетов и актиномицетов. И, как показано на основании исследования широкого спектра примитивных почв, такую микобактериально-проактиномицетно-актиномицетную стадию проходит каждая примитивная почва, независимо от широтного положения [8, 9]. Далее происходит заселение почвообразующих субстратов олиготрофной микрофлорой, представленной истинными споровыми и неспоровыми бактериями. Растения в это время еще отсутствуют [10].
Вторая стадия развития молодых почв связана с поселением на их поверхности растений и формированием простой растительной группировки. Процесс формирования этой группировки идет достаточно быстро в степной зоне и замедленно в таежной. Третья стадия развития молодых почв связана с формированием сложной растительной группировки [10].
При исследовании микробных сообществ песков на различных стадиях зарастания в степной зоне Украины наблюдалось постепенное формирование фитоценозов и устойчивого микробного сообщества. Происходило постепенное усложнение трофических функций микробных сообществ и усиление их мине-рализационной активности [11, 12].
В результате проведения данного исследования было установлено, что содержание С-биомассы было минимальным в эмбриоземе инициальном (0,4 мг С /100 г в слое 0-10 см) и резко (в 42 раза) увеличивалось в почве светло -каштановой песчаной, на транзитной позиции катены Цугер-Элисс. В процессе дальнейшего развития почв от светло-каштановых к каштановой существенного увеличения содержания С-биомассы не происходит. Обращает на себя внимание высокое содержание микробной биомассы в слое 10-20 см во всех каштановых почвах. Этот факт хорошо объясняется тем, что именно в слое 10-15 см почв сухих степей отмечается максимальная активность процесса деструк-
ции корней. Выше 10 см и ниже 15 см активность деструкционных процессов снижается [13].
Основное влияние на содержание С-биомассы на первом этапе развития также как и на содержание Сорг оказывает комплекс факторов, определяемый возрастом почвы (F=120, р<0,001). Влияние всех остальных рассмотренных факторов на С-биомассы в процессе развития почвы в подзоне сухих степей оказывается несущественным.
Дыхательная активность была минимальной (0,1 мкг СО 2-С / г час) в верхнем (0-10 см) слое эмбриозема инициального, что оказалось в 2-3 раза ниже, чем в светло-каштановых почвах, и в 4 раза ниже, чем в каштановой. В слое 1020 см дыхательная активность во всех каштановых почвах была примерно в 2 раза выше, чем в эмбриоземе инициальном.
Выявлено достоверное влияние на дыхательную активность комплекса факторов, связанных с возрастом почвы. Причем в процессе развития почвы отмечается постепенное снижение силы влияния фактора, определяемого возрастом, на данный показатель (F уменьшается от 109 до 20, р<0,01). Влияние комплекса факторов, определяемых слоем почвы на дыхательную активность оказалось также высоким (F=33-68, р<0,01).
Таким образом, эмбриозем инициальный характеризуется низким содержанием С-биомассы и низкой метаболической активностью микробобиомассы, оцененной по показателю дыхания. В процессе развития эмбриозема уже на стадии перехода к светло-каштановой почве происходит значительный рост содержания С-биомассы и дыхательной активности. При этом биомасса микроорганизмов увеличивается гораздо значительнее, чем показатель метаболической активности.
Основным лимитирующим фактором процесса инициального почвообразования в сухостепной подзоне является влага. Ее дефицит значительно осложняет освоение почвообразующих субстратов растениями, что замедляет процесс формирования запаса мортмассы, а это в свою очередь замедляет развитие комплекса деструкторов.
Сдерживает заселение песков растительностью и крайняя бедность элементами питания. После поселения растений на песке и формирования даже первичных растительных ассоциаций потери дефицитной влаги резко снижаются, благодаря притенению почвы растениями. Показано, что задернованные пески теряют влагу на физическое испарение на 10-20% меньше, чем пески голые. Кроме того, пески, не заросшие растительностью, сильнее и глубже охлаждаются зимой и прогреваются летом, чем песчаные почвы под растительностью [5].
Таким образом, несмотря на значительную пространственную близость друг к другу микробиологический блок деструкционного звена биологического круговорота в молодых почвах, находящихся на различных позициях катены Цугер-Элисс, резко отличается по степени своего развития. Молодые почвы, развивающиеся в подзоне сухих степей испытывают значительный дефицит влаги, и поэтому скорость их развития и формирования в них микробиологического компонента может быть сильно замедлена. Особенно затрудненным мо-
жет оказаться процесс развития на самой первой стадии - стадии перехода от инициального эмбриозема к светло-каштановой почве.
Выявленные особенности в скоростях формировании биомассы микроорганизмов и ее метаболической активности на разных стадиях формирования молодых экосистем и почв в подзоне сухих степей... Методы определения биомассы микроорганизмов и ее метаболической активности гораздо менее трудоемкие и более точные, чем классические методы почвенной микробиологии. Таким образом, именно современные инструментальные методы определения состояния и метаболической активности почвенного микробоценоза могут быть успешно использованы в практике экологического мониторинга.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Ногина Н.А. Своеобразие почв и процессов почвообразования в Центральноазиатской фации (тайга, степь, пустыня) / Н.А. Ногина // Почвоведение. - 1989. - № 9. - С. 5-14.
2. Эксперимент «Убсу-Нур». Коллективная монография. Ч. 1. Наземные исследования / [отв. ред. В.В. Бугровский]. - М.: ИНТЕЛЛЕКТ, 1995. - 336 с.
3. Кириллов М.В. Некоторые данные о микрофлоре почв Тувинской Автономной области / Ученые записки Красноярского государственного педагогического института. Т. II. -Красноярск: Красноярское кн. изд-во, 1953. - С. 78-88.
4. Каличкин В.К. Динамика запасов углерода и азота микробной биомассы в темно -каштановой почве под влиянием сидерации / В.К. Каличкин, А.Е. Малыгин // Сиб. вестн. с-х. науки. - 2007. - № 2. - С. 17-23.
5. Гаель А.Г. Пески и песчаные почвы / А.Г. Гаель, Л.Ф.. Смирнова. - М.: ГЕОС, 1999. - 252 с.
6. Клевенская И.Л. Микрофлора почв Западной Сибири / И.Л. Клевенская, Н.Н. На-плекова, Н.И. Гантимурова. - Новосибирск: Наука, Сиб. отд-ние, 1970. - 222 с.
7. Якутин М.В., Дубовик Д.С. О системе показателей мониторинга экосистем сухих степей // Вестник Сибирской государственной геодезической академии. 2012. № 18-2. С. 9499.
8. Сушкина Н.Н. Микрофлора и первичное почвообразование / Н.Н. Сушкина, И.Г. Цюрупа. - М.: Изд-во Моск. ун-та, 1973. - 158 с.
9. Сукцессии и биологический круговорот / А.А. Титлянова, Н.А. Афанасьев, Н.Б. Наумова [ и др.] ; отв. ред. В.М. Курачев. - Новосибирск: Наука, Сиб. отд-ние, 1993. - 157 с.
10. Клевенская И.Л. Склоновые процессы техногенных экосистем как фактор почвообразования / И.Л. Клевенская, С.А. Таранов, С.С. Трофимов, Ф.А. Фаткулин // Техногенные экосистемы. Организация и функционирование. - Новосибирск: Наука, Сиб. отд-ние, 1985 а. - С. 23-38.
11. Иутинская Г.А. Микробные ценозы и органическое вещество освоенных песчаных почв нижнего Днепра / Г.А. Иутинская, С.П. Голобородько, Н.В. Иличко, Н.Ф. Кигель, Н.И. Иванова // Микробиолог. журн. - 1986. - № 6. - С. 3-8.
12. Андреюк Е.И. Микробные сообщества песков на различных стадиях естественного зарастания / Е.И. Андреюк, Е.В. Валагурова, Е.А. Мятликова, Е.С. Гуменко, Г.А. Ткачева // Микробиол. журн. - 1989 а. - Т. 51, № 2. - С. 8-12.
13. Gill R. Relationship between root biomass and soil organic matter pools in the shortgrass steppe of Eastern Colorado / R. Gill, I.C. Burke, D.G. Milchunas, W.K. Lauenroth // Ecosystems. - 1999. - V. 2. - P. 226-236.
© М.В. Якутии, 2013
