CC BY
377
УДК 631.42
ЦЕЛЛЮЛОЗОЛИТИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ ПОЧВ: МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ, ФАКТОРЫ И ЭКОЛОГО-ГЕОГРАФИЧЕСКАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ
В.И. Гаврилова, М.И. Герасимова
Представлен краткий обзор методов проведения эксперимента по определению целлюлозолитической активности почв и способов подсчета результатов, а также факторов и динамики процесса в профиле, в том числе по сезонам. Даны сведения о географической изменчивости показателя. Изложенные материалы могут быть полезны в исследованиях при учете различных методических аспектов для получения сопоставимых результатов и их адекватной интерпретации.
Ключевые слова: целлюлозолитическая активность, закономерности, сезонная динамика, урбокоричневые почвы, terra rossa.
Введение
Одним из показателей биологической активности почвы является ее целлюлозолитическая активность (ЦА), которая зависит от численности разрушающих целлюлозу микроорганизмов [7, 19, 3]. История разработки методики измерения этого показателя связана с развитием текстильной промышленности: ткань, обработанную противогрибковыми препаратами, закапывали в почву и по потере ею прочности оценивали эффективность фунгицида [28]. По мере использования метода становилось очевидно, что скорость разложения ткани зависит от типа почвы. Это подтолкнуло исследователей к мысли о возможности закладки хлопкового/льняного полотна или волокон целлюлозы для оценки экологических функций почв [28]. С другой стороны, возможность определения по показателю ЦА интенсивности почвенных процессов, связанных, например, с гидротермическими условиями или дифференциаций профиля по гранулометрическому составу, позволяет использовать метод для решения почвенно-генетических вопросов [4, 6].
Исследованиям ЦАпочв лесной и степной зон посвящено немало работ [1, 3, 7, 9, 10, 13, 14, 21, 23,25]. В зарубежных источниках значительное место уделено изучению ЦА почв тундр [26, 29, 30]. Мало сведений о почвах субтропических областей [6, 11].
Объекты и методы исследования
Объект нашего исследования — природные и антропогенные почвы средиземноморских субтропиков. В Никитском ботаническом саду (НБС) выбраны урботемногумусовая на экраноземе и коричневая окультуренная почвы, в заповеднике «Мыс Мартьян» — коричневая краснопрофильная почва, называемая в публикациях коричневой красноцвет-ной, или terra rossa [2, 5, 8, 12].
Разработка методики измерения ЦА для поч-венно-экологических исследований за рубежом связана с началом работы Международной биологической программы (International Biological Programme), которая включала изучение разложения целлюлозы в тундровых экосистемах [28]. Установлено, что применение хлопчатобумажного полотна дает сопоставимые результаты по скорости разложения целлюлозы в этих условиях [26]. В 1976 г. технология проведения эксперимента и используемые материалы были унифицированы институтом Ширли (Манчестер, Великобритания). Так называемый «Shirley Soil Burial Test Fabric» до сих пор используется зарубежными исследователями в постановке почвенно-экологических экспериментов [24, 25, 28, 29].
Зарубежная методика измерения ЦАпочв в общем виде включает стерилизацию материала в автоклаве, помещение его в почву, заложение хлопчатобумажного (х/б) полотна вертикально в почвенный профиль, очистку ткани от почвы после экспонирования. Оценка степени разложения полотна производится с помощью тензометра — прибора для измерения прочности ткани при натяжении. Потеря прочности рассчитывается по разнице между первоначальной прочностью при натяжении и прочностью после экспонирования [24,25, 28, 29].
Отечественная методика измерения ЦА почв связана с работами Е.Н. Мишустина, предложившего метод аппликации — заложение в почву полос фильтровальной бумаги или льняной ткани, закрепленной на стекле [17]. Впоследствии этот метод был модифицирован: ткань помещали на свежую зачищенную стенку разреза, а с обратной стороны материал экранировали полиэтиленовой пленкой [15]. Именно такой способ мы использовали в исследованиях в НБС и заповеднике «Мыс Мартьян». Полотна хлопчатобумажной ткани нужного размера (30 х 50 см) и массы подвергали сте-
Целлюлозолитическая активность почв НБС и заповедника «Мыс Мартьян» в слое 0—50 см в разные периоды (а невая краснопрофильная, б — урботемногумусовая на экраноземе, в — коричневая окультуренная)
корич-
рилизации с помощью утюга, нагретого до 200°, после чего закрепляли деревянными колышками на передней и боковых хорошо зачищенных стенках почвенного разреза, аккуратно экранировали полиэтиленовой пленкой для обеспечения тесного контакта с почвой с одной стороны и его предотвращения с засыпанной в разрез почвой — с другой.
Для выявления факторов, определяющих скорость разложения целлюлозы, наблюдения вели круглый год. Были выбраны три одинаковых по продолжительности, но контрастных по гидротермическим условиям периода: прохладный и влажный (октябрь 2015 — январь 2016 г.), теплый и умеренно влажный (февраль 2016 — май 2016 г.), жаркий и сухой (июнь 2016 — сентябрь 2016 г.). По истечении каждого периода экспонирования сохранившиеся остатки полотен аккуратно вынимали из разреза, просушивали, очищали от почвы, фотографировали и взвешивали. ЦА определяли по потере площади и по потере массы экспонированной ткани с целью выявить наиболее подходящий для нашего объекта метод.
Потерю площади полотна подсчитывали с помощью программы ADOBE PHOTOSHOP CS5 EXTENDED: фотоснимки полотен загружали в программу, устанавливали шкалу измерений (определение числа пикселей в сантиметре), выделяли уцелевшие участки ткани и запускали инструмент измерения площади выделенных областей в конкретном почвенном горизонте. Подсчет ЦА по потере площади (в процентах) производили по
(S - S2)
100%, где m1 — исходная, m2 — оста-
формуле:
S
• 100%, где S1 — исходная, S2 —
остаточная площади. Для определения ЦА по потере массы (в процентах) использовали формулу:
(Ш1 - т2)
точная масса ткани.
Результаты, полученные разными способами, показали одинаковую тенденцию разложения полотна в течение года, но уровень ЦА, вычисленный по потере массы ткани, оказался выше (рисунок).
Наибольшая разница между результатами эксперимента отмечена для коричневой краснопро-фильной почвы тяжелого гранулометрического состава и однородного сложения: потеря массы ткани оказалась в 3—6 раз больше потери площади. Оба свойства почвы определяют постепенное разложение хлопчатобумажной ткани, проявляющееся в ее утоньчении: масса полотна уменьшается, а площадь сохраняется. В отдельных горизонтах скелетных почв НБС, где от 10 до 60% щебня с суглинистым мелкоземом, напротив, значительных различий нет: потеря массы на 8—28% больше потери площади. Это связано с высокой долей скелета и неравномерностью его распределения в профиле: наблюдается нерегулярная потеря целостности полотна за счет более интенсивного разложения на отдельных участках.
Подсчет ЦА обоими способами приводит к занижению результатов: при измерении площади ткани не учитывается ее истончение, недостатком при подсчете по потере массы — присутствие на ткани мелких частиц почвы. Тем не менее более надежным способом, по нашему мнению, является определение по потере массы, он и используется большинством исследователей [3, 9—11, 13, 23, 27].
Результаты и их обсуждение
Эколого-географическая изменчивость интенсивности разложения целлюлозы связана с боль-
шим числом факторов, которые выступают основой интерпретации результатов определения ЦА почв.
Факторы ЦАпочв. Состав и численность цел-люлозоразрушающих микроорганизмов разные в зональных типах почв. На севере целлюлозораз-рушающая микрофлора бедна и представлена медленно разлагающими целлюлозу грибами. К югу число целлюлозоразрушающих микроорганизмов растет: увеличивается относительная численность бактерий и актиномицетов. Исключением являются сероземы и отчасти каштановые почвы: из-за дефицита влаги размножение бактерий в них угнетено [16].
Влияние увлажнения на скорость разложения целлюлозы показано А.С.Яковлевым в ряду дерново-подзолистых почв разной степени заболоченности: наибольшая ЦА зафиксирована в глубо-кооглеенной и глееватой, наименьшая — в неог-леенной и глеевой почвах [23]. Нитратный азот способствует активизации деятельности целлюло-зоразрушающих микроорганизмов [7, 14, 20]. Исследование ЦАпочв на о. Марион (47°ю.ш., 38°в.д.) показало высокий уровень разложения хлопчатобумажного полотна на участках, богатых азотом, — лежбищах котиков, птичьих базарах [29].
Влияние особенностей фитоценоза на скорость разложения целлюлозы исследовано М.Ф.Дороховой и Л.Б. Исаченковой: под широколиственно-еловым лесом ЦА оказалась в два раза выше, чем под сосново-еловым, в мелкотравной парцелле бо-реального ельника она во столько же раз выше, чем в мертвопокровной [9]. ЦА не зависит от возраста древостоя, но имеет высокую положительную корреляцию с его общей площадью, высотой деревьев и объемом ствола [27].
Антропогенный фактор неоднозначно влияет на ЦА. Сравнение интенсивности разложения целлюлозы в целинных и обрабатываемых почвах показало, что в последних она выше за счет внесения удобрений, рыхления, поддержания определенного уровня влажности [3, 6, 7, 10, 23]. С другой стороны, есть данные о снижении ЦА в почвах, подверженных физической деградации (уплотнение, уменьшение порозности и водопроницаемости) [23]. Интенсивность разложения целлюлозы также снижается при повышенной концентрации в почве тяжелых металлов [7, 19, 24]. Проведение эксперимента по определению ЦА в лабораторных условиях показало, что в незагрязненных почвах потеря прочности хлопчатобумажного полотна через десять дней составляет 80%, в загрязненных почвах через 25 дней — всего 18—41% [24].
Профильное распределение ЦАв почвах. Интенсивность ЦА обычно убывает с глубиной: в дерново-подзолистых почвах в подстилке и гумусовом горизонте она равна 13—19, в элювиальном — 0,4—0,6% [23]; в выщелоченных черноземах в слое 0—10 см она составляет 34,4, на полуметровой от-
метке — 18,1% [21]. В желтоземах влажных субтропиков в слое 0—30 см ЦА близка к 90%, а в слое 30—100 см всего 15% [6]. При засолении верхней части профиля интенсивность разложения целлюлозы, напротив, с глубиной увеличивается [22]. В краснопрофильных почвах мыса Мартьян максимум разложения целлюлозы отмечен в срединном метаморфическом горизонте (25—50 см), оптимальном по гидротермическим условиям [4]. В аллювиальных почвах профильная дифференциация ЦА отсутствовала [10].
Динамика ЦА по сезонам года. Целлюлозоли-тическая активность подвержена сезонным колебаниям: в зональном ряду почв Западной Сибири и в серых лесных почвах юга Подмосковья максимум разложения целлюлозы наблюдается в конце лета — начале осени, благодаря свежему опаду и благоприятному гидротермическому режиму [3, 18]. Во влажных субтропиках процессы ее разложения интенсивны весь год [6]. В средиземноморских субтропиках пик ЦА приходится на зимний период [4]. В сероземах южной и центральной частей Таджикистана условия для разложения целлюлозы наступают только весной [11]. В субантарктическом климате уровень ЦА максимален летом, на участках высокогорных болот и каменистых тундр ее сезонность не выражена [29].
ЦА в почвах разных природных зон. Сопоставление ЦА коричневых почв субтропиков, изученных авторами, и литературных материалов выявило ряд закономерностей.
В слое 0—10 см наблюдается закономерное ослабление ЦА в зональном ряду почв с севера на юг: от 19,8% — в дерново-подзолистых, 8,8 — черноземах обыкновенных, 3,5 — желтоземах, 0,5% — коричневых краснопрофильных (в среднем за один летний месяц) [1, 6, 9, 23]. Это связано с тем, что в ареале дерново-подзолистых почв и черноземов обыкновенных в летний период выпадает максимальное количество осадков. В субтропиках летний период, напротив, характеризуется минимальными атмосферными выпадениями, что наряду с высокой температурой приводит к значительному иссушению верхней части почвенного профиля и, соответственно, снижению ЦА.
На интенсивность разложения целлюлозы в пределах верхнего полуметрового слоя влияют многие факторы: плотное сложение и иссушение профиля коричневой краснопрофильной глинистой почвы приводит к минимальному ее уровню — 7,2% (в среднем за один летний месяц); в профиле дерново-подзолистых и серых лесных почв она составляет всего 8,6—9,1%, поскольку оценивается в обедненных гумусом и элементами питания элювиальных и плотных иллювиальных горизонтах [3, 23]. Максимум разложения целлюлозы наблюдается в лесостепных черноземах (12,6—14%) благодаря мощному гумусовому горизонту [14, 21],
в каштановых и бурых лесных почвах ЦА ниже — 12 и 11% [13, 20].
ЦА природных и окультуренных почв осенью и весной в ряду серые лесные, желтоземы и коричневые возрастает к югу от 3,1 до 18,9% (в среднем за один месяц) с максимумом в коричневых почвах. Разница в ЦА между природными и окультуренными почвами составляет, соответственно, 0,9; 6,3 и 6,8%; для почв южных регионов она больше [3, 6].
Заключение
Литературный обзор и собственные результаты показали высокую информативность целлю-лозолитической активности для почвенно-генети-ческих исследований. Длительное использование данного показателя и разнообразие областей его применения позволили разработать, казалось бы, простую методику постановки эксперимента. Однако установлено, что разнообразие модификаций методики (разная глубина заложения ткани, срок
экспонирования) могут помешать интерпретации и сравнению данных собственных исследований с результатами предшественников. Поэтому дальнейшую задачу в области использования ЦА как метода определения биологической активности почв авторы видят в его стандартизации и анализе полученных данных, считая подсчет уровня этого показателя по потере массы ткани более универсальным и надежным способом.
Судя по рассмотренным материалам, можно констатировать, что сезонные колебания целлю-лозолитической активности почв определяют гидротермические условия. Благоприятные условия для разложения целлюлозы для большинства почв создаются летом, за исключением таковых с жа-ропокоем в летний период — коричневых, каштановых, сероземов. Максимальные значения ЦА в летнее время характерны для слоя 0—10 см дерново-подзолистых почв, а в пределах почвенного профиля — для черноземов с их мощным гумусовым горизонтом.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Агафонов Е.В., Ефремов В.А., Агафонова Л.Н. Свойства и применение куриного помета и биогумуса в полевом севообороте. Новочеркасск, 2002.
2. Антипов-Каратаев И.Н., Прасолов Л.И. Почвы Крымского государственного лесного заповедника и прилегающих местностей. Л., 1932.
3. Булаткин Г.А., Ковалева А.Е. Целлюлозолити-ческая активность серых лесных почв // Почвоведение. 1984. № 11.
4. Гаврилова В.И. Косвенные методы диагностики коричневого типа почвообразования в Никитском ботаническом саду // Почвы России: вчера, сегодня, завтра. Киров, 2017.
5. Глазовская М.А., Парфенова Е.И. Биогеохимические факторы образования терра росса Южного Крыма // Почвоведение. 1974. № 11.
6. Гуров И.А. Желтоземы древних морских террас в районе Сочи: Дис. ... канд. с.-х. наук. М., 2011.
7. Джанаев З.Г. Агрохимия и биология почв юга России. М., 2008.
8. Добровольский В.В. Красноцветные образования Крыма и их палеогеографическое значение // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 5. География. 1968. № 1.
9. Дорохова М.Ф., Исаченкова Л.Б. Биологическая активность дерново-подзолистых почв под разными типами леса // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 17. Почвоведение. 1999. № 1.
10. Дорохова М.Ф., Исаченкова Л.Б. Биологическая активность почв территории научно-учебной станции МГУ «Сатино» // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 5. География. 2008. № 6.
11. Захарченко А.Ф. Разложение целлюлозы в зональных почвах Таджикистана // Почвоведение. 1961. № 2.
12. Казимирова Р.Н. Почвы и парковые фитоцено-зы Южного берега Крыма. Киев, 2005.
13. Корсунова Ц.Д.-Ц. Биологическая диагностика каштановых почв сухостепной зоны Бурятии при их окультуривании: Автореф. дис. ... канд. биол. наук. Улан-Удэ, 2000.
14. Лазарев А.П., Абрашин Ю.И., Гордеюк Л.Л. Цел-люлозолитическая активность обрабатываемого чернозема обыкновенного лесостепной зоны Ишимской равнины // Почвоведение. 1997. № 10.
15. Методы почвенной микробиологии и биохимии. М., 1991.
16. Мишустин Е.Н. Эколого-географическая изменчивость почвенных бактерий. М.; Л., 1947.
17. Мишустин Е.Н. Микроорганизмы и продуктивность земледелия. М., 1972.
18. Наплекова Н.Н. Влияние азота и фосфора на интенсивность разложения целлюлозы и биологическую активность почв Западной Сибири // Вопросы численности, биомассы и продуктивности почвенных микроорганизмов. Л., 1972.
19. Пряженникова О.Е. Целлюлозолитическая активность почв в условиях городской среды // Вест. Ке-меров. ун-та. 2011. № 3.
20. Струкова Д.В, Малюкова Л.С. Некоторые показатели биологической активности бурых лесных кислых почв чайной плантации субтропиков России // Аг-рохим. вестн. 2010. № 6.
21. Тохтиева Л.Х., Фарниев А.Т. Интенсивность разложения целлюлозы в выщелоченном черноземе и влияние на нее удобрений // Тез. докл. республ. науч.-практ. конф. Орджоникидзе, 1983.
22. Хасанова Р.Ф. Экологическое состояние засоленных почв Башкирского Зауралья // Вестн. Оренбург. ун-та. 2015. № 6.
23. Яковлев А.С. Биологическая диагностика целинных и антропогенно измененных почв: Дис. ... докт. биол. наук. М., 1997.
24. Chew I, Obbard J.P., Stanforth R.R. Microbial cellulose decomposition in soils from a rifle range contaminated with heavy metals // Environ. Pollut. 2011. Vol.111.
25. French D.D. Some effects of changing soil chemistry on decomposition of plant litters and cellulose on a Scottish moor // Oecologia. 1988. Vol. 75.
26. Heal O.W., Howson G, French D.D., Jeffers J.N.R. Decomposition of cotton strips in tundra // Soil organisms and decomposition in tundra. Stockholm, 1974.
27. Kurka A., Starr M. Relationship between decomposition of cellulose in the soil and tree stand characte-
ristics in natural boreal forests // Plant and Soil. 1997. Vol. 197.
28. Latter P.M., Walton D.W.H. The cotton strip assay for cellulose decomposition studies in soil: history of the assay and development // Cotton strip assay: an index of decomposition in soils. Grange-over-Sands, 1988.
29. Smith V.R, Steenkamp M, French D.D. Soil decomposition potential in relation to environmental factors on Marion Island (Sub-Antarctic) // Soil Biol. Biochem. 1993. Vol.25.
30. Smith MJ, Walton D.W.H. Patterns of cellulose decomposition in four subantarctic soils // Polar Biol. 1988.
Поступила в редакцию 20.04.2018
CELLULOSOLYTIC ACTIVITY OF SOILS: METHODS
OF MEASURING, FACTORS, AND GEOGRAPHIC VARIABILITY
V.I. Gavrilova, M.I. Gerasimova
The analysis of experimental methods for assessing the cellulosolytic activity of soils and methods for calculating the results of its measurement are discussed basing on publications and authors' experiments. A brief overview of factors and dynamics of this phenomenon in soil profiles, including its seasonal changes, is presented, as well as information on its the geographic variability. The materials presented may be helpful for research in this area by emphasizing various details responsible for obtaining reliable results for interpretation.
Key words: cellulosolytic activity, spatial and seasonal patterns, urbo-cinnamonic soils, terra rossa.
Сведения об авторах
Гаврилова Валентина Игоревна, аспирант каф. геохимии ландшафтов и географии почв географического ф-та МГУ им. М.В.Ломоносова. E-mail: ya.valentina-gav@yandex.ru. Герасимова Мария Иннокентьевна, докт. биол. наук, профессор каф. геохимии ландшафтов и географии почв географического ф-та МГУ им.М.В.Ломоносова. E-mail: maria.i.gerasimova@gmail.com.
