Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

БИОЛОГИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ ПОЧВ РЕКУЛЬТИВИРУЕМЫХ ЛАНДШАФТОВ ЗАПАДНОГО ДОНБАССА В СВЯЗИ С ДИАГНОСТИКОЙ ИХ СОСТОЯНИЯ

ВАК РФ 06.01.03, Агропочвоведение и агрофизика

Автореферат диссертации по теме "БИОЛОГИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ ПОЧВ РЕКУЛЬТИВИРУЕМЫХ ЛАНДШАФТОВ ЗАПАДНОГО ДОНБАССА В СВЯЗИ С ДИАГНОСТИКОЙ ИХ СОСТОЯНИЯ"

Й~2ВЪ2>6

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА, ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ км. М. В. ЛОМОНОСОВА

ФАКУЛЬТЕТ ПОЧВОВЕДЕНИЯ

На правах рукописи

УДК 631.461:631.61 ЦВБТКОВА Лилия Анатольевна

БИОЛОГИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ ПОЧВ РЕКУЛЬТИВИРУЕМЫХ ЛАНДШАФТОВ ЗАПАДНОГО ДОНБАССА В СВЯЗИ С ДИАГНОСТИКОЙ ИХ СОСТОЯНИЯ

Специальность 06.0t.03. — почвоведение

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

МОСКВА 1987

Работа выполнена на кафедре географин почв факультета почвоведения Московского государственного университета ям. Л!. В. Ломоносова.

Научный руководитель: кандидат биологических наук, старший научный сотрудник' Ю, Г. ГЕЛЬЦЕР

Официальные оппоненты: доктор биологических наук, профессор Л. А. ГРИШИНА; кандидат биологических наук, старший научный сотрудник А. Ф. ПЕРЦОБСКАЯ

Ведущее учреждение: Институт Почвоведения и .Агрохимии Сибирского отделения АН СССР.

Защита состоится * -3" 198^ г. в 15 час. 30 мин.

на заседании специализированного совета К 053.05.16 в ауд. М-2 факультета почвоведения МГУ им- М. В. Ломоносова.

Отзывы на автореферат в 2 экземплярах просим направлять по адресу: 119899 ГСП, Москва, Ленинские горы, МГУ, факультет почвоведения, специализированный совет К 053.05.16.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке факультета почвоведения-МГУ.

Автореферат разослан

Ученый секретарь специализированного совета

МОТУЗОВА Г. В.

Актуальность проблемы. Интенсификация промышленного производства требует значительного отчуждения земель. В связи с необходимостью восстановления нарушенных территории возросла актуальность исследований, направленных на изучение почвенного покрова техногенных биогеоценозов. Важный критерий экологического состояния почв - их биологическая активность. Необходимость испольэо-- ваийя системы биопокаэателей для целей почвенно-генетических и почвенно-экологических исследований в комплексе с химической, физической и морфологической характеристикой почв общепризнана. Однако биологическое состояние техногенных поив в настоящее время изучено неудовлетворительно, на стадии разработки находятся методическая и теоретическая сторона исследований* Поэтому, характеристика биологической активности почв ре культи вируемых ландшафтов представляет значительный научный и практический интерес.

Настоящая работа - часть исследований, проводимых комплексной' экспедицией ДГУ на окспериментально-nроизводственных участках лесной рекультивации, задача которой состоит в разработке теоретической и практической основа восстановления в пойме реки Самары лесов, имеющих большое водоохранное, лротивоэроэионное и рекреационное значение.

Цель работы^ Оценка биологической активности почв, формирующихся на рекультивированных участках шахтного отвала, при использовании для создания корнеобитаеыого слоя шахтной породы, лессо-, видного суглинка и Гумусовых горизонтов чернозема, с целью диагностики биологического и экологического состояния втих почв.

Задачи исследования. ■ I. Провести сопряженное изучение,биологической активности (ферментативная активность, особенности ферментного комплекса, обо! гащенность микроорганизмами и простейшими, интенсивность накопления свободных аминокислот и белков) почв техногенных участков -

Hsrn.iif.;.-! (плгка гс"<чъ ic.ssi, ад,- fli.-iej ' *"*' К. A. 1BÎ Xp£i - ;>,

и ненарушенных почв данного региона, развивающихся под аналоги«** ной растительность» ( акация белая).

2. Определить временную и пространственную изменчивость уровня ферментативной активности и численности микроорганизмов в исследуемых почвах»

3. Изучить гуиусное состояние, морфологические и химические свойства почв на участках рекультивадаи и сравнить с таковыми у . ненарушенного чернозема.

4. Оценить взаимосвязь между уровнем ферментативной активности, численностью микроорганизмов, .содержанием органических соединений и азота в почвах.

5. Выявить особенности формирования биологически активной почвенной массы и ее профильную дифференциацию в молодых почвах, развивающихся на участках ре кул ьти вацки.

6. Определить диагностическую значимость используемых показателей биологической активности, химических л морфологических параметров для оценки экологического состояния почв на ранних этапах развития.

Научная новизна. Впервые проведено сопряженное исследование комплекса микробиологических, биохимических, химических и морфологических свойств почв,, фориирухиросея на участках лесной рекультивации Западного Донбасса, в целях диагностики наличия и глубины протекания в них биологических процессов. &швлена специфика профильного распределения, устойчивости и структуры ферментного фонда в техногенных почвах на ранних этапах развития (5-8 лет). Предложен ряд показателей для оценки.вкологичес-кого состояния молодых почв восстанавливаемых территорий, а так? ле используемых для рекультивации отвалов почво-грунтов и грунтов.

Практическое применение результатов исследований. Полученные

данные будут использованы при разработке рекомендаций по рекульти вации и рациональному использованию земель в зонах просадок поймы реки Самары в районе Павлограда.

Апробация работа., Основные положения диссертации были доложены на Всесоюзном совещании "Микроорганизмы как компонент биогеоценоза" (Алма-Ата, 1982), Всесоюзной школе "Влияние промышленных предприятий на окружающую среду" (Пущине, 1964), на рабочем сове-прнии "Биологические основы управления биопродуктивность» агроце-нозов и плодородием почв" (Пущине, 1986), а также на заседании кафедры географии почв факультета почвоведения МГУ (1985). Публикации. По материалам диссертации опубликовано 7 работ. Объем работы. Диссертация изложена на страницах машинописного текста, содержит таблиц, рисунков. Описок литература состоит из наименований, на иностранных языках.

Автор искренне благодарен с.н.с, АБС Чашниково Н.В. РЬськовоА за помощь и ценные консультанта при освоении микробиологических я биохимических методов, а также сотрудникам кафедр« геоботаники ДУ за содействие и дружеское участие при выполнении работы.

. ОБЪЕКТЫ И МЕГОДК ИССЛЕДОВАНИЯ ' Исследования проводили в районе поймы реки Самары (шахта Пав-доградская) на трех опытных площадях (I, II, 1У) экспериментально-производственного участка Р1, заложенного в 1975 г. на месте просадки. На фундаменте из пород обогатительной фабрики и шахтных пород мощностью 7 метров было создано 5 вариантов насыпного субстрата из шахтной породы, лессовидного суглинка, песка и гумусовых горизонтов чернозема при различном их сочетании. Весной 1976 г, на участке было высажено 15 видов древесных и кустарниковых насаздения.

Нами дана характеристика почв, развивающихся на участках с насаждениями белой акации. Расположение насыпных грунтов и почво-1-2

грунтов по вариантам следующее '(снизу вверх)! I вариант - шахтная порода (алевролиты, аргиллиты); II вариант - шахтная порода, лесок (0,5 у), лессовидный суглинок (0,5 м); 1У вариант - шахтная порода. лессовндныЛ суглинок (I м), лесок (0,5 и), чернозем (0,5 ' и). Юнтролеи служила зональная почва - чернозем обыкновенный под целинной растительностью и чернозем под акацией белой, возраст посадок - 20 лет (рнс. I).

II

1У

и.

I 4 * И ' '

_____

| | - шахтная порода Х/Л - — лессовидный суглинок ГП - песок ЕЭ ~ чернозем

* Й»о. I Расположение насыпных грунтов и почво-грунтов на исследуемых опытных площадях -На участках рекультивации исследования проводили в верхнем полуметровом слое, наиболее затронутой почвообразованием и преобразованном растительностью я микроорганизмами•

Образ ид почв отбирали стерильно (первый раз в 5 повторюстях, в остальные сроки смешанные из 5 точек) в почвах на ненарушенных участках по генетическим горизонтам, на участках рекультивации по слоям, учитывая их морфологию и обогащенность биогенными включениями: АО (2 см), 3-4 с«, 4-7 см, 7-12 см, 12-32 см, 32-52 см. Сроки отбора образцов! 1981 г* (апрель, июнь, август, ноябрь)! 1962 г. (апрель, ишь, август); 1963 г. (июнь, август).

Ферментативную активность определяли в свежих обраэцах при полевой влажности,.в воздушно-сухих образцах и в образцах, прогретых в течение 3 часов при 100°С. Определена активность инвертазы (Раськова, 1981),,уреа?ы (Палстян, 1959), протеази (Гельцэр, РЬськова, 1984), дегидрогеназы (Галстян, 1962), каталаэы (Галетян,

5 ** - +

1956). В свежих образцах проводили количественный учет микроорганизмов методом посева на твердые питательные среда (МПЛ, Этби, Чапека, сусло-агар) и методом прямого подсчета по Д. Г, Звлгингрву и П. А. Кожевину (1960), определение численности простейших методом предельных разведений и методом Ошгха (Николюк, Пвльцер, 1972), видового состава простейших по определителям (Летите, Пвльцгр, Чи бисова, Гептнер, 1973; Николюк, Лвльцер, 1972), биомассы простейших по Л.Л. Численно (1968).

Определение химических свойств.проводили в' воздушно-сухих образцах почв. Содержание гумуса определяли по Кьвльдалю, вэота по : Конвею, обменных оснований, хлоридов, сульфатов, растворимых кар' бонатов - по методам, приводимым в "Руководстве по химическому анализу почв" <Аринушкина, 1961). Определение группового я фракционного состава гумуса проводили по методу Пономаревой, Плотниковой с обработкой результатов по Л.Н, Гришиной, Д.С. Орлову {Орлов, Гришина, 1981). Определение рН проводили потенциометрическим методом (Эырин, Орлов, 1960). Метода определения легкорастворимых органических соединений, легкогвдролизуемого и щелочногидролизуе-мого азота по Ко{ифилвду описаны в книге "Агрохимические методы исследования почв" (1975).

НХЗДЬТАТИ И ОБСУДЦЕНИЕ Педобиологическим исследованиям придается большое значение в изучении почв рекультивируемых ландшафтов (Трофимов, 19791 Келе- ' • берда, 1977; ^раселия, 1979; Кхевенсхал, Трофимов, Таранов, Кон-драшин, 1905 и другие). Однако биологическая активность техногенных почв как правило оценивается по уровню биохимической активности и численности отдельных групп микроорганизмов, часто для

, анализа используют воздушно-сухие образцу почв. При этом практика -

и^ чески не рассматриваются вопросы динамики и взаимосвязи биологических свойств, профильного распределения биологически активной

■ ■:.-.-'.■' ■ 1-3" ■: : ■

почвенной массы, не исследована структура и устойчивость ферментного комплекса. .

<Гизико-химическая характеристика почво-грунтов

Шахгн&л порода обладает резко'отрицательными свойствами! тяже-лосуглиниста, водонепроницаема, рК от 3,2 до 7,7, засолена (сухой остаток 1,3-0,6), тип засоления хлоридко-сульфатно-кальциево-маг-ниевый. Продесо почвообразования выражается здесь лишь в большей выветрелости верхних слоев <0-5 см).-

Лессовидный суглинок характеризуется благоприятными водно-воздушными свойствами, не токсичен, отсутствует засоление - фактор, который в условиях степной зоны часто является определяющим для проиэростакия леса. Лимитирующий фактор - низкое содержание гумуса (0,45-0,74) и, следовательно, недостаточная обеспеченность питательными веществами,,в том числе азотом (0,05-0,07)*), низкая емкость поглощения (13 иг-экв/100 г почвы). Насыпной чернозем близок по своим свойствам к зональной почве, однако на данном участке рекультивации-для насыпного чернозема характерно пониженное содержание гумуса <2,8Ю и нарушенное» зернистой структур*.

За 5 летний срок развития наибольшие морфологические и химические изменения произошли в веркнем 2 сантиметровом слое почво-грунтов, расположенном непосредственно под подстилкой. Слой густо: переплетен корнями* имеет рдаслую структуру, в лессовидном суглинке: горизонт приобрел темно-серую окраску. Содержание гумуса в лессовидном суглинке здесь возросло до 3,5?< (в 7,7 раз),. в насыпном черноземе - до 4,01*(в 1,6 раза). Состав гумусовых кислот в верхних слоях почво-грунтов близок к таковому в ненарушенноычернозе-ме, отличаясь лишь большей обогащенностьм подвижными формами углерода и азота и более узким соотношением Сгк/Сфк в лессовидном суглинке { в основном за .счет повышенного содержания I— и I фракций * Зульво кислот)...

Микробиологическая активность

По общей обогащенности ыикрофшми клетками (прямой подсчет) насыпной чертовем и лессовидный суглинок близки к почвам ненарушенных участков только в АО и верхнем (2-4 см) слое. Более глубокие слои по данному показателю существенно уступают сопряженным горизонтам ненарушенного чернозема. Однако по количеству микроорганизмов, способных дать рост на питательных средах, исследуемые почво-грунты и чернозем ненарушенных участков не различаются.

Картина распределения микроорганизмов в минеральном профиле и в подстилке в почво-груятах и в черноземе ненарушенных участков аналогична (рис. 2). Наибольшее число микробных плеток зафиксировано в подстилке. D органо-минеральной толще численность микробного населения меньше. На фоне уменьшения общего количества клеток, учитываемых методом прямого подсчета, снижение численности жизнеспособных микроорганизмов происходило более резко (по методу прямого подсчета количество микробных клеток в слое 2-4 см уменьшилось по отношению х таковому в АО в 2-6 раз, а число бактерий на МПА - в 10-50 раз),

Процентное содержание микроорганизмов, способных давать рост на питательных средах, относительно общей численности микробных клеток уменьшалось с глубиной как в ненарушенном черноземе, так я в насыпных почво-грунтах.Однако в лессовидном суглинке и насыпном черноземе жизнеспособность микроорганизмов в большинстве случаев была несколько выше (1-84), чем в черноземе ненарушенных участков (0,2-1,3*).

По данным посева почвенной суспензии на различные питательные среды и в рочво-грунтах, и в ненарушенном черноземе преобладает бактериальная микрофлора. В формировании микробного сообщества, наряду с аммонификаторами, важную* роль играют микроорганизмы,

использующие минеральные источники азота.'Сравнение.состава бак-1-4 : - ' .

О 12 3 М 5 6 7

Ю £0 за

см

1~Г

-И ' 1 ■

Г

Прямой подсчет ( ылд клеток в I г почвы)

л

¥

о 10 20 40 €0 во 100300 500 800

--*--- •—Й^"Г^^Гц'У- ч!.'___'-J '

КПА ( млн клеток в I г почвы)

О 10 30 Ьр 60 вО_ )ООУЗО 500ф)0

Опби (млн клетов а I г почвы)

о ю го ш во во

ю

го

30см

Чапека (млн клеток в I г почвы)

ненарушенный чернозем лессовидный суглинок

„ __ насыпной чернозем

Лс. 2 Численность раяличных групп микроорганизмов в профиле ненарушенного чернозема и насыпных почво-грунтов

термальной микрофлоры ненарушенного чернозема и рекультивируемых почво-грунтов обнаруживает тенденцню к увеличению в последних относительного содержания олнгоннтро$ильных микроорганизмов и микроорганизмов, усваивающих азот из сильно рассеянного состояния (5573* от суммарного содержания бактерий на Ш1А, 1шйи и Чапека по сравнению о 35-60* в ненарушенной черноземе)* Доля микроорганизмов, усваивающих нитратный азот, незначительна ( в лессовидном суглинке она составляет 1-53«, в насыпном черюземе я черноземе ненарушенных участков колеблется от 5 до , .

Определение обогащенности * микроорганизмами 32 сантиметрового слоя почв о учетом объемного веса и мощности горизонтов показало, что в лессовидном суглинке и насыпном черноземе содержится примерно столько же микроорганизмов, дающих рост на питательных средах, как и в ненарушенных почвах. Однако по данным прямого подсчета численность микроорганизмов в насыпном черноземе в 32 сантиметровом слое ниже, чем в ненарушенном черноземе в 2-3 раза, а в лессовидном суглинке - в 3-5 раз (табл. I)*

Таблица I

Обогащениесть лессовидного суглинка, насыпного чернозема и

ненарушенного черюзема различными группами микроорганизмов (млн. клеток в слое 0-32 см с площадью поверхности I см2)

Почва Месяц Прямой ШД Эшби Чапек Чале к

подсчет (бактерии) (грибы)

Чернозем под акацией У1 УШ 699925 54834х 189 319 191 414 412 170 119 33 16 12

Лессовидный 1У суглинок У1 УШ 176935 15232 121 200 170 266 379 198 30 12 17 10

Насыпной чернозем 1У У1 УШ ■ 37079? 12922* 135 423204" 410 366 292 91 159 30 18

н - различия между почвами достоверны. ■ 1-5

Несмотря на высокую численность микроорганизмов в подстилке, в ней сосредоточена лишь небольшая часть всей массы микробных клеток (2-ICW) от их содержания в 32 сантиметровом слое). Значительная часть бактерий в насыпном черноземе и лессовидном суглинке приходится на верхний 5 сантиметровый слой минерального профиля) 37-38* в лессовидном суглинке, 29-54* в насыпном черноземе, тогда как в Ад ненарушенного чернозема сосредоточено I5-I7X бактерий от их содержания в 32 сантиметровом слое.

Почво-грунты на участках рекультивации и ненарушенный чернозем различаются по количеству и видовому разнообразию в них простейших. Для чернозема, развивающегося под целинной растительностью, характерно меньшее количество всех групп простейших, чем доя чернозема под акацией. В лессовидном суглинке численность и биомасса жгутиконосцев близки к таковым в черноземе под акацией. Однако содержание амеб и инфузорий здесь существенно ниже, что свидетельствует о повышенной чувствительности этих групп простейших к дефициту питательных веществ в лессовидном суглинке. Насыпной чернозем по количеству простейших более близок к не нарушенному чернозему под белой акацией, чем лессовидный суглинок (рис, 3).

В насыпных почво-грунтах определено большее видовое разнообразие всех групп простейших, чем в ненарушенном черноземе. В первых обнаружено 10 видов инфузорий, 12 видов жгутиконосцев, около 10 видов амеб и 3 вида тестаций, тогда как в черноземе под акацией и целинной растительность» обнаружено соответственно: амеб 3 и 5 видов, жгутиконосце» 5 и б видов, инфузорий 6 и 3 видов, I вид тестаций обнаружен лишь в черноземе под акацией.

Ферментативная активность

Показано, что в лессовидном суглинке и насыпном черноземе за период 5-8 лет образовались слои, резко дифференцированные по обогащешости их ферментами. Наибольшая ферментативная активность

I - чернозем обыкновенный (целина); 2 - чернозем под акацией;

3 - лессовидный суглинок; 4 - насыпной чернозем

Рис. 3 Численность простейших в 10 сантиметровом слое

насыпного чернозема, лессовидного суглика и черноземов ненарушенных участков характерна для подстилки,причем ее уровень в подстилках,сформированных на поверхности ненарушенного чернозема it насыпных почво-грунтов одинаков. Содержащаяся в I г подстилки инвертаза катализирует образование от 5 до 45 мг глюкозы за I чао, протеаза - 20 150 мг глицина за .21 час, уреаэа - 5-30 игУнэ за 3 часа, дегид-рогенаэа - 1-5 мг Т$Ф за 21 час, каталаза - 10-35 мл 02 за I мин., что в 10-20 раз выше, чем в верхнем слое минеральной толщи. По высокой, в большинстве случаев не меньшей, чем в.Ад ненарушенного чернозема« потенциальной активности ферментов выделяет ся расположенный непосредственно под подстилкой 2 сантиметровый органо-ыинвралышй слой.

Характер изменения ферментативной активности с глубиной в ненарушенном черноземе и насыпных почво-грунтах не одинаков.' В ненарушенном черноземе снижение ферментативной активности происходит равномерно, В насыпном черноземе в целом степень уменьшения потенциальной активности инвертазы, протеазы, дегвдрогеназы и ка

- к -

10-äo-эо-4060-ca

Инвертаза ^ I чао Протеаза "У 21 час

1 а з 16 18 ¿0

10 го-

3050-

CK

SM

qi Q2. ад н о i 2. 3 j_.f1 fß

^>рвдрогенаэа УДы 2Гч*

t i а з 4

черноэем под акацией • • • • . чернозем обыкновенный — — лессовидный суглинок , ----насыпной чернозем

Ric. 4 Уровень ферментативной активности в профиле ненарушенных почв и насыпных почво-грунтов

талаэы близка к таковой в ненарушенном чернэеме. От почв ненарушенных участков насыпной чернозем отличаете» лишь по существенно, более резкому снижению в нем активности уреазы. В профиле лессовидного суглинка уровень ферментативной активности резко убывавший. Активность инвертазы, уреазы и дегидрогенаэы очень мала, а в отдельные периода не проявляется уже на глубине 10-30 см. Уровень каталаэной и лротеаэкой активности значителен до конца насипного слоя (рис. 4).

*

Важно отметить, что в насыпных почво-грунтах ферменты распространены на значительно меньщую глубину <30-50 см), чем в ненарушенном черноземе. Исключение составляет протеаза, потенциальная активность которой я слое 53-57 см (песок) в почво-грунтах не ниже, чем в ненарушенной почве ка той же глубине.

Значительное увеличение содержания ферментов в верхних слоях лессовидного суглинка-и насыпного чернозема произошло в течение первых пяти лет их развития. Наблюдение за уровнем ферментативной активности в последующие 3 года не позволило выявить тенденцию к возрастанию его средней величины, что свидетельствует о начале стабилизации ферментного пула на данном этапе (5-8 лет).

Насчет ферментативной активности с учетом объемного веса и глубины горизонта по Д.Г. Звягинцеву (Звягинцев, 1970, 1973; ГЬськова, Звягинцев, 1984) роэволил выявить специфику распределения ферментного фонда в ненарушенных почвах и исследуемых поч-во-грунтах (табл. 2). В ненарушенном черноземе основная часть , Ферментов равномерно распределена в горизонтах Ад, А1, АВ . В лессовидном суглинке к верхнему 30 сантиметровому слою приурочено 92Х инвертазы и уреазы и'814 дегидрогенаэы. Причем до 50?6 инвертазы локализовано в верхнем 2 сантиметровом, а 52Х дегидрогенаэы и 39Х уреазы - в верхнем 5 сантиметровом слое минеральной толщи. В профиле насыпного чернозема, по сравнению с лессовидным

' Таблица 2

Обогащениоеть почео-грунтов фермектшл в расчете на вес столбика почвы с поперечным сечением I о*2 (дат&е средние эа 3 года)

Почва Горизонт Инаертаза "ичва глубина (иг глюкозы (си) эа I час

Уреаэя за 3 часа)

Протеаза (ыг глхцяка эа 21 чае)

Двгкдрогенаэа

(КГ

...г Т» ч

за 21 час)

Каталаза (их О эа I кик)

чернозем под

акацией

сумма

АО 0-2

Й2-7 7-12 АХ 12-32 АВ 32-58 В 53-гл.

I

10

5

13

Я

54

2 10 10 7

32,7

2

15

9

40

34

II

III

0,12 1,2

и

6,92

г

67

64

233

215

321

902

Лессовидный суглинок.

сумма

АО 0-2 2-4 4-7 7-12 12-32 32-52

0,6

§,7

0 4 0 8 0*5

6

0,3

о!е

I

0,3 3,8

I 9 4

6

И

60

0,05 0 6 0 2

ы

0,3 1,56

0.75

14 12

22 78 85

211,75

Насыпной чернозем

сумма

АО 0-2 2-4

7-12

12-32

32-52

I'5

И

4 7 5,2

16,5

0,74 I

9»7

I

7,44

V

4

6 19 21'

59,4

0,1 0,4

Ы

0,4 II 1,5

3,9

2 16 22 35 144 1В2

401

суглинком, масса »тих ферментов распределена более равномерно. Однако их большая часть (63* инвертазы, ВТК уреазы и 61* дегид- , рогенаэы) также, как и в лессовидном оуглинке, сосредоточена в слое 0-3? см, Гкспределение протеазы и каталазы в насыпных поч-во-грунтах носит более равномерный характер, близкий к таксео«у в ненарушенном черноземе* Несмотря на высолю биогенность подстилки как в ненарушенном черноземе, так и в рекультивированных поч-во-грунтах, в ней сосредоточено лишь 0,5-10* ферментного фонда, что согласуется с данными по почвам лесной зоны (|«ськова, Звягинцев, 1984), Однако отмечено, что в лессовидном суглинке и насыпном черноземе на АО приходится 8-Т0£ всей инвертаэн, уреазы и дегидрогеназы, а на АО ненарушенного чернозема под акациеп 2-Э* втих ферментов. По обогал$енности подстилки каталазой и протеазол насыпные почво-грунты от ненарушенного чернозема под акацией не отличаются. Из приведенных данных следует, что процессы биохимического разложения сахарозы и мочевины в лессовидном суглинке практически полностью осуществляются в верхнем сантиметровом слое, причем основная их часть на глубине до 12 см* В насыпном черноземе наибольший объем этих процессов также происходит в верхнем 32 сантиметровом слое* Разложение белковых соединений и перекиси водорода потенциально возможно и в более глубоких слоях лессовидного суглинка и насыпного чернозема,

В связи с особенностями изменения уровня ферментативной активности от слоя к слою и распределения ферментного пула лессовидный суглинок и насыпной чернозем характеризуются более низким общим объемом ферментативных превращений в 50 сантиметровом слое, чем чернозем ненарушенных участков (лессовидный суглинок - в 2-7 раз, насыпной чернозем - в 1,5-4 раза).

Почво-грунты на участках рекультивации отличаются от ненарушенных черноземов не только по обогащенности и характеру локали-

лации ферментов, но и по структуре ферментного комплекса. Лессовидный суглинок и насыпной чернозем отличаются от ненарушенной почсы по соотношению в них отдельных груш ферментов. Так величина соотношения активности фермента, катализирующего разложение белков и пептидов (протеаза) к активности ферментов, катализирую-1цих разложение мочевшм и сахарозы (уреаэа, инвертаза) в лессовидном суглинке выше (2,3-6,0 на глубине 2-12 см, 11-26 на глуби-, не 12-52 см), чем в ненарушенном черноземе ( 1,1-1,3 в верхних слоях, 1,6-1,7 в нижних). Несколько ниже, чем в ненарушенной почве это соотношение и в насыпном черноземе (1,9-2,3 на глубине 2-12 см, 2,5-3,4 на глубине 12-52 см), но разрыв в данном случае значительно меньше. ГЬсширение в насыпных почво-грунтах отношения активности протеазы к активности уреаэы и инвертаэы обусловлено более резким снижением по профилю потенциальной активности ферментов, катализирующих гидролиз низкомолекулярных органических соединений. В то же время величина соотношения активности гидро-лаз и активности оксидоредуктаз в лессовидном суглинке и насыпном черюэшз близка к таковой в ненарушенном черноземе и практически не меняется с глубиной. Вероятно, величины соотношения активности ферментов, катализирующих различные процессы трансформации органических соединений, обусловлены различными параметрами, характеризующими экологическую обстановку в почве.

Выявлена специфика лессовидного суглинка и насыпного чернозема по устойчивости в них ферментов к высушиваниш прогреванию. В АО и верхнем 5 сантиметровом слое минерального профиля насыпных поч-во-грунтов отмечено наличие и не меньшее, чем в ненарушенном черноземе, содержанке всех трех форм ферментов (лабильных к высушиванию - находшцкхся.преимущественно в свободном состоянии, лабильных к прогреванию при 100°С в течение 3 часов - большей частью внутриклеточных, стабильных к прогреванию - иммобилизованных ка

■ - 17 -

органо-минералъных частицах). Уже на глубине 7-12 с« и для лессовидного суглинка, и для насыпного чернозема характерно отсутствие либо более низкое, чей в ненарушенном черноземе, содержание лабильных к прогреванию ферментов. Ферментативный потенциал нижних слоев складывается в основной из ферментов лабильных к высушиванию и стабильных к прогреванию. Показано также, что более высокая чем в лессовидном суглинке, ферментативная активность нижних горизонтов насыпного чернозема (рис. 4) обусловлена большим содержанием ферментов} иммобилизованных на органо-минеральных частицах. Шсокая вариабельность содерьжмя лабильных к высушиванию ферментов не позволила выявить различий между вариантами по данному параметру (тай*. Э) »

Определение временной динамики ферментативной активности показало на различный диапазон и направленность месячных колебаний ее уровня в почво-грунтах и ненарушенных черноземах. Наибольшей, изменчивостью характеризуются лабильные к высушиванию ферменты. Однако в периоды резкого изменения общего уровня ферментативной активности менялась активность всех форм ферментов (и лабильных, и стабильных)

Отсутствие динамичных наблюдений за процессом накопления аминокислот н белков на хлопчато-бумажной ткани не позволяет сделать окончательные выводы об интенсивности и характере протекают этого процесса, однако дает возможность диагностировать его наличие по всей глубине насыпного слоя в лессовидной суглинке и насыпном черноземе. '.

. Активность ферментов, катализирующих- разложение Сахаров (ин-вертаза), мочевины (уреаза) и перекиси водорода (каталаза), тесно коррелирует с содержанием гумуса и растворимых органических соединений. Меауцг активностью протеазы и дегидрогеназы - ферментов, по мнению некоторых исследователей имеющих микробное происхожде-

Таблица 3

Активность различных по устойчивости х высушивании и Прогреванию форм фер«ктов в и«нарушенном чернозем* и рекультивированных почво-грунтах (даипые средние за 1902-1993 Г.)

Горизонт, глубока (см) Активность фермента

лабильного к высушиванию лабильного к прогреванию стабильного к прогреванию

II |1П К2 II III К2 II III К2

Кпвертаэа мг глюкозы / I г почвы за [ час

АО * 0-2 Ая 2-4 4-7 А1 7-12 А1 12-32 11,5 14,1 6,6 0,20 0,28 л зт 0 01 0 09 0,21 0,03 0,14 0,01 0,02 0|09 0|П 5,8 6,2 6,3 0,50 0,40 Т о о;об 0,06 0 0 Ы1 0 0 0,22 4,1 4Х 4,9 8:118$ о.*? 8:818:51 8:58

Уреаэа игЫП» / I г почвы за 3 ча ва

АО 0-2 1п 2-4 4-7 А| 7-12 А! 12-32 8,1 2,3 2,9 0,СЗ 0,02 0 то 0 04 0,01 °*10 0,04 0 04 0,03 0 01 0 03 0,03 3,6 3,5 4,3 3,43 0,29 п « 0;04 0^13 °*3& 0,02 0^14 0,19 0,05 0,04 о^го 2,3. 4,9я 2,6 . 0,31 0,46 п ™ О^З 0^5 0'30 б 07 0 20 0,Эб 0103 ОЦб о;г7

Протеаза мг глицниа / I г почвы за 21 час

АО 0-2 д. 2-4 М 4-7 А1 7-12 А1 12-32 . 39,0 40.0 60,0. 2,4 2,5 р т 5:1 И 1д 0,4 0,8 1,0' 12 14 II о,9 3 1 о;г о,б 0,1 0,1 0,2 86 7 9 0,6 0,8 0.8 0,6 0,7 0,8

Катаэаза мл I г почвы I МИН

АО 0-2 Ап 2-4 *Л 4-7 А1 7 12 А1 12-32 II 12 II 1,7 1,2 г. т 1|1 0^8 3*х 0,9 0,6 4,2 0,6 19 3,3 II 14 12 5:1 Ц ** 0,2 0,7 1,3 б о;г 0,6 6 6 б 2.3 3,0 л о 1 5 3 0 4'В 1.4 3 0 4,4 14 32 4 3

II - лессовидный суглииок; III - насыпной чернозем; К2 - непару-шенлыЯ под акацией}

х - здесь кпжже горизонты иеиарушеикого чернозема, соответству-

*

ицив данной глубине

- 19 - -

нив (Купревич, 1966; Петерсон, 1961), и содержанием гумуса корреляция отсутствовала; уровень активности этих ^«рментов в значи» . тельной мере определялся количеством воднораствортлмс органических соединений. Активность всех ■Терментов коррелировала с мислен-ностью микроорганизмов. Однако наблвдение за динамикой уровня >1«Р-ментативной активности й:количеством микробных клеток, даюи^х рост на питательных средах, показало, что направленность их сезонных колебаний не всегда совпадает. Это свидетельствует о сложности и неоднозначности взаимосвязи между численностью микроорганизмов и ферментативной активностью почв.

Енологическая оятивность как диагностический покапатьль биологического и экологического состояния почв рекультивировшпплс территорий у "

Исследования показали, что в отличие от шахтной породы, в которой практически отсутствуют микроорганизмы и ферменты, лессовидный суглинок и насыпной чернозем - биологически активные субстраты, Установлено,„что за 5 лет развития с момента их биологической рекультивации - в почво-грунтах произошли существенные изменения, Отмечено наличие профильной дифференциации свойств в лессовидном суглинке к насыпном черноземе, однако для отдельных показателей характер распределения с глубиной не одинаков. Сформировавшийся аккумулятивный профиль биогенных веществ (гумуса, азота, неспецифических органических соединений) укорочен (0-30 см). В этом же слое отмечены наибольшие морфологические изменения насыпного чернозема и лессовидного суглинка. С другой стороны процесс дифференциации почво-грунтов по характеру и степени'заселенности их микроорганизмами протекает аналогично ненарушенным почвам данного региона. О наличии биологических процессов почвообразования по всему насыпному слою почво-грунтов (0-50 см) свидетельствуют также-сравнительно высокая протеаэная и каталазная активность

нижних слоев лессовидного суглинка и насыпного чернозема (32-52 см), а также наличие здесь процесса накопления.аминокислот и белков на хлопчато-бумажной ткани.

Показано, что в наибольшей мере лессовидный суглинок и насыпной чернозем затронуты почвообразованием на глубину 5 см и в особенности расположенный непосредственно под подстилкой 2 сантиметровый слоя. Содержание микроорганизмов и их метаболитов, структура и состав ферментного комплекса здесь близки к таковому в Ад ненарушенного чернозема. В этом слое происходит наибольший объем микробиологических и биохимических преврав^ений, в частности, практически весь потенциально возможный объем разложения мочевины, сахарозы и дегидрирования органических соединений. Результаты 3-летних наблюдений за уровнем ферментативной активности поч-во-грунтов ( с 5-го по 6-й гада с момента их биологической рекультивации) свидетельствуют о начале стабилизации в них ферментативного потешдеала. О высокой напряженности биохимических к микробиологических процессов в.верхнем слое насыпного чернозема и лессовидного суглинка свидетельствует и высокая степень гуми-фикацки органического вещества.

За 5-8 лет в верхнем слое лессовидного суглинка и насыпного чернозема (2-4 см) количество гумуса приблизилось к уровню, характерно^ для чернозема ненарушенных участков данного региона. Анализ гумусного состояния исследуемых почво-грунтов показал, что на лессовидном суглинке и насыпном черноземе под насаждениями белой акации в условиях СТепной зоны гумусообраэование идет по гуматному типу, что подтверждается данными других исследователей (Ужегова, Иахоника, 1982).

Результат исследования свидетельствуют о важном'значении показателей биологической активности дня диагностики состояния ; почв, формирующихся на участках рекультивации, на ранних этапах

их формирования. Сопряженно» изучение микробиологического и биохимического состояния используемых для рекультивации грунтов и поч-вогрунтов позволяет получить более полную (шфошацию о наличии, глубине и скорости протекания в них биологических процессов почвообразования. Однако для получения этих сведений недостаточно ограничиться лишь определением общего уровня ферментативной активности и численности микроорганизмов. Мы разделяем мнение о необходимости использования системы показателей биохимического и микробиологического состояния почвы (ГЪськова, Звягинцев, 1931), Зожно исследовать групповой состав микрофлоры, ее жизнеспособность, характер распределения в почвенноИ толще. Чуткий индикатор экологических особенностей почв рекультивируемых ландтагов - численность н видовой состав простейших.. Правильно оценить биохимическое состояние молодых почв, понять механизм формирования и функционирования в них ферментного фонда возможно только при полной характеристике уровня ферментов в почве, используя такие показатели, как активность в I г почвы и с учетом объемного веса и глубины горизонта с плоивдыо поверхности I см^» характер профильного распределения ферментного потенциала, величина пространственного и временного варьирования, соотношение активности различных групп Ферментов в почве, устойчивость ферментного комплекса к высушиванию и прогреванию. Перспективно использование полевых методов определения биохимической активности почв, в частности, определение интенсивности накопления белков и аминокислот на хлопчато-бумажной ткани. Ценную информацию дает исследование диапазона и направленности сезонной динамики уровня биохимической и микробиологической активности почв и.их сопряженности с другими свойствами.

Следует подчеркнуть, что использование интегральной системы биопоказателей дает возможность отразить не только современную дологическую ситуацию, но и оценить перспективу развития почв

-23-

восстанавливаемых ландшафтов.

виводц

1. Выявлены особенности морфологических, химических и биологических свойств молодых почв (возраст 5-8 лет), формирующихся на участках лесной рекльтивации Западного Донбасса под насаждениям)! белой акации.

2. Дня почв, формирующихся на лессовидном суглинке и насыпном . черноземе, характерен сильно укороченный морфологический профиль, а также выраженный резко убываоций укороченный профиль биогенных веществ (iynyca, азота, неспеци$нческих органических соединений).

3. В верхнем 2 сантиметровом слое минеральной толщи лессовидного суглинка и насыпного чернозема содержание гумуса за 5 лет приблизилось к уровню, характерному для ненарушенного чернозема данного региона, увеличившись влессовидном суглинке в 7,7 раз, а в насыпном черноземе в 1,6 раз, Гумусообразование в лессовидном суглинке и насыпном.черноземе в условиях степной зоны под насаждениями белой акации идет по гуматному типу.

4. По сумме биопоказателей, характериэующих биохимическое и микробиологическое состояние почво-грунтов и грунтов на участках ре культивации, установлено, что насыпной чернозем и лессовидный суглинок - биологически активные субстраты. В шахтной породе практически отсутствуют микроорганизмы'и их метаболита.

5. Определен уровень активности и специфика строения ферментного комплекса в почвах, форыиругацихся на насыпном черноземе и лессовидном суглинке* Установлено наличие отдельных групп ферментов по всей глубине насыпного слоя. Высоким, не меньшим , чем в ненарушенном черноземе, ферментативным потенциалом и сформиро-ванностью* ферментного комплекса характеризуемся подстилка и расположенный под "ней 2 сантиметровый слой минеральной толщи. Основной объем потенциальных ферментативных превращений происходит

в верхнем 30 сантиметровом слое, в котором сосредоточено от 60 до 90* ферментов. Важная особенность лессовидного суглинка и насыпного чернозема - отсутствие или низкий уровень активности лабильных к прогреванию (внутриклеточных) ферментов уже на глубине ниже 10 см* Исследованные почво-грунты различаются по соотношению в них отдельных групп ферментов. Процесс накопления ферментативного белка в период исследования находился на стадии стабилизации.

6. Процесс профильной дифференциации почво-грунтов по хчракте-

•

ру и степени заселенности их микроорганизмами протекает аналогично ненарушенным почвам. В лессовидном суглинке и насыпном черноземе , как и в ненарушенном черноземе, преобладает бактериальная микрофлора. 8ажнуп роль в формировании микробного сообщества, наряду о аммонификатерами, играют олигонитрофильные микрорганиэ-мы и микроорганизмы, усваивающие азот из рассеянного состояния. Лессовидный суглинок и насыпной чернозем характеризуются высокой обогащенностью верхнего 10 сантиметрового слоя простейшими и больший, чем в ненарушенном черноземе, их видовым разнообразием.

7. Диапазон и направленность месячных колебаний уровня ферментативной активности к численности микрорганизиов в исследуемых почвах не всегда совпадает, несмотря на наличие корреляции между етими параметрами. Уровень ферментативной активности тесно коррелировал с содержанием растворимых органических соединений в почве. С содержанием гумуса наличие линейной корреляционной связи установлено лишь для инвертаэы, уреазн и каталазы.

' В. Предложена'система биопокаэателей, позволяющая отразить специфику и глубицу протекания биологических процессов почвообразования в почвах рекультивируемых ландшафтов на ранних этапах их развития и оценить состояние этих почв.

По материалам диссертации опубликованы следующие работы: ,

I. К оценке лес о растите лышх свойств рекультивируемых земель

по их биологической активности. Сб,";Ликроорганиэмы как компонент биогеозеноза", Алма-Ата, 1982, с.109-НО (d соавторстве).

2. Проблема биологи чес ко активности рекультивируемых почв Западного Донбасса. Сб."Бшгеоценотические исследования степных лесов, их охрлна и рациональное использование", Днепропетровск, 1902, с.104-113. (в соавторстве).

3. Сравненитольная оценка биологической активности рекультивируемых земель Западного Донбасса. Тез.докл. Dceсоюз.школе "Ши-лпие иромщц, предпр. на окружающую среду.",Цущино, 1984, с,157-IiiQ (в соавторстве).

Л. Особенности биологической активности подстилки в белоакаци-евых насаждениях на естественных и рекультивируемых почвах Приса-трья. Сб."Benросы степного лесоведения и научные основы лесной рекультивации яемель." Днепропетровск, 1985 , с.63-70 ( в соавторстве) .

5.* Микрофлора как диагностический показатель биологической активности почв рекультирируемих ландшафтов Западного Донбасса. Об. "III Всесоюзн. научная коиф.: Микроорганизмы в сельском хозяйстве", 1978, Москва, t в соавторстве).

6. Примеиение биологических методов для диагностики рекультивируемых почв Западного Донбасса. Тез.Докл. "II Делегатский съезд почвоведов и агрохимиков Украинской ССР", Харьков, 1986,

с, IIO-III Се соавторстве).

7. дологические индикаторы почвенных условий. Тез.Докл. Всесоюзн. научгюго совещания " Лзйдпгафтная. индикация для рационального использовашя природных ресурсов", Москва, МГУ, 1986, с.77-79 (в соавторстве), . ^

Савяо * вабор 29.08,87 Пошшевяо » пиать 28.05.87 * Л- 47390

Формат 60*90 1/16 Печать офмтяа* &тм.ефс._

Усп.печл.1,5 Усл-кр.-отт, 1,62 Уч.-вмьл. 1Дв

Tip. 1,00 «э- За*. 4548

Проязв 0ЦБТ1«|01»1Ц*П пьсив кшбхшт ВИНИГГИ

140010, Любераы 10,Мос*с*с*°* обл., .

ОхтяСрьсмй щмшоожт, 40Э