Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Ферментативная активность и гумусное состояние почв в придельтовой части реки Селенги

ВАК РФ 03.00.27, Почвоведение

Автореферат диссертации по теме "Ферментативная активность и гумусное состояние почв в придельтовой части реки Селенги"

БАЛДАНОВ Нимбу Доржижапович

ФЕРМЕНТАТИВНАЯ АКТИВНОСТЬ И ГУМУСНОЕ СОСТОЯНИЕ ПОЧВ В ПРИДЕЛЬТОВОЙ ЧАСТИ Р. СЕЛЕНГИ

Специальность 03.00.27 - почвоведение

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

□0305Э100

003059100

Б АЛ ДЛ НОВ Нимбу Доржижапович

ФЕРМЕНТАТИВНАЯ АКТИВНОСТЬ И ГУМУСНОЕ СОСТОЯНИЕ ПОЧВ В ПРИДЕЛЬТОВОЙ ЧАСТИ Р. СЕЛЕНГИ

Специальность 03.00.2 7 - почвоведение

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Работа выполнена в Институте общей и экспериментальной биологии СО РАН

Научный руководитель

— д-р с -х наук, проф Чимитдоржиева Галина Доржиевна

Официальные оппоненты

- д-р биол наук

Меркушева Мария Григорьевна

— канд биол наук, проф. Корсунова Татьяна Михайловна

Ведущая организация - ФГОУ ВПО «Бурятский

государственный университет»

Защита диссертации состоится 29 мая 2007 г в «_» час на

заседании диссертационного совета Д 003 028 01 в Институте общей и экспериментальной биологии СО РАН по адресу 670047, г Улан-Удэ, ул Сахьяновой, 6, E-mail ioeb@bsc buryatia ru Факс (3012)433034 Сайт в Интернете www igaeb bol ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Бурятского научного центра СО РАН

Автореферат разослан апреля 2007 г

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор биологических наук

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность. Органическое вещество и оптимальный гумусовый режим являются одной из фундаментальных и прикладных проблем почвоведения и земледелия Гумус обеспечивает растения необходимыми макро- и микроэлементами, регулирует физические и биологические свойства почвы, выполняет почвозащитную, энергетическую и экологическую функции и является главным фактором формирования почвенного плодородия Каждый тип почвы характеризуется определенными параметрами содержания и состава гумуса, которые зависят от зональных особенностей почвообразования В пахотных почвах отмечается существенное изменение содержания гумуса и его качественного состава, оказывающее значительное влияние на ход почвенных процессов и, в первую очередь, на гумусообразование и биологическую активность

Ферментативная активность - важное генетическое свойство почвы Состояние ферментов в почве и их роль в почвообразовании определяется экологическими условиями Поэтому имеется прямая связь ферментативной активности с факторами почвообразования Она свидетельствует об интенсивности и направленности почвообразовательных процессов, изменении почв в результате естественных и антропогенных факторов Однако изученность современного гумусно-го состояния и ферментативной активности пахотных и сенокосных почв разного генезиса в придельтовой части р Селенги крайне мала Имеющиеся данные по гумусному составу, характеристике микробо-ценозов и их активности относятся к целинным почвам (Абашеева, Мсркушева, 1996, Шахматова, 2004, Болонева, 2006)

Цель работы - изучить количественно-качественный состав гумуса, в т.ч химическую структуру гуминовых кислот, выявить основные закономерности и особенности ферментативной активности почв в пахотных и сенокосных почвах придельтовой части р Селенги.

Задачи исследований:

1) Изучить гумусное состояние почв и факторы, его обуславливающие,

2) Определить численность и структуру микробоценозов,

3) Дать оценку содержания гидролаз и оксиредуктаз и выявить уровень их активности в динамике,

4) Охарактеризовать структуру гуминовых кислот

Научная новизна. Получены новые данные современного состояния гумусного фонда почв придельтовой части дельты р Селенги,

находящихся в разной степени и длительности агроэкологического и антропогенного воздействия Впервые установлена численность и состав микрободенозов, определена ферментативная активность почв в динамике и дана оценка насыщенности почв микроорганизмами и ферментами Также впервые изучена химическая структура макромолекулы препаратов ГК и выявлена их устойчивость к нагрузкам антропогенного характера

Защищаемые положении

1. Интенсивность ферментативной активности почв придельто-вой части р. Селенги обусловлена разными размерами накопления гумуса, его составом, обогащенностью почв микроорганизмами и экологическими факторами почвообразования

2 Устойчивость гумусного состояния аллювиальной луговой и лугово-болотной почв обусловлена химической структурой макромолекулы ГК

Теоретическая и практическая значимость. Оценка фермен гативной активности почв, состав микробоценозов позволяют предложить системный подход к разработке способов повышения плодородия агрофитоценозов на серых лесных почвах и сохранению биопродуктивности аллювиальных луговых и лугово-болотных почв

Химическая структура макромолекулы ГК, и степень биологической активности служат основой экологической оценки устойчивое [ и почв к нагрузкам и могут быть применены для практических рекомендаций по землепользованию придельтовой части р Селенги

Апробация работы. Результаты исследований докладывались и обсуждались на X Международной конференции студентов и аспирантов «Ломоносов-2003» (Москва, 2003), научно-методической конференции «Экологическое образование для сохранения биоразнообразия» (Барнаул, 2003), IX съезде Докучаевского общества почвоведов «Почвы - национальное достояние России» (Новосибирск, 2004), международной конференции «Научные основы сохранения водосборных бассейнов междисциплинарные подходы к управлению природными ресурсами» (Улан-Удэ, 2004), международной конференции «Основные факторы и закономерности формирования дельт и их роль в функционировании водно-болотных экосистем в различных ландшафтных зонах» (Улан-Удэ, 2005)

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 работ Объем и структура работы. Диссертация изложена на 136 страницах компьютерного текста, состоит из введения, 6 глав, выво-

дов, списка литературы, включающего 197 наименований, в том числе 17 на иностранном языке Содержит 15 таблиц, 47 рисунков

Личный вклад автора. Диссертационная работа является обобщением личных материалов, собранных в результате полевых исследований 2002-2004 гг в соответствии с междисциплинарным интеграционным проектом №99 СО РАН - «Анализ и моделирование трансформации вещества в системе "Река Селенга — дельта - озеро Байкал"» в Институте общей и экспериментальной биологии СО РАН

Глава 1. Природные условия придсльтовой части р. Селенги

В главе дана характеристика основных факторов почвообразования в придельтовой части р Селенги рельефа, почвообразующих пород, климата и растительности

Глава 2. Объекты и методы исследования

Объекты исследований - серые лесные неоподзоленные и аллю-вигшьные луговые почвы под пашней, лугово-болотные - под сенокосом, а также препараты гуминовых кислот (ГК), выделенные из аллю-вигшьных луговых и лугово-болотных почв

Физико-химические показатели почв определены общепринятыми методами (Агрохимические методы , 1975); содержание Сорг— ме годом Тюрина, в модификации Никитина, азот общий - по Къель-далю, групповой и фракционный состав гумуса - по Пономаревой-Плотниковой Гумусное состояние - по Д С Орлову и др (2004)

Для характеристики гуминовых кислот (ГК) аллювиальных луговых и лугово-болотных почв были выделены препараты ГК по методике Л А Гришиной и Д С. Орлова (1981) В препаратах ГК исследовали элементный состав на автоматическом элементном анализаторе «CHN» фирмы Perkin Elmer, инфракрасные спектры поглощения в об пасти 4000-500 см"1 на инфракрасном спектрофотометре «ISF-25», спектры ядерно-магнитного резонанса 13С-ЯМР были сняты на спектрофотометре DRX-500 в ИОХ СО РАН (Новосибирска) Общее содержание кислых функциональных групп определяли по методу А Ф Драгуновой (1957), карбоксильных групп - по Т А Кухаренко (1968) Количество фенольных гидроксилов рассчитывали по разности

Микробиологические исследования проводились по общепринятым методам (Звягинцев и др , 1980) Использовали следующие питательные среды общее микробное число - МПА, актиномицеты — КАА, грибы — среда Чапека

Содержание ферментов определяли- каталазу - газометрически, уреазу и дегидрогеназу - колориметрически по А Ш Галстяну (Хази-ев, 1990, 2005) Интенсивность разложения целлюлозы в природных условиях определялась аппликационным методом (Востров, Петрова, 1961).

Учет надземной и корневой массы в слое 0-20 см проведен по Панковой (1975) Полученные данные обработаны методами математической статистики (Доспехов, 1979)

Глава 3. Гумусное состояние почв Серые лесные неоподзоленпые почвы формируются в лесостепной зоне на высотах 500-900 мм на склонах и шлейфах внутри- и межгорных котловин, на водоразделах плоских хребтов и на террасах высокого уровня Состав почвообразующих пород весьма неоднороден, представлен элюво-делювием, мощными толщами песка аллювиального, озерного и эолового происхождения, делювиально-пролювиальными суглинками, встречаются карбонатные и некарбо-нагные породы Почвы чаще среднесуглинистые, но встречаются и супесчаные разности Количество илистой фракции в них от 16 до 32 % Реакция почвенной среды близка к нейтральной Содержание гумуса в целинных почвах варьирует от 3 до 5 %, в пахотных почвах - 22,5 %, а в подверженных дефляции, оно не превышает 1-1,5 % (Иши-генов, 1972)

Количество гумуса в исследуемой старопахотной серой лесной почве, используемой преимущественно под монокультуру пшеницы, составляет 2,21 %, а запасы его в 0-20 см слое равны 19,8, в 0-50 см -64 т/га, т е они обладают невысоким потенциальным плодородием

Биопродуктивность этих почв низкая - 46 ц/га сухой фитомассы, из которых 14,6 ц приходится на надземную и 31,4 ц - подземную Химический состав растительных остатков пшеницы, как правило, обеднен биофильными элементами (Чимитдоржиева, 1990), что не способствует образованию углеродсодержащих соединений

Тип гумуса в пахотном горизонте носит фульватно-гуматный характер, в подпахотном - гуматно-фульватный (табл 1) Степень гумификации высокая, гумус слабо обогащен азотом (С N = 11,7) Содержание ГК-1 очень низкое, ГК-2 - среднее, ГК-3 - высокое

Аллювиальные луговые почвы расположены преимущественно в центральной части пойм и развиваются при нормальном атмо-сферно-грунтовом увлажнении, обладают относительно благоприят-

ными физическими, водно-физическими, физико-химическими свойствами Гранулометрический состав преимущественно средне- и легкосуглинистый, реакция среды - слабощелочная, при наличии карбонатов переходящая в щелочную Для них характерно высокое содержание обменных катионов, относительно благоприятный водный режим (Убугунов, 1995)

Содержание гумуса в почве равно 7,0 % и его запасы составляют в слое 0-20 см - 96,6, в 0-50 - 215 и 0-100- 264 т/га Тип гумуса гуматный и степень гумификации очень высокая (табл 1) Содержание ГК-1 крайне низкое, ГК-2 - очень высокое, ГК-3 - среднее, обо-гащенность гумуса азотом - низкая Биопродуктивность почв с общими запасами сухой фитомассы вико-овсяной смеси 66,5 ц/га и с соотношением надземной к подземной (1 1) свидетельствует о благоприятных условиях произрастания растений

Таблица 1 Фракционный состав гумуса в почвах, к Собщ.

Гори зонт, Собщ % ГК 1 ГК 2 ГК 3 I ФК 1а ФК 1 ФК 2 ФК 3 I с Сфк Но

см

Серая лесная

Ап 0-20 1,28 5,9 20,7 8,6 35,2 5,4 2,0 15,1 8,6 31,1 1,13 33,7

Ап/п 22-30 1,39 5,0 17,3 7,9 30,2 4,3 2,9 15,8 7,9 30,9 0,98 38,9

Аллювиальная луговая

А„ 0-22 4,04 2,9 41,9 5,7 50,5 2,9 2,6 15,0 4,7 25,2 2,0 24,3

Ап/п 22-30 4,12 3,0 42,6 5,8 51,4 2,9 3,6 8,6 9,2 24,3 2,18 24,3

Лугово-болотная

А 0-19 2,43 7,8 15,2 16 9 39,9 4,9 7,9 14,0 4,0 30,8 1,29 29,3

АВ 19-27 0,47 3,6 9,2 8,5 21,3 2,1 0,7 20,5 4,3 27,6 0,77 51,1

Лугово-болотные почвы формируются на периферической части дельты, прибрежной полосе болотных массивов, на которых застаиваются выклинивающиеся внутрипочвенные воды или воды, подпираемые руслом Застойное переувлажнение обусловлено мерзлотой, которая выполняет роль водоупора Органогенный горизонт состоит из слабо деструктурированных злаков и осок, под ним обычно расположен перегнойный горизонт Гранулометрический состав почв изме-

няется от песчаного до легкосуглинистого, реакция среды - от кислой до щелочной Большинство же почв имеет нейтральную и щелочную реакцию В составе обменных катионов доминирует Са+2

Содержание гумуса в лугово-болотной почве составляет 4,2 % и с глубиной резко снижается Столь низкое содержание гумуса связано с супесчано-песчаным грануломегрическим составом почв и интенсивными минерализационными процессами в них Запасы его равны в слое 0-20 см — 140,3, в слое 0-100 см - 322 т/га, что оценивается средними показателями

Тип гумуса фульватно-гуматный, и степень гумификации высокая В составе гумусовых кислот содержание фракции ГК-1 очень низкое, ГК-2 - низкое и ГК-3 - высокое Обогащенность гумуса азотом низкая (табл 1) Фитомасса трав злаково-осокового сообщества, произрастающих на этих почвах составляет 166,0 ц/га, подземная фитомасса в пять раз превышает надземную

Глава 4. Микробоценозы почв

Для характеристики типа почвы показательны не общее число микроорганизмов, а их групповой и видовой состав Специфику зональных типов почв определяет также содержание спорообразующих бактерий и актиномицетов В соответствии с экологическими условиями, растительным покровом и физико-химическими свойствами формируется микробное сообщество, характерное для конкретного типа почв (Гришина, 1986) Для почв Забайкалья свойственны маломощность микробиологического профиля, сконцентрированность микроорганизмов в верхнем слое и резкий спад населенности ими по профилю почв, что определяет пространственную ограниченность микробиологических и биохимических процессов образования элементов корневого питания растений Микробиологические и биохимические показатели почв, лежащие в основе их потенциального плодородия, значительно ниже, а параметры их колебаний выше по сравнению с аналогичными типами почв других территорий, что предопределяет нестабильный уровень потенциального плодородия Наряду с общими микробиологическими показателями почв отличия и контрасты параметров почвенного климата отдельных типов почв накладывают специфические особенности на микробиологические процессы, протекающие в этих почвах (Нимаева, 1992)

Несмотря на разные показатели общей численности микроорганизмов, группового состава и содержания их в гумусе изученных ав-

томорфных и гидроморфных почв, обогащенность их микроорганизмами, по градации Звягинцева (1978), на органических источниках питания оценивается как средняя, на минеральных источниках питания преимущественно бедная и очень бедная (табл 2)

Таблица 2 Численность и состав микробоцеиозов в почвах, слой 0-20 см,

Почва Общее чис- Бак- Акти- Гри- КАА Содержание

ло, КОЕ, те- номи- бы МПА микроорга-

п 106/1 г рии цеты низмов в гу-

почвы % от общего числа мусе, млн/г

Серая лесная 9,3 39,9 59,3 0,8 1,5 442,8

Аллювиаль- 8,1 46,6 52,7 0,6 1,1 115,7

ная луговая

Лугово- 6,6 55,8 43,7 0,5 0,8 157,1

болотная

Коэффициент минерализации КАЛ МПА снижается с увеличением увлажнения почв, с повышением содержания гумуса Следует отметить, что в 1 г гумуса старопахотной серой лесной почвы значительно количество микроорганизмов, что свидетельствует об интенсивной минерализации гумуса, недостаточной обеспеченности почвы элементами минерального питания, а также о малых размерах ежегодно поступающих в почву растительных остатков неблагоприятного химического состава (монокультура пшеницы) Например, в целинных серых лесных почвах под травяной растительностью содержание микроорганизмов составляет 100 млн/1 г гумуса (Меркушева, 2006),

Глава 5. Ферментативная активность

В основе почвообразовательных процессов лежит биологическая трансформация веществ и энергии, катализаторами которой являются накопленные в почве и поступающие в нее из живых организмов ферменты, определяющие уникальное свойство почвы - ферментативную активность Почвенные ферменты, участвуя в наиболее важнейших биологических циклах углерода, азота, фосфора, серы и других органогенных элементов, определяют направление и степень выраженности почвообразовательного процесса, контролируют эволюцию почвы, уровень плодородия, характеризуют степень нарушения агроэкоси-стем под влиянием естественных и антропогенных факторов

Целлюлозолитическая активность. Целлюлоза является наиболее распространенным органическим соединением углерода в природе Разложение целлюлозы микроорганизмами, интенсивность и особенности этого процесса определяют специфику гумификации и минерализации органического вещества почвы

В изучаемых почвах, как и в других почвах Забайкалья, разложение целлюлозы осуществляется весьма неравномерно, что обусловлено малой численностью, бедным видовым составом целлюлозоли-тиков (Нимаева, 1979)

Вегетационный период 2002 г был умеренно влажным и теплым, что привело к активному разложению целлюлозы в серой лесной почве - 38,2 %, аллювиальной луговой - 53,8, и в лугово-болотной - 34,6 % Между целлюлозолитической активностью и температурой почв выявлена тесная положительная корреляционная свя[зь, (г=0,87-1,0) Такая же связь отмечена и с влажностью почв (г-0,69-1,0)

Погодные условия 2003 г характеризовались засушливостью Оценивая интенсивность деструкции целлюлозы в гумусово-аккумулятивном слое почв, можно констатировать, что во всех почвах в результате иссушения интенсивность ее разрушения понизилась более чем в 5-10 раз по сравнению с 2002 г Даже в лугово-болотной почве интенсивность разложения целлюлозы была на уровне серых лесных почв — 4,4 % Показатель целлюлозолитической активности в 2004 г был на уровне засушливого 2003 г.

Таким образом, активность разложения целлюлозы в серой лесной почве за вегетационный период низкая, в среднем составляет 21,2 %, что обусловлено незначительным содержанием гумуса. В лугово-болотной почве невысокие показатели целлюлозолитической активно-стй (12,6 %) являются результатом повышенной увлажненности почв, что приводит к снижению интенсивности микробиологических процессов и неполному разложению растительных остатков

Целлюлозолитическая активность исследованных почв в разные годы в зависимости от складывающихся климатических условий, характеризовалась большой динамичностью в соответствии со свойствами и режимами почв

Из многочисленных ферментов почвы, умствующих в самых различных процессах превращений органическ х и минеральных веществ, изучены в динамике активность дегидрогеназы, каталазы и уреазы Выбор этих ферментов обусловлен высокой их чувствитель-

ностью к внешним воздействиям и значимостью в трансформации органического вещества,

Дегндрогеназная активность за все сроки наблюдений имела наименьшие показатели в середине вегетационного периода и увеличивалась к его концу (рис. 1). Между активностью дегидрогеназы и температурой почв обнаруживается тесная отрицательная коррелятивная связь (г = -0,90). Между дегидрогеназой и гумусом - положительная (г — 0,83-0,98).

и - Серая лесная ■ - Аллювиальная луговая - Лугово-болоткая

I 2 3

Рис. I. Дегндрогеназная активность почв: Усл. обозн. здесь и далее: 1 - 2002 г.; 2 - 2003 г.; 3 - 2004 г.

Активность дегидрогеназы по усредненным данным (200220041т), согласно градациям обогащенности почв ферментами (Звягинцев, 1978), оценивается в лугово-болотных и аллювиальных луговых почвах как средняя, а в серых лесных пахотных - как бедная.

Каталазиан активность за вегетационный период 2002 г, в аллювиальной луговой почве имеет прямую коррелятивную связь с температурным режимом почв (г = 0,90) (рис. 2). 'Го же самое отмечается и и серой лесной почве (г = 0,98).

й - Серая лесная ■ - Аллювиальная луговая - Луга во-болотная

1 2 3

Рис. 2. Каталазиан активность почв

В лугово-бологной почве динамика активности катал азы во все периоды наблюдения имела скачкообразный характер, т.е. активность катал азы резко увеличивалась в сентябре, возможно, это связано с увеличением влажности в конце вегетационного периода. Катал азная активность хорошо коррелирует е гумусом, (г = 0,62-0,75).

Почиы придельтовой части реки Селенги имеют низкий уровень каталазной активности в сопоставлении с почвами Западной Сибири (Славнина и др., 1987) и по шкале Д.Г. Звягинцева (1978), лугово-бодотные и аллювиальные Луговые почвы оцениваются как средне обогащенные, а серая лесная почва - как бедная.

Уреазная активность в исследованных почвах невысокая. Наибольшая активность ее огмечаегся в верхнем слое (0-20 см) с постепенным снижением вниз по профилю, соответственно уменьшению гумуса и азота (рис, 3). Во всех трех типах, почв уреазная активность г динамике за вегетационный период имела скачкообразный характер. Количество уреазы в аллювиальной луговой и лугово-болотной почве в 2002 г. за вегетационный период составило 1,8 и 1,54 мг МНз(г/24ч), что превышает ее содержание в серой лесной почве (0,85 мг). Такая же закономерность, т.е. относительно высокая активность у ре азы в аллювиальной луговой и лугово-болотной почвах в сравнении с серой лесной, выявлена и в последующие гады, что обусловлено высоким содержанием гумуса в гидроморфных почвах. Уреазная активность тесно коррелирует как с азотом, где г = 0,89-0,95, так и с гумусом г = 0,87-0,94 и с влажностью почв, где г =0,94-0,99.

и

I

/Г

5

$3 - Серая лесная ■ - Аллювиальная луговая - Лугово-болотная

1 2 3

Рис. 3, Уреазная активность почв

Уреазная активность и серых лесных почвах низкая, в аллювиальных луговых и лугово-болотных почвах придельтовой части р. Селенги - средняя.

Глава 6. Характеристика гуминовых кислот аллювиальной луговой и лугово-болотной почв

ГК определяют плодородие почвы, устойчивость к разрушительным воздействиям, ее протекторные и экологические функции (Орлов, 1974) Основные сведения об элементном составе ГК почв многих районов России и мира обобщены Д С Орловым (1974, 1990), для почв Западной Сибири - Б М Кленовым (1976, 1981, 2000) и В И Убоговым (1^)74) В Забайкалье изучены ГК почв лугово-черноземных мерзлотных (Вишнякова, 1999), каштановых (Цыбикова, 2004), черноземов (Аюрова, 2005), дерновых лесных и луговых (Мильхеев, 2006)

Элементный состав гумусовых веществ - важнейший диагностический признак при выделении почвенных ГК в особый класс соединений Он является отражением условий почвообразования и зависит в первую очередь от химического состава разлагающихся растительных остатков и условий гумификации

Данные элементного состава показывают, что гуминовые кислоты лугово-болотной почвы содержат меньше углерода по сравнению с ГК аллювиальной луговой почвы (табл 3) Среднее содержание углерода в ГК аллювиальной луговой и лугово-болотной почвы составляет соответственно 56,2 и 53,65 %

Таблица 3 Элементный состав ГК

Почва С Н N О Атомные отношения Степень бензо- идности, % Степень окислен-ности

НС ОС CN

Аллювиальная луговая 56,2 43,8 3j5. 32,3 ЗА 2,4 36,7 21,1 0,73 0,49 18,13 37 0,24

Лугово-болотная 53 6 41,1 L2 33,9 3,35 2,2 39,3 22,6 0,82 0,54 18,66 28 0,27

Примечание Над чертой - в массовых %, под чертой - в атомных %

По данным разных авторов (Бильдебаева, 1977, Кленов, 2000), эта величина в аналогичных почвах европейской части России, Западной Сибири составляет 54,5-55,5 %, т е количество углерода в ГК аллювиальной луговой почве немного больше, а в лугово-болотной, напротив, меньше Содержание водорода в препаратах ГК меньше в

сравнении с почвами других регионов и составляет по нашим данным в аллювиальной луговой - 3,5 % а в лугово-болотной почве 3,7 % Количество азота в препаратах ГК аллювиальной луговой и лугово-болотной почв равно 3,6 и 3,3 % соответственно, кислорода - 36,7 и 39,3 %

Содержание кислорода в ГК аллювиальной луговой - 36,7 %, лугово-болотной почвы составляет 39,3 % Величины элементов в массовых долях для исследуемых ГК почв находятся в пределах, свойственных данной группе соединений Однако, представление о среднем элементном составе гуминовых кислот существенно изменяется, если его выразить в атомных процентах (табл 3) При этом отчетливо выявляется особый вклад водорода в построение молекул гуминовых кислот, содержание которого составляет 32 % в аллювиальной луговой и 34 - в лугово-болотной почвах, в то время как на атом углерода приходится 44 и 41 % соответственно от общего числа атомов Это указывает на относительную развитость боковых алифатических цепей Доля атомов азота находится на уровне 2,2-2,4 %

Исследуемые ГК почв характеризуются высокой степенью бен-зоидности и в среднем имеют значения 37 и 28 % для ГК аллювиальной луговой и лугово-болотной почв соответственно (табл 3)

Таким образом, элементный состав гуминовых кислот аллювиальной луговой и лугово-болотной почвы придельтовой части р Селенги сходен с аналогичными типами почв Западной Сибири

Функциональные группы. Суммарное содержание кислых функциональных групп колеблется в пределах, характерных для этой группы соединений и составляет 775 и 828 мг-экв/100 г в ГК аллювиальной луговой и лугово-болотной почв соответственно Гуминовые кислоты лугово-болотной почвы содержат большее количество кислых функциональных групп, что согласуется с данными степени окисле нности препаратов (табл 3)

Содержание карбоксильных групп, или емкости поглощения I у-миновых кислот, составляет 435 мг-экв/100 г в препарате ГК лугово-болотной почвы и 504 - в аллювиальной луговой, а количество фе-нольных гидроксилов, найденное по разности, - 393 и 271 мг-экв/100 г соответственно ГК аллювиальной луговой и лугово-болотной почвы имеют высокую степень окисленности, следствием чего является высокое содержание кислых функциональных групп Это объясняется спецификой условий гумусообразования в почвах придельтовой части р Селенги, степенью зрелости гуминовых кислот, а также химиче-

ским составом растительных сообществ

Данные анализа функциональных групп свидетельствуют о том, что степень реакционной способности и адсорбционных свойств ГК исследуемых почв высока и находится на уровне аналогичных, почв Западной Сибири, что имеет большое экологическое значение для придельтовой территории р Селенги, как природного адсорбента загрязнителей, поступающих как воздушным, так и водным путями

Инфракраспые спектры поглощения. Наибольшая интенсивность поглощения в изученных спектрах наблюдается в 1750-1600 см"1, что вызвано влиянием важнейших атомных группировок ГК, таких как карбоксильные и амидные группы, ароматические С=С Валентные колебания карбонильной группы в составе кетонов, альдегидов и карбоновых кислот проявляются с максимумом около 1715 см"1 Интенсивность этой полосы согласуется с данными о высоком содержании карбоксильных групп в исследуемых препаратах Деформационные колебания карбоксильной группы определяют сильное поглощение с максимумами 1236 и 1225 см'1 в ГК аллювиальных луговых и лугово-болотных почв соответственно Причем интенсивность полос поглощения карбоксилов выше в спектре первых, содержащих большее количество этих групп

Полосы поглощения валентных колебаний ароматических двойных связей С=С при 1610 см"1 проявляются в спектрах ГК изучаемых почв четко и интенсивно, что согласуется с данными элементного состава и является доказательством значительного количества бензоид-ных фрагментов Обычно в спектрах ГК присутствует вторая полоса при 1510 см"1, которая в сочетании с первой свидетельствует о присутствии ароматических компонентов, но в полученных спектрах она не выявлена

Полосы поглощения амидных групп при 1650-1640 и 1550-1640 см"1 четко не выражены. Вероятно, они перекрываются более сильным поглощением ароматических структур, что свидетельствует о незначительном количестве азота и содержащих его фрагментов, таких как азотсодержащие гетероциклы, полипептиды и аминокислоты в препаратах. Первая из них может входить как составная в полосу при 1610 см"1 (рис 4).

4000 ' ' ' ' ЭООО ' ' ' 2000 tcicc ' ' ' '

WSvtr»un.bet lern 1>

Рис 4 ИК-спектры гуминовых кислот почв 1- аллювиальная луговая, 2- лугово-болотная

В длинноволновой области 1100-1000 см"1 присутствует слабое поглощение при 1035 см"1, относимое к первичным спиртовым гидро-ксилам, которое характерно для углеводов В спектре ГК лугово-болотной почвы, содержащей большее количество зольных элементов, присутствует сильная полоса при 1100 см"1 и несколько слабых и срёдних полос в области волновых чисел менее 1000 см-1, которые относятся к минеральным примесям, поскольку гуминовые Кислоты не обладают заметным поглощением в этом интервале частот В этой области сильные и широкие полосы образуют все глинистые минералы и другие минеральные примеси, присутствующие в гуминовых кислотах Поэтому ей придается ограниченное значение

В целом, ИК-спектры ГК аллювиальной луговой и лугово-болотной почв очень схожи, что еще раз подтверждает однотипность строения гуминовых кислот, сформированных в различных условиях В спектре первых почв с большей интенсивностью выражены полосы поглощения карбоксильных групп и меньшей — зольных элементов

По совокупности и интенсивности полос поглощения ИК - спектров ГК можно сделать вывод, что в ГК аллювиальных луговых и лу-

гово-болотных почв хорошо развиты ароматические азотсодержащие конденсированные структуры ядерной части молекулы, полосы поглощения алифатических фрагментов выражены слабее, значительно содержание карбоксильных групп

Использование метода 13С-ЯМР спектроскопии дает возможность охарактеризовать структурные особенности макромолекул I К Данные количественного анализа структурных фрагментов молекул гуминовых кислот выявили значительную долю атомов углерода ароматических компонентов, которые составили по нашим расчетам 66,9 % в ГК аллювиальной луговой и 64,8 - в лугово-болотном вариантах Присутствие ароматических структур в спектрах ГК почв доказывают широкие и наиболее сильные сигналы в диапазоне 90-165 ррт с пиками 128,510и 128,119 ррт для препаратов ГК аллювиальных луговых и лугово-болотных соответственно (рис 5)

2

Рис 5 Спектры 13С-ЯМР гуминовых кислот почв 1-аллювиальной луговой, 2-лугово-болотной

Наличие алифатических фрагментов в макромолекулах ГК подтверждается резонансными сигналами атомов углерода в диапазоне от О до 95 ррш Эти сигналы менее интенсивны по сравнению с таковыми ароматических фрагментов. При этом в спектрах ЯМР в области 045 ррш отмечаются узкие и сильные сигналы алифатического углерода в виде углерода алкилов (-СН, СНг и СНз - группы), с максимумами 30,229 ррш и 30,051 ррш для препаратов ГК аллювиальных луговых и лугово-болотных почв соответственно.

В диапазоне 45-65 ррш спектра ГК лугово-болотных почв обнаружен довольно сильный сигнал с пиками 55,719 и 61,328 ррш, который можно отнести на счет С аминогрупп и 0-СН3 структур (меток-сильная группа), количественное содержание которого составляет 8,4 %(табл 4)

В целом диапазон алифатического углерода в ГК аллювиальных луговых и лугово-болотных почв характеризуется невысокой интенсивностью и отсутствием сильных сигналов по сравнению с углеродом ароматической части Это свидетельствует о большом вкладе углерода ароматической части в построении макромолекулы гуминовых кислот исследуемых почв

По содержанию углерода хиноидных структур и карбонильных групп альдегидов и кетонов в препаратах ГК существенных различий не обнаружено

Таблица 4 Содержание молекулярных фрагментов гуминовых кислот, %

Почва Химический сдвиг, ррш £ аром Е алиф Ароматич ность, %

0-45 4565 6595 95160 160185 185200 1 2

Аллювиальная луговая 12,3 6,5 8,5 55,1 15,5 2,1 2,0 66,9 55

Лугово-болотная 12,6 8,4 8,1 53,7 17,2 1,8 64,8 54

Примечание 1 - расчеты по Чукову (2001), 2 - по Калабину (2000)

Для стандартизации количественных характеристик макромолекул ГК в качестве формального показателя удобно использовать соотношение углерода ароматических структур к углероду алифатических цепей 2 аром/2 алиф (Чуков, 2001)

В этом случае сигналы углерода ароматических структур мы фиксировали и суммировали в областях 95-160 ррш, а алифатических

18

структур — в областях 0-95 ррш Результаты показали, что это отношение выше в препарате ГК аллювиальных луговых почв и согласуются с результатами определения степени бензоидности, а также вычисления ароматичности, значение которой также в нем выше - 66,9 % (табл 4)

Следовательно, в спектрах ЯМР 13С гуминовых кислот изученных почв идентифицированы и количественно определены следующие функциональные группы и молекулярные фрагменты ароматические, а также алифатические карбоксильные, карбонильные, аминогруппы, метоксильные, полисахаридные

В спектрах ГК исследуемых почв доминирует сигнал в области химического сдвига 95-160 ррт, т е сигнал ароматической структуры Наряду с ним для спектров характерен сигнал алифатического углерода в виде менее сильных и узких пиков, а также сильные сигналы, относимые за счет углерода карбоксильных групп Эти данные полностью совпадают с элементным составом, величинами отношений Н/С, а также данными в инфракрасных областях

Таким образом, в молекулах ГК аллювиальных луговых и луго-во-болотных почвах одинаково развита ядерная часть, свидетельствующая о большей конденсированности, их зрелости, что позволяет прогнозировать устойчивость гумусовых веществ к нагрузкам

ВЫВОДЫ

1 Современное состояние гумусного фонда старопахотных серых лесных почв характеризуется низким содержанием гумуса и неудовлетворительным его составом, что обусловлено отсутствием плодосмена Выявлено большое содержание микроорганизмов на 1 г гумуса, свидетельствующее об интенсивной минерализации гумусовых веществ В микробоценозах серых лесных почв значительна доля акта-, номицетов, что является одной из причин, приводящих к глубокой минерализации гумуса (отношение КАА МПА равно 1,5) Насыщенность почв ферментами низкая

2 Гумусное состояние аллювиальных луговых почв, функционирующих в оптимальных условиях водного режима и обогащенных бобовыми растительными остатками, характеризуется гуматным типом, очень высокой степенью гумификации и высокой долей фракции ГК-2 В составе микробоценозов данных почв увеличивается содержание бактерий и снижается - актиномицетов Обогащенность ферментами средняя

3 Лугово-болотные почвы в связи с периодическим переувлажнением и с большими размерами поступления свежего органического вещества имеют средние запасы гумуса в слое 0-100 см, высокую степень гум ификации, С N=11,6 Коэффициент минерализации (КАА МПА) <1, что способствует накоплению органических остатков Почвы по содержанию ферментов оцениваются как среднеобогащенные Биологическая активность почв низкая

4 Между ферментативной активностью, температурой, влажностью, содержанием гумуса и азота выявлены корреляционные связи, между активностью дегидрогеназы и температурой почв обнаружена тесная отрицательная корреляция

5 Элементный состав, а также спектры ИК, С13 ЯМР показывают развит ость в макромолекулах ГК аллювиально-луговых и лугово-болотных почв ядерной части, свидетельствующей о высокой консер-ват ивности гумуса

6 Наряду с развитым ароматическим ядром в макромолекуле ГК значительна доля реакционно способных функциональных групп, которая подтверждает высокую адсорбционную способность гумусовых веществ, что имеет положительное экологическое значение для почвенного покрова при дельтовой части р Селенги

Список работ по теме диссертации

1 Корсунова Ц Д-Ц, Балданов Н Д, Мильхеев Е Ю Каталазная активность пойменных почв д р Селенги // Ломоносов-Х Материалы меж-думар конф - Москва, 2003 -С 10

2 Балданов Н Д , Корсунова Ц Д-Ц Целлюлозоразрушающая активность аллювиальной луговой почвы д р Селенга // Экологическое образование для сохранения биоразнообразия Тез докл науч -метод конф — Барнаул, 2003 -С 12-13

3 Балданов Н Д, Корсунова Ц Д-Ц Ферментативная активность пойменных почв др Селенга // Биоразнообразие и функционирование микробных сообществ водных наземных систем Центральной Азии Материалы Всерос конф - Улан-Удэ, 2003С 137-140

4 Корсунова Ц Д-Ц, Балданов Н Д Интенсивность минерализации клетчатки в пойменных почвах дельты р Селенги при антропогенном воздействии // Почвы национальное достояние России Материалы IV съездаДОП -Новосибирск - Т 2 -С 126-127

5 Балданов Н Д , Корсунова Ц Д-Ц, Чимитдоржиева Г Д, Мильхеев Е Ю. Деструкция органического вещества и биологическая активность

пойменных почв дельты реки Селенги // Научные основы сохранения водосборных бассейнов междисциплинарные подходы к управлению природными ресурсами Тез междунар конф - Улан-Удэ, 2004 - Т 2-С 104-105

6 Корсунова Ц Д-Ц, Бапданов Н Д Об активности уреазы в пойменных почвах дельты реки Селенги // Научные основы сохранения водосборных бассейнов междисциплинарные подходы к управлению природными ресурсами Тез междунар конф - Улан-Удэ, 2004 - Т. 2 -С. 113-114

7 Корсунова Ц Д-Ц, Балданов Н Д Изучение биологической активности пойменных почв дельты реки Селенга // Научные основы сохранения водосборных бассейнов междисциплинарные подходы к управлению природными ресурсами Тез междунар конф - Улан-Удэ, 2004. -Т 2 -С 115-116

8 Корсунова Ц Д-Ц , Чимитдоржиева Г Д , Балданов Н Д Деструкция органического вещества и ферментативная активность пойменных почв Дельты реки Селенга при антропогенном воздействии // Научное обеспечение устойчивого развития АПК в Сибири Материалы конф. молодых ученых Сиб федерального округа - Улан-Удэ, 2004 -Ч II.-С 38-40

9 Балданов Н Д, Чимитдоржиева Г Д Органическое вещество почв придельтовой части р Селенги // Основные факторы и закономерности формирования делы и их роль в функционировании водно-бо потных экосистем в различных ландшафтных зонах Тез докл междунар конф - Улан-Удэ, 2005 - С 26-28

10. Балданов Н Д , Чимитдоржиева Г Д , Корсунова Ц Д -Ц Плодородие почв территории бассейна озера Байкал // Плодородие - 2007. -№2 - С 10-12

Подписано в печать 27 04 2007 г Формат 60x84 1/16 Уел печ л 1,28 Тираж 100 Заказ №>2082

Издательство Бурятского государственного Университета 670000, г. Улан-Удэ, ул Смолина 24а

Содержание диссертации, кандидата биологических наук, Балданов, Нимбу Доржижапович

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ПРИРОДНЫЕ УСЛОВИЯ ПРИДЕЛЬТОВОЙ ЧАСТИ Р. СЕЛЕНГИ

ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

ГЛАВА 3. ГУМУСНОЕ СОСТОЯНИЕ ПОЧВ

3.1. Серая лесная

3.2. Аллювиальная луговая

3.3. Лугово-болотная

ГЛАВА 4. МИКРОБОЦЕНОЗЫ

4.1. Прокариотные микроорганизмы

ГЛАВА 5. ФЕРМЕНТАТИВНАЯ АКТИВНОСТЬ

5.1. Целлюлозолитическая активность

5.2. Окислительно-восстановительные ферменты

5.3. Гидролитические ферменты

ГЛАВА 6. ХАРАКТЕРИСТИКА ГУМИНОВЫХ КИСЛОТ

6.1. Элементный состав гуминовых кислот

6.2. Функциональные группы

6.3. Инфракрасные спектры поглощения

6.4. Изучение молекулярной структуры гуминовых кислот методом 13С-ЯМР спектроскопии

ВЫВОДЫ

Введение Диссертация по биологии, на тему "Ферментативная активность и гумусное состояние почв в придельтовой части реки Селенги"

Актуальность. Органическое вещество и оптимальный гумусовый режим являются одной из фундаментальных и прикладных проблем почвоведения и земледелия. Гумус обеспечивает растения необходимыми макро- и микроэлементами, регулирует физические и биологические свойства почвы, выполняет почвозащитную, энергетическую и экологическую функции и является главным фактором формирования почвенного плодородия. Каждый тип почвы характеризуется определенными параметрами содержания и состава гумуса, которые зависят от зональных особенностей почвообразования. В пахотных почвах отмечается существенное изменение содержания гумуса и его качественного состава, оказывающее значительное влияние на ход почвенных процессов и, в первую очередь, на гумусообразование и биологическую активность.

Ферментативная активность - важное генетическое свойство почвы. Состояние ферментов в почве и их роль в почвообразовании определяется экологическими условиями. Поэтому имеется прямая связь ферментативной активности с факторами почвообразования. Она свидетельствует об интенсивности и направленности почвообразовательных процессов, изменении почв в результате естественных и антропогенных факторов. Однако изученность современного гумусного состояния и ферментативной активности пахотных и сенокосных почв разного генезиса в придельтовой части р. Селенги крайне мала. Имеющиеся данные по гумусному составу, характеристике микробоце-нозов и их активности относятся к целинным почвам (Абашеева, Меркушева, 1996; Шахматова, 2004; Болонева, 2006).

Цель работы - изучить количественно-качественный состав гумуса, в т.ч. химическую структуру гуминовых кислот, выявить основные закономерности и особенности ферментативной активности пахотных и сенокосных почв придельтовой части р. Селенги.

Задачи исследований:

1) Изучить гумусное состояние почв и факторы, его обусловливающие;

2) Определить численность и структуру микробоценозов;

3) Дать оценку содержания гидролаз и оксиредуктаз и выявить уровень их активности в динамике;

4) Охарактеризовать структуру гуминовых кислот.

Научная новизна. Получены новые данные современного состояния гумусного фонда почв придельтовой части дельты р. Селенги, находящихся в разной степени и длительности агроэкологического и антропогенного воздействия. Впервые установлена численность и состав микробоценозов, определена ферментативная активность почв в динамике и дана оценка насыщенности почв микроорганизмами и ферментами. Также впервые изучена химическая структура макромолекулы препаратов ГК и выявлена их устойчивость к нагрузкам антропогенного характера.

Защищаемые положения.

1. Интенсивность ферментативной активности почв придельтовой части р. Селенги обусловлена разными размерами накопления гумуса, его составом, обогащенностью почв микроорганизмами и экологическими факторами почвообразования.

2. Устойчивость гумусного состояния аллювиальной луговой и лугово-болотной почв обусловлена химической структурой макромолекулы ГК.

Теоретическая и практическая значимость. Оценка ферментативной активности почв, состав микробоценозов позволяют предложить системный подход к разработке способов повышения плодородия агрофитоценозов на серых лесных почвах и сохранению биопродуктивности аллювиальных луговых и лугово-болотных почв.

Химическая структура макромолекулы ГК, и степень биологической активности служат основой экологической оценки устойчивости почв к нагрузкам и могут быть применены для практических рекомендаций по землепользованию придельтовой части р. Селенги.

Апробация работы. Результаты исследований докладывались и обсуждались на X Международной конференции студентов и аспирантов «Ломоно-сов-2003» (Москва, 2003); научно-методической конференции «Экологическое образование для сохранения биоразнообразия» (Барнаул, 2003); IX съезде Докучаевского общества почвоведов «Почвы - национальное достояние России» (Новосибирск, 2004); международной конференции «Научные основы сохранения водосборных бассейнов: междисциплинарные подходы к управлению природными ресурсами» (Улан-Удэ, 2004); международной конференции «Основные факторы и закономерности формирования дельт и их роль в функционировании водно-болотных экосистем в различных ландшафтных зонах» (Улан-Удэ, 2005).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 работ.

Объем и структура работы. Диссертация изложена на 115 страницах компьютерного текста, состоит из введения, 6 глав, выводов, списка литературы, включающего 220 наименований, в том числе 17 на иностранном языке. Содержит 17 таблиц, 21 рисунков.