Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Количественная оценка нарушений микробного сообщества почвы на основе экофизиологических индикаторов

ВАК РФ 03.00.27, Почвоведение

Автореферат диссертации по теме "Количественная оценка нарушений микробного сообщества почвы на основе экофизиологических индикаторов"

111111111111111

□0305Э6В2

На правах рукописи

МЯКШИНА Татьяна Ннколаевна

КОЛИЧЕСТВЕННАЯ ОЦЕНКА НАРУШЕНИЙ МИКРОБНОГО СООБЩЕСТВА ПОЧВЫ НА ОСНОВЕ ЭКОФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ

ИНДИКАТОРОВ

Специальность 03 00 27 - почвоведение

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Воронеж-2007

Работа выполнена в Институте физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН

Научный руководитель кандидат биологических наук

Благодатская Евгения Валерьевна

Официальные оппоненты доктор биологических наук, доцент

Яблонских Лидия Александровна

кандидат сельскохозяйственных наук, доцент Кольцова Ольга Михайловна

Ведущая организация Институт фундаментальных

проблем биологии РАН

Защита состоится « 29 » мая 2007 г в 13 часов на заседании диссертационного совета Д 212 038 02 при Воронежском государственном университете по адресу 394006, г Воронеж, Университетская пл , 1

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Воронежского государственного университета

Автореферат разослан апреля 2007 г Ученый секретарь

диссертационного совета -/(/ы'-^-А Брехова Л И

Актуальность работы Важнейшей функцией почвы явчяется ее участие в регуляции биосферных процессов Почва, как основное звено биогеохимического цикла элементов, служит стоком или источником парниковых газов и принимает участие в очищении биосферы от загрязнения В связи с тем, что процессы минерализации и круговорота биогенных элементов осуществляются почвенными микроорганизмами, микробный компонент является ключевым фактором, определяющим и отражающим состояние почвы

Для оценки характера и интенсивности внешних воздействий на почвенную микробиоту и устойчивость почв в литературе предлагается целый ряд микробиологических показателей и индексов, как правило, чувствительных к одному определенному воздействию, или интегральных показателей, суммирующих значения нескольких индикаторов Для более полной характеристики природных объектов, их базового состояния и мониторинга изменений предлагается использовать, так называемые, «экофизиологические (ЭФ) профили» (Anderson, 2003), представляющие собой совокупность разных характеризующих обьект индикаторов Однако при всех достоинствах разработанных ранее показателей ни один из них не позволяет проводить комплексную количественную оценку и сравнительный анализ последствий различных видов внешних воздействий на почвы и экосистемы в целом, что особенно актуально в связи с существующими техногенными нарушениями биосферы

Таким образом, сохраняется необходимость разработки универсальных индексов, которые позволили бы проводить оценку устойчивости почв (включая, их способность к восстановлению) с использованием единых критериев и на безразмерной основе

Цель исследований: Сравнительная оценка сопротивляемости и способности к восстановлению микробных сообществ почв при природных и антропогенных воздействиях с использованием экофизиологических профилей, составленных на основе разработанной системы индексов Задачи исследований:

1 Разработка системы математических индексов для количественной оценки относительной реакции микробных сообществ почв на воздействие природных и антропогенных факторов,

2 Составление и анализ ЭФ-профилей ряда зональных почв европейской части России (подзолистые, серые лесные, черноземы) на основе разработанных индексов,

3 Апробация разработанной системы ЭФ-профилей в условиях природных и антропогенных воздействий на почву (чередование засушливых и влажных сезонов, периодов промерзания и оттаивания, воздействие низовых пожаров, длительного сельскохозяйственного использования, промышленного загрязнения)

Научная новизна:

На основании разработанных индексов впервые проведена количественная оценка как немедленной реакции почвы на различные внешние воздействия, так и ее способности к последующему восстановлению Разработка индекса сопротивляемости позволила впервые осуществить идею составления экофизиологических профилей микробных сообществ почв Предложенная система анализа экофизиологических профилей впервые дала возможность различать нарушения состояния почвы на количественной основе Анализ ЭФ-профилей позволил получить новую информацию о механизмах сопротивляемости и способности к восстановлению микробных сообществ почв под действием внешних факторов

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы обсуждались и получили положительную оценку на II Международной научно-практической конференции, посвященной 75-летию кафедры почвоведения ИГУ (Иркутск, 2006), на 3-ей Международной геоэкологической конференции (Тула, 2006), на конференции «Биосферные функции почвенного покрова» (Пущино, 2005 г), на Конференции "Element Balances as a Tool for Sustainable Land Management" (Тирана, 2005), на Международной конференции «Modem problems of soil contamination» (Москва, 2004), на И международной конференции "Эмиссия и сток парниковых газов на территории Северной Евразии" (Пущино, 2003)

Публикации. По теме диссертации опубликовано 20 научных статей

Практическая значимость. Разработанная система составления и анализа ЭФ-профилей может быть применена при проведении экологического мониторинга территорий, при кадастровой оценке и паспортизации земель

Структура и объем работы. Диссертация включает введение, 4 главы, выводы и приложение Текстовая часть занимает 135 страниц, иллюстрирована 10 таблицами и 18 рисунками Список цитируемой литературы насчитывает 185 наименований, в том числе 75 иностранных источников

Автор глубоко признателен научному руководителю к б н Е В Благодатской за поддержку и консультации при осуществлении научных исследований Автор выражает благодарность заведующему лабораторией моделирования экосистем д б н АС Комарову и сотрудникам этой лаборатории, а также своим коллегам С А Благодатскому, В А Бледнову, И H Богомоловой, Т И Грохлиной, И В Евдокимову, И H Кургановой, А А Ларионовой, В И Личко, В О Лопесу, Т В Пампуре, С H Понтелимоновой, И В Припутиной, А А Реветневу, Л H Розоновой, Т Э Хомутовой, О С Хохловой

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

Одной из главных экологических проблем современного естествознания является выявление механизмов устойчивости экосистем Структура и функционирование экосистем даже в условиях стабильной природной среды меняется Выделяют два типа стабильности резистентная устойчивость - способность системы оставаться в устойчивом состоянии под воздействием, и упругая устойчивость -способность быстро восстанавливаться (Одум, 1986)

Устойчивость конкретной наземной экосистемы определяется состоянием локального равновесия и может быть оценена по наиболее чувствительным к изменениям окружающей среды биологическим показателям, характеризующим соотношение важнейших физиологических процессов, происходящих в микробном сообществе почвы дыхание, рост, отмирание биомассы и т д

Понятие экофизиологических индикаторов предполагает существование зависимости физиологического функционирования клеток от факторов окружающей среды Для количественной оценки состояния почвенных экосистем фундаментальные принципы аутэкологических исследовании (системы чистых культур) экстраполируются на синэкологический уровень - уровень микробного сообщества (Pirt, 1975, Slater, 1979)

Расчет экофизиологических коэффициентов основывается на использовании физиологических характеристик -дыхание, потребление углерода, рост/смерть и тд (Anderson, Domsch, 1986а, Andeison, 1994) К индикаторам, способным охарактеризовать экофизиологический статус почвенных микроорганизмов, относятся

1) См„кр— микробная биомасса,

2) Уbas и — фоновое (базальное) дыхание

3) qCO; - метаболический коэффициент, представляющий собой отношение скорости дыхания микроорганизмов к их биомассе или QR -коэффициент дыхательной активности микроорганизмов, равный отношению фонового дыхания к субстрат-индуцированному

4) Смикр С„Р1 - % углерода микробной биомассы на единицу органического углерода в почве

5) Цгл Р.и ~ соотношение максимальных удельных скоростей роста микроорганизмов на глюкозе и дрожжевом экстракте (индекс ауксотрофности)

6) thg — время, необходимое микроорганизмам для перехода в экспоненциальную фазу роста

Наиболее часто для оценки состояния микробного сообщества почвы используется метаболический коэффициент qC02, который является важным индикатором состояния и развития микробного сообщества почв,

хода экологической сукцессии наземной экосистемы (Insam et al, 1991) Он отражает процессы энергообмена в микробных клетках (Visser, Parkinson, 1992), необходимую энергию поддержания (Anderson, Domsch, 1985а,b, Wardle, Nicholson, 1996) и реагирует на различного рода внешние возмущения

Отношение СМИ1ф Сорг также является чувствительным ЭФ-индикатором, указывающим на изменение доступности питательных веществ, т к микробная биомасса реагирует на любые изменения быстрее, чем содержание общего углерода Сор, Это соотношение целесообразно использовать как базовое специфическое значение для различных почвенных систем и применять в качестве индикатора устойчивости для быстрого распознавания изменений окружающей среды (Anderson, Domsch, 1986b, 1989а)

Влияние одних и тех же природных и антропогенных факторов может приводить к неодинаковым последствиям в разных наземных экосистемах В рамках одной экосистемы различные ЭФ-индикаторы могут по-разному реагировать на одинаковые внешние воздействия Кроме того, разные факторы могут оказывать сходное воздействие в условиях одной или нескольких экосистем

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

2.1. Разработка индексов для оценки сопротивляемости и способности экосистем к восстановлению

Одной из задач исследования была разработка системы индексов, которая позволяет количественно оценить два типа стабильности, определяющих, согласно теории Одума, устойчивость экосистемы сопротивляемость и способность к восстановлению Мы основывались на том, что функция, задающая значения индексов, должна удовлетворять следующим критериям 1) быть монотонной и изменяться в узком интервале, принимая положительные и отрицательные значения, 2) наглядно отражать как уменьшение, так и увеличение значений экологического показателя под действием внешних факторов, 3) исключать появление нулевых значений в знаменателе

Разработанный нами индекс для определения сопротивляемости наземных экосистем к внешним воздействиям (1г) описывается гиперболической функцией

где С0 -значение ЭФ-индикатора в контрольном, ненарушенном образце, Р0 - значение индикатора после какого-либо воздействия (Рис 1)

Значения предложенного индекса ограничены открытым интервалом [-1,1) Индекс (1г) равен -1 при Р0 = 0, т е если произошло критическое уменьшение значения ЭФ-индикатора до 0 Значение индекса стремится к 1 при Р—> со, т е при бесконечном увеличении ЭФ-индикатора Значения

индекса, близкие к -1 и +1, означают, что сопротивление системы внешнему воздействию отсутствует Значение индекса равно 0, если Р0 = Со, т е значение ЭФ-индикатора после воздействия не изменилось и система осталась в ненарушенном состоянии

Для определения способности системы к восстановлению мы предлагаем использовать разность значений 1г сразу после внешнего воздействия и через интервал времени I 1,1= 1г-1,

1 (Р'-ст.щ " (В+С)(П,М,у

где С0, С, - значения ЭФ-индикатора в контрольном, ненарушенном образце в момент воздействия и в момент времени I соответственно, Р0, Рг — значения ЭФ-индикатора в нарушенной почве соответственно в момент воздействия и в момент времени I Индекс ^ также описывается гиперболической функцией и учитывает значения индикаторов нарушенной системы через интервал времени I после воздействия В случае полного восстановления системы через время I индекс I, принимает нулевое значение, а способность к восстановлению оценивается значением 1Г В случае отсутствия восстановления индекс 11=1г, тогда = 0 Так как максимальная способность системы к восстановлению ограничивается состоянием Ро и сопряженным с ним значением индекса сопротивляемости (т е меняется от 0 до 1), то значения индекса восстанавливаемости удобно представить в виде доли от 100% восстановления - = 100*(1г-11)/1г При расчете ^ необходимо соблюдать следующие условия

1) Р,>С, и Ро > Со или Р1 < С, и Ро < Со-

2) |Ро-Со|>|Р,-С,|

Первое условие означает, что направление изменения индикатора в контрольной почве такое же, как и в нарушенной почве Второе условие предполагает стремление нарушенной системы вернуться в исходное состояние С0

2.2. Анализ функции, описывающей значения разработанного индекса сопротивляемости

Предлагаемый нами индекс сопротивляемости стандартизирован относительно значений Си (рис 1Б) Это означает, что если внешнее воздействие не влияет на систему (Р0 = Со), то значения индекса равны 0 независимо от величины Со При изменении значений ЭФ-индикатора в п-ое количество раз относительно контроля, значения индексов будут одинаковы в системах с начальными состояниями Со Например, если системы при С0 = 1, 12 5, 25 и 50 единиц после воздействия приобретают значения Р0 = 2, 25, 50 и 100 соответственно (увеличение относительно контроля в 2 раза во всех четырех системах), то индекс сопротивляемости для всех этих систем будет равным 0 33

Рис 1 Изменение значений предлагаемого индекса сопротивляемости I, и индекса Я8 (Отот, У/аг<11е, 2004) (А) и изменение величины индекса I, при различных значениях Со(Б)

В реальных условиях минимальные значения ЭФ-индикаторов обычно ограничены нулем, в то время как максимальные значения теоретически не имеют ограничений В связи с этим уменьшение значений индикатора на несколько единиц под действием внешнего фактора может свидетельствовать о более серьезных нарушениях системы, чем при увеличении ЭФ-индикатора на столько же единиц Например, на рис 2 контрольное значение условного ЭФ-индикатора (Со) равно 200 При уменьшении этого значения под действием нарушения на 100 единиц значение Р0 оказывается равным 100, т е уменьшается по отношению к Со в два раза При увеличении значения ЭФ-индикатора на 100 единиц Ри принимает значение 300, т е изменяется по отношению к С0 не в два, как в случае уменьшения, а всего в полтора раза Эту ситуацию учитывает предложенная нами функция Наш индекс геометрически симметричен относительно соотношения Со/Ро, и поэтому арифметически

несимметричен относительно разности Ро-С() Значения предлагаемого нами индекса будут противоположны по знаку, но в случае уменьшения выше по абсолютному значению, чем в случае увеличения значений ЭФ-индикатора на такую же величину В приведенном примере (рис 2) наш индекс 1г равен -0 33 в случае уменьшения и +0 2 в случае увеличения значения ЭФИ на 100 единиц

400 300 200 100 О

Рис 2 Изменение величин индексов 1г и ЯЭ при разных значениях Ро(Со = 200)

2.3 Сравнение разработанных индексов с предложенными ранее

Предложенные ранее индексы для оценки устойчивости и сопротивляемости почвенных систем обладают рядом недостатков (изменяются в широких пределах, не показывают направления изменения индикатора) Недавно предложенный индекс КБ (Опущ, \Vardle, 2004) хотя и изменяется в узком диапазоне, но не показывает направление изменения индикатора и в некоторых случаях имеет неоднозначное трактование Очевидным преимуществом разработанного нами индекса (1п) по сравнению с недавно предложенным индексом ЯБ (Огууш, \Vardle, 2004), является изменение 1г как в положительной, так и в отрицательной областях значений (рис 1А, рис 2) Это позволяет наглядно отражать изменение величины ЭФ-индикатора под действием возмущающего фактора как в сторону увеличения относительно контрольного значения С0, так и в сторону уменьшения Другим его преимуществом является способность принимать одинаковые абсолютные значения при увеличении или уменьшении индикатора в одинаковое количество раз Индекс, позволяет сравнивать разные почвы и различные воздействия, меняется в узком диапазоне, что дает возможность использовать его для построения ЭФ-профилей

2.4. Применение 1г для составления экофизиологическнх профилей

Экофтиологаческий профиль природного объекта представляет собой совокупность ряда индикаторов, представленную в одной системе координат Индикаторы, составляющие ЭФ-профиль, имеют разные

размерности, а их значения могут различаться на несколько порядков Например, биомасса почвенных микроорганизмов может варьировать в пределах от нескольких сотен до нескольких тысяч мкг С/г, а фоновое дыхание У^а! - от десятых долей единицы до нескольких единиц мкг С*г" '"ч"1 Это затрудняет представление и сравнение этих индикаторов в едином масштабе Разработанные нами математические индексы, позволяют стандартизировать разные экофизиологические индикаторы на основе безразмерных величин, изменяющихся в узком диапазоне значений Это упрощает сравнение разных показателей, характеризующих экосистемы и позволяет представить разные индикаторы в одной системе координат

Составление ЭФ-профилп включает в себя следующее:

1) Выбор надежных и удобных в определении экофизиологических индикаторов, наиболее полно характеризующих исследуемую систему При мониторинге наземных экосистем и микробных сообществ почвы к стандартному минимальному набору ЭФ-индикаторов следует отнести дыхание и биомассу почвенных микроорганизмов, экофизиологические коэффициенты qC02 и Смикр С0Р| В качестве дополнительных ЭФ-индикаторов можно использовать ростовые характеристики почвенных микроорганизмов (рт- максимальная удельная скорость роста микроорганизмов, время, необходимое микроорганизмам для перехода в экспоненциальную фазу роста), индекс ауксотрофности (цгл р,„) в качестве показателя метаболического разнообразия микробного сообщества Остальные индикаторы следует выбирать исходя из соображений целесообразности и инструментальных возможностей экспериментаторов,

2) Определение величин ЭФ-индикаторов в контрольной (С0) и опытной почве (Р0) до и после воздействия внешнего фактора При необходимости оценить способность почвы к восстановлению следует также определить величины ЭФ-индикаторов в контрольной и опытной почве через определенный период времени I,

3) Расчет величин индекса для набора используемых ЭФ-индикаторов и представление их в одной системе координат

Анализ ЭФ-профиля состоит из трех этапов 1) Оценка значения индекса при определенном внешнем воздействии Отрицательное значение индекса соответствует уменьшению, положительное значение соответствует увеличению значения индикатора в результате внешнего воздействия Интервал абсолютных значений от 0 до 1 позволяет провести градацию действия внешнего фактора от незначительных и сильных нарушений до стрессов разной степени

2) Сравнение значений индексов разных индикаторов при одинаковом внешнем воздействии Ситуация, когда значения всех индексов оказываются приблизительно равными, говорит о равномерном воздействии внешнего фактора на систему в целом Если в ЭФ-профиле только один или два индекса принимают высокие абсолютные значения,

тогда как остальные не превышают 0 1, то воздействие носит избирательный характер

3) Расчет усредненного индекса абсолютных значений для всего ЭФ-профиля (Ъфп) Использование 1эфп правомерно при условии, что сравниваемые ЭФ-профили представлены одинаковым набором ЭФ-индикаторов Большая величина суммарного индекса означает меньшую сопротивляемость системы

Возможность оценки способности системы к восстановлению существует в случае наличия динамических измерений Индекс восстановления (1,1) рассчитывается как разность значений 1г сразу после воздействия и в момент времени I

Таким образом, предложенная система составления и анализа экофизиологических профилей, созданная на основе разработанных индексов, позволяет на количественном уровне различать нарушения состояния почвы и упрощает сравнение различных воздействий

ГЛАВА 3. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

3.1. Природные условия районов исследования и физико-химическая характеристика почв

Апробация разработанной системы составления экофизиологических профилей и количественная оценка различных типов воздействия на разные наземные системы с применением расчета индексов сопротивляемости и восстанавливаемости и построения ЭФ-профилей была проведена на примере трех типов зональных почв Европейской части России серых лесных, чернозема обыкновенного и А1-Ре-гумусового подзола, представленных следующими объектами исследования

1 Серая лесная почва - Московская обл , г Пущино, территория опытно-полевой станции ИФХиБПП РАН, типы биоценозов - смешанный лес, разнотравный луг, пашня,

2 Чернозем обыкновенный - стационарный опыт по изучению влияния разных видов ) годий на территории НИИСХ ЦЧП им В В Докучаева, Воронежская обл, пгт Таловая, «Каменная степь», ценозы на пашне 10, 50, 80 лет, залежи косимой и залежи некосимой,

3 А1-Ре-гумусовый подзол на песчаной морене - промышленно-загрязненные территории Кольского полуострова, прилегающие к Мончегорскому медно-никелевому комбинату - еловый лес кустарничково-зеленомошный

3.2. Методы определения величин экофизиологических индикаторов

Образцы почв отбирали методом средней пробы с глубины 0-15 см и помещали в полиэтиленовые пакеты с ватными пробками (образцы почв Кольского полуострова отбирали из 2-х горизонтов — органогенного Ао и минерального Вь транспортировали в контейнерах с охлаждением (4"С) для проведения лабораторных анализов), затем просеивали через сито с

диаметром ячеек 3 мм, освобождали от корней и крупных растительных остатков и хранили в холодильнике при 4°С не более 2-4 недель Перед проведением микробиологических анализов почву предынкубировали при 22°С в течение 2-3 суток Оставшуюся почву высушивали до воздушно-сухого состояния и использовали для химических анализов

Химический анализ почвенных образцов Углерод в солевых вытяжках (О 05М K2SO4) определяли методом бихроматного окисления с колориметрическим окончанием при длине волны 350 нм (Благодатский и др , 1987) Общий азот в солевой вытяжке определяли методом Кьельдаля (Аринушкина, 1970) pH почвы измеряли при помощи комбинированного pH электрода (Semimicro research-grade pH-electrode U-05711, Orion) в вытяжке 1 М KCl при соотношении почва раствор равным 1 2

Содержание металлов в почве определяли методом ICP-MS на приборе HP 4500plus, Hewlett Packard (RIVM, Билтховен, Нидерланды) после экстракции царской водкой в микроволновой печи согласно методике Standard operating Procedure nr ECO/237/03

Для определения скорости фонового дыхання - VbaSab навески почвы (2 г), предварительно увлажненной до 60% от ППВ, помещали в пенициллиновые флаконы объемом 15 мл и инкубировали около часа при комнатной температуре, затем флаконы проветривали, чтобы избежать завышения скорости эмиссии С02, связанного с перемешиванием почвы при взятии навески После этого флаконы герметично закрывали и инкубировали в термостате при 22°С в течение 6-12 часов

Скорость субстрат-индуцнрованного дыхания (Vsir) определяли аналогично Vbavi| после добавления в почву раствора, содержащего 10 мг глюкозы/г почвы и инкубации в течение 2-3 часов при 22°С

Концентрацию выделившегося СОг определяли на газовом хроматографе Chrom-5 (ЧССР) с катарометром в качестве детектора

Биомассу почвенных микроорганизмов (Смикр) рассчитывали по скорости субстрат-индуцированного дыхания, (Anderson, Domsch, 1978), используя формулу

СМНКр (МКГ С/г п) = 40 04* VblR (мкл С02/г ч)

Кинетические параметры роста микроорганизмов определяли на основании динамики скорости выделения СОг из обогащенной глюкозой почвы Для этого в навески почвы по 25 г равномерно вносили раствор глюкозы (10 мг/г ) и минеральных солей КН2РО4, К2НР04, (NH^SO,), так чтобы соотношение CN Р составляло 10 1 1 Оптимальные концентрации вносимых в почву субстратов, достаточные для обеспечения выраженного экспоненциального роста микроорганизмов, были подобраны экспериментальным путем предварительно Измерение скорости выделения С02 проводили на проточном газоанализаторе (ADC 2250, Великобритания) Максимальную удельную скорость роста микроорганизмов (цт) определяли, аппроксимируя экспериментально полученные значения скорости (v) выделения СО, по уравнению v = v0npexp(nmt) + V0MM,

где V" - начальная скорость продуктивного окисления субстрата, V0" - начальная скорость холостого окисления субстрата до СО?,1 - время (Паников, 1992). Подбор параметров уравнения осуществляли путем аппроксимации экспериментальных данных по методу наименьших квадратов с помощью программы Model Maker.

Продолжительностью лаг-периода (thj считали промежуток времени от внесения субстрата до момента, когда увеличивающаяся скорость ростового дыхания (у1*) достигает величины скорости холостого дыхания (V40JI), и рассчитывали, используя параметры аппроксимированной кривой скорости дыхания микроорганизмов по формуле:

Определения проводили в 3-кратной повторности. Статистическую обработку результатов проводили с помощью однофакторного и двухфакторного дисперсионного анализа.

ГЛАВА 4. АНАЛИЗ ЭФ-ПРОФИЛЕЙ ПОЧВ, НАХОДЯЩИХСЯ

ПОД ПРИРОДНЫМ И АНТРОПОГЕННЫМ ВОЗДЕЙСТВИЕМ

4Л Влияние сезонного воздействия природных климатических факторов

Воздействие климатических факторов (сезонного промерзания и высушивания) оценивали на примере на серой лесной почвы, имитируя в лабораторных условиях засушливые периоды разной продолжительности и циклы замораживания-оттаивания. Для составления ЭФ-Профилей в качестве индикаторов были выбраны микробная биомасса и базальное дыхание, а также коэффициенты C„Hrp:Cop- и qCOb. Контролем служила йвежеотобранпая серая лесная почва при оптимальной влажности. Анализ ЭФ-профилей (рис.3) свидетельствует об избирательном действии кратковременного высушивания на микробное сообщество почвы. Так, наиболее чувствительным показателем к действию засухи оказалась

0.S г .

'г

0.6 0.4 0.2 7 суток Р 40 суток II й 1 2 года ЕШ 1

щ

0 т-

. ... 11 t£j ¡т.'. \ ■01;

-0.2 CD С микр ЕЭ С м икр/С орг ... v'.'v'l

-0.4 □ VbEiaal ЕЗ Qr

-0.6

Рцс-3. ЭФ-профили серой лесной почвы при имитации засушливых периодов разной продолжите^ ъг.осл к

дыхательная активность микроорганизмов, в то время как параметры микробной биомассы после 7-дневного высушивания почвы изменились незначительно. Увеличение продолжительности засушливого периода приводило одновременно и к усилению дыхания, и к уменьшению биомассы микроорганизмов. Сравнение ЭФ-профилеЙ для разных по продолжительности периодов высушивания указывает на снижение сопротивляемости почв, подвергнутых влиянию продолжительной засухи, по сравнению с кратковременным высушиванием.

Влияние циклов замораживания-оттаивания исследовали на примере почвенных проб, отобранных в разных растительных ценозах: на пашне, в лесу и на лугу (контроль - соответствующие почвы, не подвергавшиеся замораживанию). Сразу после оттаивания замороженных почвенных проб наиболее высокая сопротивляемость обнаружена в почвах под лесом, а самая низкая - & пахотной почве (рис.4). Судя по величинам индекса Сопротивляемости влияние замораживания-опаивания почвы оказалось более сильным гю сравнению с влиянием высушивания-увлажнения,

|г в Счикр

т Смикр:Сорг

08 оУЬаза! и ЧС02

0.6

Г1-

0.4

лес

с.2

О —

Рис.4. ЭФ-профилн серой лесной почвы под разными ценозами при зшч ораживан ии-рттаивании,

4.2. ЭФ-профили почв при резных системах землепользования

Разработанный индекс был использован для составления и анализа зкофизиологических профилей черноземов обыкновенных Каменной степи {Воронежская обл.), находящихся в различном сельскохозяйственном использовании. Помимо упоминавшихся выше индикаторов дополнительно использовали показатель цга и индекс аксутрофностн

Влияние продолжительности сельскохозяйственного использования почв. На рис. 5Л представлены ЭФ-профили черноземов обыкновенных различной длительности распашки. В качестве контроля при расчете 1Г использовали характеристики некосим ой залежи возрастом 92 года. Уже 10-летнее использование почвы под пашню привело К некоторому уменьшению содержания органического углерода и фонового дыхания, а также к существенному уменьшению микробной биомассы. Это выразилось в некотором увеличении метаболического коэффициента и одновременно незначительном уменьшении соотношения Сч„Кр:С0р|, что

свидетельствует о слабом нарушении экологического равновесия микробного сообщества почвы. Ростовые показатели микроорганизмов (1т и индекс ауксотрофности практически не отличались от контроля, что говорит об отсутствии ¡изменений структуры и метаболического разнообразия микробного сообщества на 10 лет распашки. Наибольшие изменения и характере ЭФ-профиля обнаружены ¡) почвах после их 50-леткега использования под пашню. Уменьшение содержании органического углерода сопровождалось резким снижением показателей микробной биомассы. Это привело к значительному уменьшению Соотношения СМ11К),:С0П,- и ярко выраженному увеличению с] С От. Изменение этих индикаторов, а также характеристик микробного роста (рис.ЗА) свидетельствует о сильных нарушениях устойчивости почвы,

Рис. 5. Экофизйо логические профили черноземов, построенные на основе значений индекса I, при разной продолжительности (А) и при разных системах зем пенсии.» да пин (Н|,

снижении метаболического разнообразия и уменьшении доли r-стратегов в структуре микробного сообщества. Более длительная распашка (80 лет) привела к Значительному уменьшению в почвах показателей фонового дыхания, отражающему замедление миперализационных процессов, следствием чего стало некоторое увеличение содержания углерода по сравнению с вариантом пашня 50 лег использования. Составление ЭФ-про филей позволяет провести сравнение влияния разных типа« землепользования (длительного использования под пашню и косимый луг). Контролем в Этом случае также служила некое и мая залежь (рис. 5 Б), Многолетнее сенокошение привело к небольшому увеличению содержания однако соотношение Смкир:С,ф, уменьшилось, т.е. микробное сообщество почвы под косимой залежью характеризуется несколько меньшей устойчивостью, чем сообщество микроорганизмов в контрольной почве. Значения индекса I, ЭФ-индикаторов для косимой залежи не превышали по абсолютной величине 0.1, тогда как на пашне достигали 0.5. Это говорит о значительном нарушении устойчивости и структуры микробного сообщества в пахотной почве по сравнению с почвой под лугом.

0 -4 залежь ^аложь косцизл пашня ДБ лет

-0.3______________ _ __________________ _

Vue. 6, ЭФ-профили чернозема обыкновенного при различных сценариях депонирования углерода. Контроль - пашня 10 лет использования (А) и пашня 80 лет использования (Б). Обозначения с при ведены на рис. 5,

Полученные нами результаты для различных вариантов полевого опыта могут быть использованы для сравнения разных сценариев депонирования почвенного углерода Так, если в качестве исходного варианта землепользования принять пашню возрастом 10 лет, то можно проследить за изменением ЭФ-индикаторов при условном залужении почв, их зарастании лесом и дальнейшей распашке (рис 6А) Перевод пахотных земель в залежи приводит к увеличению как содержания углерода, так и количества микробной биомассы Однако величины 1г, рассчитанные для Смикр Сор, и цС02 в почве под лесом и под лугом, свидетельствуют о более высокой устойчивости почв под лесом ЭФ-профили, составленные по сценариям депонирования углерода при переводе пашни возрастом 80 лет в залежи (рис 6Б), обнаруживают сходные закономерности, но получены более высокие абсолютные значения индексов 1г, чем при переводе в залежи 10-летней пашни Различия в устойчивости почв под лесом и лугом при этом менее выражены

4.3. ЭФ-профнли почв, подвергшихся техногенному загрязнению

Разработанный индекс был использован для оценки влияния на почвенные микробиологические показатели техногенного загрязнения На примере А1-Ре-гумусовых подзолов, находящихся в зоне воздействия Мончегорского медно-никелевого комбината (МНК) - крупного источника выбросов тяжелых металлов, проведен анализ ЭФ-профилей почв разной удаленности от комбината В органогенных горизонтах исследуемых почв достоверно выделялось три уровня суммарного загрязнения никелем и медью выше 4000 мг/кг (расстояние от МНК 7 км), 1000 - 4000 мг/кг (20 км) и менее 1000 мг/кг (более 20 км) Содержание тяжелых металлов в минеральном горизонте тех же почв оказалось существенно ниже, чем в органогенном, но также достоверно выделялись 3 уровня загрязнения более 200 мг/кг, 80-100 мг/кг и менее 50 мг/кг на расстоянии от МНК 7, 20 и более 20 км, соответственно

Анализ ЭФ-профилей органогенного горизонта исследуемых почв показал, что уже при суммарном содержании никеля и меди менее 1000 мг/кг заметно изменялись показатели фонового дыхания и ростовые характеристики микроорганизмов ц,„ и ^ (рис 7А) При уровне загрязнения 4000 мг/кг наблюдалось не только изменение дыхания и ростовых характеристик микроорганизмов, но и снижение запасов органического углерода, сопровождавшееся еще более существенным уменьшением микробной биомассы и соотношения СМШф Сорт (рис 7 А) Это свидетельствует о нарушении экологического равновесия, а также о функциональных и структурных изменениях микробных сообществ в наиболее загрязненных почвах

о.

|г Органогенный горизонт Ао А

:

I- ->111 И!"

□ СорГ ЕШСмикр

ШСмикр:Сорг О Vtoasal KS qC02 a mu

Sí tía 9

100

1000

Минеральный горизонт В,

Ir

I

[

-=50

1 оо

L

[Ni+Cu], мг/кг

Рис.7. ЭФ- профили Al-Fe Гумусового подзола, составленные на основе значений индекса сопротивляемости (U при разных уровнях техногенного загрязнения органогенного горизонта Ао (А) и минерального горизонта В, (Б),

В минеральных горизонтах почв, наоборот, даже небольшое загрязнение приводило к увеличению содержания органического углерода (рис. 7 ¡3), что не является, однако, положительным примером секвестрирован и Я почвенного гумуса, т.к. увеличение содержания Сир, сопровождалось резким уменьшением биомассы микроорганизмов, соотношения Смикр;Сорт и увеличением показателя qC02, что свидетельствует о нарушении экологического равновесия микробных сообществ минеральных горизонтов даже при самом невысоком уровне шгрязненмя. Этот вывод не был бы очевидным при сравнении абсолютных значений микробиологических показателей для органогенного и минерального горизонтов почв, т.к. суммарное загрязнение в минеральных горизонтах было в среднем в 20 раз меньше, чем В органогенных.

Судя по величинам индекса сопротивляемости lr, изменения в микробных сообществах сравниваемых горизонтов оказались схожими, и в некоторых случаях более существенными в минеральном горизонте по

сравнению с органогенным. Это свидетельствует о большей токсичности тяжелых металлов и, соответственно, более высокой чувствительности микробных сообществ минерального горизонта. 4.4. ЭФП почв, подвергшихся воздействию пожаров

Влияние кратковременных низовых пожаров, возникающих во время весенних поджогов травы, на устойчивость микробного сообщества изучали на примере серой лесной почвы под лугом и лесом. Как показывает анализ ЭФ-профилей, сразу после пожара отмечалось значительное увеличение дыхательной активности микроорганизмов как под лугом, так и под лесом (Рис.8А). Но сравнение величин ндекса 1г свидетельствует о большем увеличении базального дыхания на лугу по сравнению с лесом. Схожие закономерности обнаружены для содержания ¡органического углерода и микробной биомассы.

0.4

0.2

Сор1~ Г- С микр

И См икр/Сор г. □ \Zbas

! и чсо2

луг

1г

0.15

-0.05

луг

□ Сорг

Ена Сми^р/Сорг.

а чсог

Ш1 С м нк р

Рис.К. ЭФ-профи л и серой лесной почвы, под лесом и лугом непосредственно после пожара (А) и через 2 месяца поел« пожара (Б).

Увеличение метаболического коэффициента с]С02 свидетельствует о нарушении устойчивости микробных сообществ почвы и под лесом и под лугом Непосредственно после пожара. Затем в течение вегетации влияние пожара проявилось более заметно в почве под лесом (Рис 8Б|

Сравнительный анализ ЭФ-профилей (табл.1) показывает, что дыхание почвенных микроорганизмов является наиболее чувствительным индикатором техногенного загрязнения почв металлами, действия пожаров и засухи. Микробная биомасса наиболее заметно реагирует на загрязнение и дли тельную распашку. 1 Ьибольшие изменения метаболического коэффициента чССЬ вызывают высушивание-увлажнение, замораживание-оттаивание и сельскохозяйственное использование почвы.

Таблица I. Значения индекса сопро1ииляемоети 1г при разных воздействиях

Факторы Высушивание -^тожпгние Замораживай ие-(нитаипание Пожар Распашка 50 лет Техногенное загрязнен не /М+Сн/

Почва Стерли .тесна Чернозем обь) кие иен ный гумусовы й подзол

См икр »0.09 0.41 0.18 -0.53 -0.53

УЬняа! 0.57 0.51 0.54 -0.06 -0.45

(]С02 0.62 0.95 0.18 0.49 0.16

4.5. Сравнение ЭФ-профилей различных почв при разных типах воздействий

11ормирование ЭФ-индикаторов с использованием индекса Сопротивляемости 1г позволяет проводить сравнение разных почв, находящихся под различным воздействием. Так, на рис.9 Представлены }Ф-профиль А1-Ре-гумусового подзола в условиях техногенного загрязнения и ЭФ-профиль чернозема обыкновенного при длительной распашке. Видно, что нарушение устойчивости микробных сообществ происходит в обоих случаях, но абсолютные значения индеса 1т свидетельствуют о том, что техногенное загрязнение оказывает более сильное влияние на устойчивости поч», чем многолетнее использование почв иод пашню.

0.4 I,

I С* < 1£ГГ [Г1 [I к

-0.2

I I' I I V" . ■ I ■ I : ' I 'I | ' ■ I. I 1.11 .11.1

В (,'<>[2Г

И С/м ПК])

' М 11 К л ■ ' | •1

О Vl>a^:a) К1 ЧС02 ~ ] 111)1

Рис. Ч, Сравнение ЭФ-профилей АМ-'е гумусоного подзола (техногенное загрязнение)' II чернозема обыкновенного (длительная распашка)

Таким образом, Зкофизиологические профили, составленные па основе разработанного нами индекса, позволяют получить наглядную

картину изменений, происходящих в микробном сообществе почв при различных воздействиях, что делает удобным их использование при проведении экологического мониторинга, а также при паспортизации почв местности и выборе мероприятий по ремедиации почв

ВЫВОДЫ

1 Разработана система математических индексов для оценки устойчивости микробного сообщества почв к внешним воздействиям природного и антропогенного характера Они позволяют нормировать разные индикаторы, сравнивать их на безразмерной основе и обеспечивают возможность количественной оценки сопротивляемости и способности почвы к восстановлению

2 Дано теоретическое обоснование понятия экофизиологический профиль и показана его применимость для оценки природных и антропогенных воздействии на почвы на примере чернозема обыкновенного, серой лесной почвы и А1-Ре-гумусового подзола Графическая визуализация сопряженных изменений комплекса микробиологических показателей на основе ЭФ-профилей дает возможность получения новой информации, неочевидной при сопоставлении исходных значений индикаторов состояния почвы

3 Анализ экофизиологических профилей, составленных с применением предложенных индексов, позволяет определять степень нарушений состояния почвы на основе количественных показателей и может быть использован для решения различных почвенно-экологических задач сравнения чувствительности разных индикаторов к одному и тому же воздействию, сравнительной оценки действия внешних факторов на разные почвы и почвенные горизонты, сравнения различных систем землепользования и др

4 На основе анализа ЭФ-профилей установлено, что дыхание почвенных микроорганизмов является наиболее чувствительным индикатором техногенного загрязнения почв, действия пожаров и засухи Процессы высушивания-увлажнения, замораживания-оттаивания и сельскохозяйственное использование вызывают наибольшие изменения метаболического коэффициента с]С02 Микробная биомасса - наиболее чувствительный индикатор загрязнения тяжелыми металлами и длительного использования почвы под пашню

5 Выявлены существенные нарушения устойчивости микробных сообществ чернозема обыкновенного под пашней Наиболее сильные изменения структуры и устойчивости микробного сообщества почвы обнаружены в 50-летней пашне Дальнейшее использование чернозема под пашню (80 лет) приводит к замедлению минерализационных процессов

6 Использование экофизиологических профилей чернозема обыкновенного для моделирования и прогноза изменений устойчивости микробных сообществ при переводе пахотных земель в залежи показало,

что наиболее высокой устойчивостью характеризуются микробные сообщества почв в условиях зарастания пашни лесом, залужение почвы является оптимальным сценарием депонирования почвенного углерода

7 Анализ экофизиологических профилей Al-Fe-гумусовых подзолов Кольского полуострова выявил более высокую устойчивость к загрязнению тяжелыми металлами микробных сообществ органогенных горизонтов по сравнению с минеральными, где нарушение экологического равновесия, наблюдалось при уровне суммарного загрязнения в 20 раз меньшем, чем в органогенных горизонтах

Список публикаций

1 Ананьева Н Д Поведение и микробиологическая детоксикация ридомила в буроземной почве ЧСФР / Н Д Ананьева, В П Сухопарова, Т В Макарова, 11 В Перфилова, С Калуз, А Шалы, П Parana, Т Н Мякшина// Агрохимия -1991 -№2 -С 104-109

2 Когева Ж В Изучение влияния азаотных удобрений и других факторов на потенциальную активность азотфиксации и денитрификации в серой лесной почве / Ж В Котева, В Н Кудеяров, ТН Мякшина//Агрохимия 1992 №6

3 Ананьева НД Методические аспекты определения скорости субстрат-индуцнрованного дыхания почвенных микроорганизмов / Н Д Ананьева, Е В Ьлагодатская, Д Б Орлинскии, Т Н Мякшина//Почвоведение - 1993 -№11 -С 72-77

4 Ананьева Н Д Оценка самоочищающей способности почв от пестицидов ' 1-1Д Ананьева, Е В Благодатская, Д Б Орлинскнй, Т Н Мякшина // Почвоведение 1993 №12 С 11-15

5 Ананьева Н Д Оценка антропогенного воздействия на почву с использованием крупномасштабного картографирования территории/ Н Д Ананьева, Е В Благодатская, Д Б Орлинскии, Т Н Мякшина, М Н Брынских// -Почвоведение - 1994 -№3 - С 101-107

6 Благодатская Е В Характеристика состояния микробного сообщества почв по величине метаболического коэффициента /Е В Благодатская, Н Д Ананьева, ТН Мякшина//Почвоведение -1995 -№2 - С 205-210

7 Курганова И Н Оценка эмиссии диоксида углерода из пахотных серых лесных почв / И Н Курганова, В О Лопес-де-Герешо, J1 Н Розанова, Д В Сапронов, ТII Мякшина, В Н Кудеяров//Агрохимия -2002 -№9 - С 52-57

8 Kurganova 1N Annual and seasonal C02 fluxes from Russian southern taiga soils /IN Kurganova, V О Lopes-de-Gerenyu, L N Rozanova, D V Sapronov, T N МуаЫппа, V N Kudeyarov//Tellus -2003 -№55B -P 338-344

9 Lopes-de-Gerenyu V O, COi emission from forest ecosystems of Russian South Taiga / V О Lopes-de-Gerenyu, 1 Kurganova, L Rozanova, D Sapronov, T Myakshina, V Kudeyarov // Comparative Biochemistry and Physiology, SEB, Abstracts -2003 -Vol 134A -№3 -P 192

10 Благодатская E В Экологические стратегии микробных сообществ почв под растениями луговых экосистем /ЕВ Благодатская , А М Ермолаев, Т Н Мякшина // Известия Российской Академии Наук, серия биологическая - 2004 -№6 -С 740-748

11 Kurganova IN Monitoring of С02 emission from soils of different ecosystems in Southern part of Moscow region data base analyses of long-tenn field

observations / 1N Kurganova, L N Rozanova, T N Myakshina, V N Kudeyarov // Eurasian Soil Science -2004 - Vol 37 Supplement 1 -P 74-78

12 Курганова И H Мониторинг эмиссии С02 из почв различных экосистем южного Подмосковья анализ данных многолетних полевых наблюдений / И Н Курганова, В О Лопес де Герешо, Л Н Розанова, Т Н Мякшина, Д В Сапронов, В Н Кудеяров // «Эмиссия и сток парниковых газов на территории Северной Евразии» Ред акад Н П Лавсров - Пущино ОНТИ ПНЦ РАН 2004 - 87-92

13 Pampura Т, Blagodatskaya Е, Myakshina Т, Demyanova Е Effect of chemical form of Pb m contaminated soils on the activity of microbial community Proceedings of International conference "Modem problems of soil contamination" -Moscow 2004 -365 -367

14 Курганова ИН Потоки и пулы углерода в залежных землях Подмосковья / И Н Курганова, А М Ермолаев, В О Лопес де Гереню, А А Ларионова, Д В Сапронов, Т Келлер, III Ланге, Л Н Розанова, В И Личко, Т Н Мякшина, Я В Кузяков, В А Романенков // «Почвенные процессы и пространственно-временная организация почв», ред В Н Кудеярова - М Наука 2005

15 Курганова ИН, Лопсс де Гереню ВО, Розанова ЛН, Сапронов ДВ. Мякшина Т Н , Кудеяров В Н Углерод в почвах лесных и луговых экосистем Приокско-Террасного Биосферного Заповедника запасы, эмиссионные потери, баланс Сборник научн тр «Экосистемы Приокско-Террасного Биосферного Заповедника» -Пущино 2005 -С 9-18

16 Благодатская Е В Влияние свинца на дыхание и биомассу микроорганизмов серой лесной почвы в многолетнем полевом эксперименте / Е В Блаюда1ская, ТВ Пампура, ТН Мякшина, Е Г Демьянова//Почвоведение -2006 - № 5 - С 559-568

17 Благодатская ЕВ Влияние свинца на ростовые характеристики микроорганизмов /ЕВ Благодатская, Т В Пампура, Е Г Демьянова, Т Н Мякшина//Почвоведение -2006 -№6 - С 726-734

18 Мякшина Т Н Влияние низовых пожаров на минерализацию органического вещества почвы / Т Н Мякшина, Е В Благодатская// Материалы II Международной научно-практической конференции, посвященной 75-летшо кафедры почвоведения Иркутского государственного университета, «Почва как связующее звено функционирования природных и антропогенно-преобразованных экосистем» - Иркутск 2006 - С 228

19 Мякшина ТН Составление и анализ экофизнологических профилей промышленно-загрязненных территорий Кольского полуострова / Т Н Мякшина, Е В Благодатская, А А Реветнев, Т В Пампура // Материалы 3-я Международной геоэкологической конференции «Геоэкологические проблемы загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами — Тула 2006

20 Мякшина ТН Составление и анализ экофизнологических профилей черноземов под различными системами землепользования на основе индекса сопротивляемости экосистем / Т Н Мякшина, А А Реветнев, Е В Благодатская // Агрохимия (принято к опубликованию)

Подписано в печать 27 04 2007 Формат 60x84/16 Уел печл 1,5 Тираж 100 Заказ 258 Издательско-полиграфический центр Воронежского государственного университета 394006, г Воронеж, Университетская площадь, 1, ком 43, тел 208-853 Отпечатано в лаборатории оперативной печати ИПЦ ВГУ