Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Влияние дождевых червей (Oligochaeta, Lumbricidae) на биоту и органическое вещество дерново-подзолистых почв при разных системах землепользования

ВАК РФ 03.00.07, Микробиология

Автореферат диссертации по теме "Влияние дождевых червей (Oligochaeta, Lumbricidae) на биоту и органическое вещество дерново-подзолистых почв при разных системах землепользования"

На правах рукописи

КУТОВАЯ Ольга Владимировна

ВЛИЯНИЕ ДОЖДЕВЫХ ЧЕРВЕЙ {ОЬЮОСНАЕТА, ШМВШСЮАЕ) НАБИОТУ И ОРГАНИЧЕСКОЕ ВЕЩЕСТВО ДЕРНОВО-ПОДЗОЛИСТЫХ ПОЧВ ПРИ РАЗНЫХ СИСТЕМАХ ЗЕМЛЕПОЛЬЗОВАНИЯ

Специальность 03.02.13 - почвоведение

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук

МОСКВА 2012

1 о (.¡;,п гт

005017583

Работа выполнена в ГНУ Почвенный институт им. В.В. Докучаева Россельхозакадемии

Научные руковадители: доктор биологических наук

Всеволодова-Перель Тамара Семеновна

кандидат сельскохозяйственных наук Дьяконова Кира Владимировна

Официальные оппоненты: Белобров Виктор Петрович,

доктор сельскохозяйственных наук, старший научный сотрудник, ГНУ Почвенный институт им. В.В. Докучаева, ведущий научный сотрудник

Рахлеева Анна Алексеевна,

кандидат биологических наук,

МГУ им. М.В. Ломоносова,

факультет почвоведения, научный сотрудник,

Ведущая организация: РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева

Защита диссертации состоится « 24 » мая 2012 года в 11-00 часов на заседании диссертационного совета Д 006.053.01 в Почвенном институте им. В.В. Докучаева Россельхозакадемии (119017, Москва, Пыжевский пер., дом 7, стр. 2)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Почвенного института им. В.В. Докучаева Россельхозакадемии

Автореферат разослан « 2-i » апреля 2012 года.

Приглашаем Вас принять участие в обсуждении диссертации на заседании Диссертационного совета. Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по вышеуказанному адресу. Факс: 8 (495) 951-50-37; E-mail: lubimova@agro.geonet.ru

Ученый секретарь диссертационного совета доктор сельскохозяйственных наук

И.Н. Любимова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Почва, являясь компонентом биосферы, выполняет в ней ряд глобальных функций. Экологические функции почвы базируются на ее двух основополагающих качествах: во-первых, почва служит средой обитания и опорой для огромного числа организмов; во-вторых, почва является незаменимым звеном всех биогеохимичсских циклов (Добровольский Г.В., Никитин Е.Д., 1990; Розанов А.Б., Розанов Б.Г., 1990).

Гумус, один из главных составляющих почвы, образуется при разложении органических остатков и имеет исключительно биологическое происхождение (Милановский, 2009).

Значимость дождевых червей в преобразовании органического вещества (OB) почвы и формировании гумуса рассмотрена в работах Зражевского (1957), Курчевой (1971) и в ряде поздних публикаций (Стриганова, Тиунов, 1991; Aubert, 2006 и др.). Отмечено увеличение скорости разложения растительных остатков за счет сообщества микроорганизмов, микро- и мезофауны, в том числе дождевых червей (Перель, Соколов, 1964; Стриганова, 1980; Bouche et al., 1990; Ponge et al., 1999). Показано значение дождевых червей как представителей группы "экосистемных инженеров" (Вызов, 2005; Стриганова, 2006; Тиунов, 2007; Lavelle, Spain 2001), способных за счет трофической активности, локомоторной деятельности модифицировать среду обитания, то есть почву (Стриганова, 2000). Под действием дождевых червей меняются физические свойства (Shipitalo, Butt, 1999), улучшается структура (Larink et al., 2001), происходит изменение микробиологического фона на поверхности норок (Полянская, Тиунов, 1996), в копролитах червей (Марфенина, 1989; Вызов, 2003). Почва в присутствии дождевых червей (ДЧ) обогащается азотом и углеродом (Zhang et al., 2000), что сказывается на развитии растений.

Тем не менее, значимость дождевых червей, закономерности их влияния на компоненты органического вещества почвы, а также на функционирование отдельных групп почвенной биоты остаются недостаточно изученными (Тиунов, 2007; Doube, Brown, 1998; Scheu 2003; McLean et al. 2006;).

Микроорганизмы и животное население почвы, определяющие ее биологическую и биохимическую активность, обусловливают особенности формирования состава гумуса и свойств гумусовых кислот (Кононова, 1963; Курчева, 1971; Стриганова, Тиунов, 1991). Однако природа, состав, строение гумусовых веществ, синтезируемых в кишечнике червей оценена недостаточно.

Цель исследований. Оценить влияние деятельности дождевых червей на структуру и функционирование почвенных сообществ, а также на трансформацию органических веществ агродерново-подзолистой почвы.

Задачи исследований.

1. Сравнить численность и видовой состав дождевых червей при разных системах удобрений и способах обработки почвы.

2. Исследовать взаимодействие дождевых червей в экосистеме агродерново-подзолистой почвы с другими представителями почвенной биоты.

3. Изучить изменение микробного статуса почвы под воздействием дождевых червей, дать характеристику почвенно-биологических процессов, протекающих с их участием.

4. Изучить состав, свойства, природу гумусовых веществ (ТВ) почвы и копролитов, оценить их устойчивость к разложению.

5. Провести сравнительный анализ структуры и строения гумусовых веществ почвы и копролитов по элементному составу, оценить их биоэнергетический потенциал.

Научная новизна. Впервые исследован групповой и фракционный состав органического вещества копролитов дождевых червей в условиях полевого опыта при различной системе удобрений. Впервые выделены препараты Гумилевых кислот (ГК) и фульвокислот (ФК) различных фракций ГБ копролитов червей, определен элементный состав, изучены их свойства и показаны особенности строения. Для характеристики ОВ использован показатель «степень уплотненности молекулярной структуры ОВ», основывающийся на содержании конститутивных элементов С, Н, О, N в препаратах ГВ. Рассчитан биоэнергетический потенциал органического вещества копролитов и вмещающей почвы, проведена их сравнительная характеристика.

Практическая значимость. Данные проведенных исследований могут быть использованы для составления рекомендаций для оптимизации механической обработки почвы, доз минеральных и органических удобрений с целью поддержания почвенного плодородия агродерново-подзолистой почвы, сохранения ее живого населения.

Апробация. Материалы диссертации были представлены на конференциях: «Ноосферогенез: постановка и пути решения проблемы» (Кишинев, 1990), «Совершенствование системы диагностики питания сельскохозяйственных растений» (Ялта, 1991), «Нематодные болезни растений» (Кишинев, 1991); на симпозиуме «Галловые нематоды сельскохозяйственных культур и комплексные меры борьбы с ними в открытом и защищенном грунте» (Душанбе, 1990), на международных конференциях: «Проблемы антропогенного почвообразования» (Москва, 1997), «Биогеография почв» (Сыктывкар, 2002), «Современные проблемы и достижения аграрной науки в животноводстве и растениеводстве» (Барнаул, 2003), «Practical Solutions for Managing Optimum С and N Content in Agricultural Soils» (Прага, 2003), «Экология и биология почв» (Ростов-на-Дону, 2007).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 работ, в том числе 1 статья в рецензируемом журнале.

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 167 страницах, содержит 25 таблиц, 18 рисунков. Работа состоит из введения, литературного обзора, главы «Природные условия и объекты исследования», главы «Методы исследования», пяти экспериментальных глав, заключения и выводов. Список литературы включает 186 источников, в том числе 95 зарубежных.

Выражаю свою огромную благодарность B.C. Булеевой, Е.С. Василенко, Ю.В. Куваевой, Б.М. Когуту, Т.В. Турсиной, А.С. Фриду, Ю.Н. Водяницкому, Н.Б.

Хитрову, З.М. Пузаченко, О.В. Селицкой за участие и содействие в исследованиях, помощь в выполнении отдельных анализов, критические замечания, а также моральную поддержку.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Глава 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ (состояние проблемы)

Рассмотрены дождевые черви, как представители почвенной фауны и важный элемент структуры биоценоза и агроценоза (Гиляров, Чернов, 1975; Ковда, 1976; Dunger, 1964), их видовое разнообразие и принадлежность к различным морфо-экологическим типам и группам (Матвеева, Перель, 1982; Всеволодова-Перель, 1997).

Уделено внимание антропогенному воздействию на агроэкосистемы, при котором меняется структура сообщества люмбрицид (Piearce, 1978) — механическое воздействие, применение минеральных, органических и нетрадиционных удобрений (Атлавините, 1990; Estevez et al., 1995; Butt et al., 2005), компостов разного вида (Capowiez et al., 2009), средств защиты растений (Ванагас, 1983). Представлены данные влияния дождевых червей на физические свойства почвы - водоудерживающую способность, влагоемкость, водопроницаемость, водопрочность агрегатов, изменение почвенной структуры (Пономарева, 1950; Симохина-Прусак, 2009; Larink, 2001; Piekarz, Lipiec, 2001) и др. Показано влияние червей на увеличение доступности элементов питания растений - калия, фосфора и подвижного азота (Зражевский, 1957; Тиунов, 2007; Gorres J.H. et al., 1997; Haynes R.J. et al., 2003;) и др.

Проанализированы данные по модификации микробиологического сообщества дождевыми червями (Зражевский, 1957; Козловская, Жданикова, 1963; Марфенина, Ищенко, 1997; Вызов, 2001; Оразова и др., 2005; Тиунов, 2007; Ghilarov, 1963; Lee, 1985). Рассмотрено влияние червей на других представителей почвенной биоты - микроартропод, нематод, энхитреид (Вызов, 2001, 2005; Череватов, 2002; Умаров и др., 2008; Piearce, Phillips, 1980; Shapiro et al., 1993; Richter K. et al., 2004; Gutierrez-Löpez et al., 2011).

Подробно рассматривается история изучения люмбрицид как основных агентов трансформации органического вещества в почве, как первичных и вторичных гумусообразователей (Кононова, 1963; Вызова, 1965; Курчева, 1971; Козловская, 1976; Перель, 1979; Стриганова, 1980; Lindquist, 1941; Dunger, 1964; Edwards, 2000).

Глава 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

2.1. Объекты исследований. Исследования проводились на многолетних опытах Зеленоградского стационара Почвенного института им. В.В.Докучаева, в научно-экспериментальном хозяйстве ТСХА "Михайловское" (на опыте академика РАСХН И.С.Шатилова) и на опытах НПО "Подмосковье" в Немчиновке.

з

Почвы Зеленоградского стационара развиты на покровных суглинках, подстилаемых красно-бурой тяжелой мореной или моренным плотным грубозернистым песком с низкой фильтрационной способностью.

Преобладающие компоненты почвенного покрова: агродерново-подзолис-тые глубокоосветленные, агродерново-подзолистые сверхглубокоосветлен-ные, агродерново-подзолистые неглубокоосветленные. Распределение их связано с микрорельефом. Опыт Почвенного института на Зеленоградском стационаре проводится с 1972 года. Схема опытных делянок, принятых для исследования следующая: К - Контроль NqPoKo Навоз-0; I - NoPoKo Навоз-120 т/га; П -Ni8oPi8oK2io Навоз-0; III - N180P180K210 Навоз-120 т/га; IV - NeoPeoKeo Навоз-60 т/га. Внесение навоза и известкование проводится один раз в 5 лет.

Агродерново-подзолистые глубокоосветленные почвы экспериментального хозяйства ТСХА "Михайловское" представлены тремя уровнями окулыуренности: низким, средним и повышенным. Участок повышенного уровня окультуренности к моменту закладки опыта в 1966 г. имел повышенное содержание гумуса по сравнению с участком низкого уровня плодородия (2,54% против 1,83%) и подвижного фосфора. Удобряемые делянки получают средние N45P45K45 или расчетные на планируемые урожаи дозы минеральных удобрений в сочетании с компостом. Почвы низкой степени окультуренности характеризуются низким рНка (4,0-4,3) и низким содержанием подвижных фосфора и калия. Почвы участка повышенной степени окультуренности имеют близкую к нейтральной реакцию (pHKci = 6,1) и повышенное содержание фосфора (до 26,7 мг/100г почвы). Исследования проводили на следующих вариантах опыта: 1 слабоокультуренная почва; 2 - среднеокультуренная почва, без удобрений; 3 -среднеокультуренная почва + удобрения; 4 - хорошоокультуренная почва, без удобрений; 5 — хорошоокультуренная почва+удобрения.

Почвы НПО "Подмосковье" в Немчиновке, которые используются в опытах при различных способах обработки агродерново-подзолистых почв, исходно относились к почвам с повышенным содержанием гумуса (~ 2,5%). Почвенный покров неоднороден по кислотности: рНКа варьирует от 4,3 до 6,3; Н,^. от 5,5 до 1,7. Содержание Са^н составляет 8,3-9,2 мг-экв/100 г почвы; P2Os - 13,5-38,0 мг/100г почвы; КгО - 22,0-27,9 мг/100 г почвы. Содержание частиц <0,01 мм - 3334%. Учет численности червей проводили на полях: В-1 Нулевая обработк; В-4 Поверхностная обработка; В-6 Обычная обработка, вспашка.

Объектом исследования также были дождевые черви, которые в полевых опытах представлены 4-мя видами семейства Lumbricidae: Aporrectodea caliginosa, A.rosea, Lumbricus terrestris, L.rubellus. В лабораторных опытах использован синантропный вид Eisenia fétida.

2.2. Методы изучения почвенного населения. Для учета численности дождевых червей использовали метод почвенных раскопок с применением ручной разборки (площадь пробы 0,25 м2). Разборка велась послойно (0-10, 10-20 см) на глубину агрогумусового горизонта (Гиляров, 1975). Определение дождевых червей проводилось по таблицам Всеволодовой-Перель (1997).

Свободноживущих и фитопаразитических нематод выделяли методом Бермана с использованием молочных фильтров с экспозицией 48 часов,

цистообразующих нематод - методом промывания (Кирьянова, Кралль, 1969). Численность галловых нематод в почве определяли биотестом. Исследования проведены совместно с С.А. Субботиным.

Микроартропод (клещи, коллемболы) выгоняли с применением эклекторов Туллгрсна (Бабьева, Зенова, 1989) из образца почвы (объем 250 см3), взятого с поверхности. Исследования и определения микроартропод проведены под руководством Г.Ю. Капина.

Копролиты собраны в весенний пик активности червей с поверхности делянок опыта (конец апреля). Период нахождения копролитов на поверхности почвы - не более 16 часов. Тогда же отобраны образцы почвы.

. 2.3. Микробиологические методы исследования. Использовали традиционные методы посевов на плотные и жидкие эколого-трофические среды из водной суспензии при разведении 1:10, в 3-6-ти-кратной повторное™. На плотных средах (мясо-пептонный агар, крахмало-аммиачный агар, голодный агар, среда Чапека,) проводили подсчет выросших колоний. На жидких средах (среда Виноградского для анаэробных азотфиксаторов, среда для культивирования микроорганизмов группы нитратного дыхания) - подсчитывали наиболее вероятное количество клеток микроорганизмов (Практикум..., 1976). Активность аэробных азотфиксаторов (среда Эшби) оценивали по количеству обросших почвенных частиц (Теппер, 2005). Микробиологические исследования проведены совместно с Е.С. Василенко и О.В. Селицкой.

2.4. Методы изучения гумусовых веществ. Для изучения устойчивости гумусовых веществ и разделение их на легко минерализуемую, и инертную, более устойчивую, части приметали биологический метод разделения - метод инкубации (Пестряков и др., 1990), для этого почву и копролиты дождевых червей размельчали и компостировали в течение 5-ти месяцев при t° = 25-27°С и влажности 70-72% от ППВ. Содержание углерода и азота в почвах и копролитах определяли на автоматическом анализаторе CHN Perkin Elmer.

Содержание общего гумуса определяли по методу Тюрина со спектрофотометрическим окончанием (Рекомендации..., 1984). При определении фракционно-группового состава были выделены гуминовые и фульвокислоты фракции-1, которые извлекали при непосредственной обработке образца почвы или копролитов ОДн NaOH без декальцирования в модификации Почвенного института им. В.В. Докучаева. Гумусовые вещества щелочной вытяжки и пирофосфатно-щелочной вытяжки разделяли на ГК и ФК общепринятым методом (Рекомендации..., 1984).

Препараты гуминовых кислот фракции-1 и фракции-2 были выделены по методу, принятому в лаборатории биологии и биохимии почв Почвенного ишптаутаим. В.В. Докучаева (Рекомендации..., 1984).

Для выделения препаратов фульвокислот фильтрат вытяжек 0,1н NaOH и 0,1н NaOH + 0,1м Na4P207 после осаждения гуминовых кислот объединили. Таким образом, анализировали фульвокислоты фракций 1+2.

Элементный состав препаратов ГК и ФК определяли на автоматическом CHN анализаторе Perkin-Elmer, содержание кислорода определяли по разности.

2.5. Расчетные показатели.

Атомные отношения и атомные проценты элементов в препаратах гуминовых и фульвокислот рассчитывали по методам количественного элементного анализа гумусовых веществ (Орлов, Гришина, 1981). Для характеристики принципов строения Г'В почвы и копролитов дождевых червей использовали метод графо-статистического анализа по Van Krevelen D.W. (1950).

Расчет энергетического потенциала гумусовых веществ производили по методике Ю.Н. Водяницкого (2000).

Расчет степени уплотненности молекулярной структуры OB проводили по формулам B.C. Веселовского (1963).

Расчеты статистических параметров, термодинамических показателей, соотношений, коэффициентов корреляций, построение графиков проводили с помощью программ Microsoft Office Excel 2007.

Глава 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

3.1. Численность, видовой состав, периоды активности дождевых червей в исследованном агроценозе.

Для оценки деятельности дождевых червей и их влияния на почву, необходимо иметь сведения о численности, видовой принадлежности, динамике их активности. Эти показатели исследовали на Зеленоградском стационаре в микрополевом опыте. Абсолютный контроль - дерново-подзолистая почва широколиственно-елового леса (зональный тип), прилегающего к опыту. Изменение численности ДЧ в течение одного вегетационного периода наблюдали

м от опыта (рис. 1). Зафиксировано два периода активности ДЧ - весна и осень, что согласуется с многочисленными литературными данными. Кроме того, подъем численности может наблюдаться при благоприятных погодных условиях, зафиксированных в июле (рис. 1) - дожди. ДЧ на пашне и в лесной почве представлены 4-мя видами. A.caliginosa, A.rosea — собственно почвенные формы (эндогей-ные), не выходят на поверхность, питаются почвенным детритом (Перель, 1979), причем A.rosea более требователен к содержанию органического ;ен в хорошо дренированных почвах, использует растительные остатки, скапливающиеся на поверхности почвы (Всеволодова-Перель, 1997), встречался единично; L.rubellus - почвенно-подстилочная форма, может мигрировать при достаточно высокой влажности. Сельскохозяйственное освоение приводит к изменению биоценоза (рис. 2). Для леса характерны показатели: невысокая общая численность ДЧ, относительно высокая

на пробной площадке на клеверище в 500

Рис. 1. Изменение численности дождевых червей в течение вегетационного периода (апрель-сентябрь).

вещества; L.terrestris - норник, об№-

доля видов, питающихся лесным опадом на поверхности почвы (Перель, 1979). Агрогенное использование почвы приводит к увеличению численности и коренному изменению видовой структуры сообщества дождевых червей (рис. 2, 3).

Рис. 2. Структура сообщества дождевых червей. 1 - A.caliginosa, 2-A.rosea, 3 -Lterrestris, 4 - L.rubellus по вариантам опыта:

Экэ/м J

700

600 500 400 300 200 100 О

о Осень ■ Весна

I И III IV Варианты опыта

Рис. 3. Суммарная численность дождевых червей за два срока учета по вариантам опыта:

К-Контроль (NoPoKo; Навоз-0); I-(NoPoKo; Навоз-120 т/га); II-(NigoPi8oK2io; Навоз-0); _III-(N|8oP|8oK2io; Навоз-120г/га); lV-(N6oP6oK6o; Навоз-60)._

Из состава сообщества во всех вариантах, кроме IV, выпадает по одному виду, хотя перераспределения популяции по степени доминирования не происходит. Абсолютным доминантом остается A.caliginosa.

Особенности изменения структуры сообщества червей зависят от характера освоения; значительное влияние оказывают органические и минеральные удобрения. Увеличение численности ДЧ происходит за счет A.caliginosa (рис. 3), наибольшее количество червей зафиксировано в вар. III с максимальными дозами удобрений и в вар. IV с умеренными дозами (рис. 3). Внесение навоза создает благоприятные условия для трофической активности ДЧ. Однако одностороннее воздействие на почву - внесение только минеральных или только органических удобрений, не может поддержать созданный агробиоценоз в состоянии высокой биологической активности.

3.2. Влияние различных способов механической обработки почвы на численность и видовой состав дождевых червей.

Работа проводилась совместно с отделом земледелия НПО "Подмосковье" в Немчиновке на следующих вариантах опыта:

- В-1 - нулевая обработка или прямой посев. Перед закладкой опыта внесли навоз, 40 т/га. После этого почва не обрабатывалась 4 года. Против сорняков применяли препарат глифосфат в дозе 4-6 л/га.

- В-4 - минимальная поверхностная обработка почвы: чизелевание или дискование на глубину 10 см.

- В-6 - обычная обработка: вспашка на глубину 20-22 см.

Учет дождевых червей проводили на поле 1 (многолетние травы), после укоса клевера - июль; на поле 2 после уборки ячменя - сентябрь; на поле 3 после

обработок и внесения навоза (40 т/га) и минеральных удобрений Ы30 Р<м К90, перед посевом озимой ржи - 19 сентября (табл. 1).

Таблица 1

Численность дождевых червей (экз/м2) по вариантам опыта в разные сроки _

Вариант опыта Поле 1, июль Поле 2, сентябрь Поле 3, сентябрь В среднем

В-1 Нулевая обработка 196 244 384 275

В-4 Поверхностная обработка 84 100 200 128

В-6 Обычная обработка, вспашка 152 176 108 145

Нулевая обработка создает наиболее благоприятные условия для сохранения почвенной мезофауны при с.-х. деятельности. При вспашке В-6 наблюдалось уменьшение количества червей. Наименьшая численность червей обнаружена в варианте В-4 при поверхностной обработке почвы в шоле и сентябре. Это связано с тем, что ДЧ в период активности концентрируются в верхнем слое пахотного горизонта (0-10 см), чизелевание и дискование в это время приводит к нарушению обитаемого слоя, повреждает дождевых червей, приводит к их частичному уничтожению.

Наиболее разнообразным по видовому составу оказался вариант В-1 -нулевая обработка. Самым бедным был вариант В-6 — вспашка, где встречается только А.саИ&пояа.

Наилучшие агроэкологаческие условия, способствующие сохранению численности и разнообразия видового состава ДЧ, создаются на варианте В-1 — нулевая обработка почвы. Любая механическая обработка почвы приводит к уменьшению численности дождевых червей, а поверхностная обработка в периоды их активности - в большей степени. При вспашке происходит рыхление почвы на большую глубину, что улучшает условия обитания червей, особенно ювенильных особей. Но в летний и поздний осенний период, учитывая способность червей уходить вглубь почвы, возможно, следует заменить вспашку поверхностной обработкой.

Таким образом, с.-х. освоение почвы ведет к формированию нового агробиоценоза, особенности которого зависят от ряда показателей и, прежде всего, от набора и сочетания удобрений и характера обработки почвы. Воздействие на почву не должно быть чрезмерно интенсивным: сочетание умеренных доз минеральных и органических удобрений, минимальное механическое воздействие на почву гарантирует сохранение видового разнообразия почвенного населения, способствует поддержанию плодородия почвы и создания сельскохозяйственной продукции высокого качества.

3.3. Взаимодействие дозвдевых червей с некоторыми представителями микрофауны.

Почва является единым местом обитания комплекса почвенных животных, которых принято различать по размерному признаку. Макрофауна — ряд видов позвоночных; мезофауна - относительно крупные беспозвоночные, в том числе дождевые черви, жужелицы и их личинки (встречались на всех вариантах опыта), проволочники (незначительное количество на варианте без удобрений);

микрофауна - одна из самых многочисленных групп, мелкие почвенные животные, длина тела которых измеряется в миллиметрах (микроартроподы, нематоды и др.). Свойства почвы оказывают влияние на разнообразие почвенных животных, которые осуществляют превращение веществ, способствуя поддержанию экосистемы в устойчивом равновесии. Сельскохозяйственное использование почвы влечет за собой изменение как структуры биологических сообществ, так и их биохимических функций.

3.3.1. Взаимодействие дождевых червей с микроартроподами.

В агродерново-подзолистой почве учебно-опытного хозяйстве ТСХА «Михайловское» рассмотрено соотношение численности дождевых червей и микроартропод: клещей Acariña (панцирные Oribatida, гамазовые Gamasoidea, акароидные Acaroidea) и бескрылых насекомых колембол (Apterygota, Collembola).

Дождевые черви представлены видами - A.caliginosa и A.rosea. В вариантах с внесением органических и минеральных удобрений A.rosea встречаются в несколько большем количестве, чем в вариантах без удобрений. В слабоокультуренной почве присутствует только A.caliginosa.

В этих опытах корреляция численности ДЧ с гамазовыми и акароидными клещами не обнаружена, т.к. гамазовые представлены в основном хищными и паразитическими формами, а акароидные - синантропными видами, заражающими зерно и муку. Положительная средняя связь численности дождевых червей зафиксирована с коллемболами и орибатидными клещами (коэффициент корреляции г = +0,6 и г = +0,5 соответственно), представлена на рис. 4,5.

Рис. 4. Численности дождевых червей (ДЧ) и коллембол (К) на вариантах опыта:

Рис. 5. Численности дождевых червей (ДЧ) и орибатид (Ор) на вариантах опыта:

Варианты опыта: 1 - слабоокультуренная почва; 2 - среднеокультур. почва, без удобрений; 3 - среднеокультуренная почва+удобрения; 4 - хорошоокультуренная почва, без удобрений; 5 - хорошоокулмуренная почва+удобрения._

Большинство представителей этих групп (коллемболы, орибатиды), также как и дождевые черви являются сапрофагами, в рацион которых входит почвенный гумус, разложившиеся растительные остатки, грибной мицелий, поэтому все три группы реагируют на внесение удобрений, которые, в свою очередь, приводят к повышению доли пожнивных остатков, корневого отпада. Не обнаружено прямой зависимости между степенью окультуренности почвы и численностью орибатид, тогда как численность коллембол особенно возрастала на

9

вариантах хорошо окультуренной почвы с внесением удобрений. ДЧ также отчетливо реагировали на внесение удобрений. Одной из причин синхронного увеличения численности дождевых червей и микроартропод может быть факт активного развития микромицетов в копролитах (Битюцкий и др., 2005). Трофические группировки микроартропод, которые питаются и активно размножаются на экскрементах почвенных животных отмечены и другими авторами (Пономарева, 1953; Чернова, 1977, 1982, 1991).

Таким образом, обнаружена взаимосвязь ДЧ с коллемболами и орибатидами, установлено положительное влияние удобрений на эти группы сапрофагов. Однако орибатиды в меньшей степени зависят от системы сельскохозяйственного использования почвы. Возрастание численности дождевых червей и коллембол в значительной степени связано с увеличением содержания гумуса в агродерново-подзолистой почве.

3.3.2. Влияние дождевых червей на сапробиотических и фитопаразитических нематод.

В процессе питания дождевые черви вместе с частичками почвы и органическими остатками заглатывают нематод, которые отчасти служат для них пищей (Piearce, Phillips, 1980).

Изучено влияние нескольких видов дождевых червей на почвенных свободноживущих и фитопаразитических нематод.

Лабораторные опыты выявили тенденцию увеличения числа нематод в варианте с подстилочными (E.fetida) и почвенно-подстилочными (L.rubellus) ДЧ. Численность нематод возрастала за счет сапробиотических отряда Rhabditida, основная масса которых питается бактериями. Это, по-видимому, связано с повышением микробиологической активности почвы в результате жизнедеятельности червей. Лабораторные опыты по влиянию E.fetida (табл. 2) на

паразитических галловых нематод Meloidogyne incognita показали значительное уменьшение численности галлов на индикаторных растениях при высокой плотности этих компостных дождевых червей. Однако выделения кожных желез дождевых червей (концентрация 10%, 1%, 0,1%) не снижали двигательной активности нематод.

В отдельном опыте была изучена выживаемость нематод при пассаже через кишечник червей. В чашки Петри, заполненные кварцевым песком и залитые суспензией нематод (Aphelenchoides besseyi — рисовая листовая нематода и Panagrellus sp. — сапробиотическая нематода), помещали по 2-3 особи червей Efoetida или A.caliginosa. Анализ содержимого задней части кишечника (через 48 часов) показал, что свободноживущая нематода Panagrellus sp. не теряет жизнеспособности, а фитопаразитические A.besseyi — полностью погибают. Это подтверждается данными Росснер (Roessner, 1986) в отношении фитопаразитических нематод.

Таблица 2

Влияние дождевых червей на численность галловой нематоды Meloidogyne incognita

Вариант опыта Количество галлов на индикаторных растениях

Контроль (без червей) 196 ±17

E.foetida- 15 экз. 193 ± 30

E.foetida -30 экз. 205 ± 15

E.foetida - 60 экз. 101 ±9

Таким образом, дождевые черви увеличивают общую биологическую активность почвы, уменьшая при этом численность фитопаразитических нематод.

3.4. Изменение микробного статуса почвы под воздействием дождевых червей. В разложении растительных остатков в почве участвует сложный комплекс почвенных организмов. Благодаря их деятельности, создается и поддерживается продуктивность почв. Одной из моделей изучения механизмов биологической регуляции в экосистемах являются зоо-микробные взаимоотношения (Вызов, 2003). Дождевые черви, воздействуя на почву, способствуют увеличению ее микробиологической активности (Стриганова, 1980; Горбенко и др., 1986; Вызов, 2001; Умаров и др., 2008 и др.).

Для оценки почвенно-биологических процессов, происходящих в почве за счет деятельности ДЧ, была изучена структура микробного сообщества почвы и копролитов червей, обитающих в ней.

3.4.1. Изменение микробиологической а»сгивности под воздействием довдевых червей.

Проанализированы показатели микробиологической активности почвы и копролитов дождевых червей, собранных с поверхности почвы. Численность микроорганизмов в почве и копролитах червей представлена на рис. 6.

Рис. 6. Численность микроорганизмов в почве и копролитах КОЕ /1 г) по эколого-трофическим группам.

Микрофлора почвы и кишечника червей близки по составу. Однако количество микроорганизмов в копролитах почти по всем группам было на два порядка выше, чем в почве. Поскольку в кишечнике дождевых червей создаются строго анаэробные условия, там не развиваются микроорганизмы, требовательные к содержанию кислорода, например, АгоМасСег. С другой стороны, очень активно происходит анаэробная азотфиксация, которая по численным показателям более чем в 2 раза превышает процессы денитрификации. Таким образом, в копролитах дождевых червей интенсивность накопления азота доминирует над его потерями. (Субботина и др., 1997; Тиунов, 2007).Численность микроорганизмов автохтонной группы (АпкгоЬасгег, ЫосагсНа, Мкготопозрогае и др.), которые способны

трансформировать сложные органические соединения, в том числе гумусовые (Теппер, 1976), в копролитах значительно выше по сравнению с почвой. Это связано с аккумуляцией соединений азота в копролитах, к которым требовательны нокардии и другие представители автохтонной группы, а также с их способностью развиваться при ограниченном доступе кислорода (микроаэрофютьность).

Таким образом, деятельность дождевых червей меняет микробиологический статус почвы, активизируя в ней многие почвенно-биологические процессы, влияющие на плодородие: минерализация органического вещества, биологическая фиксация азота атмосферы с последующим переводом его в минеральные формы, а также закреплении его в виде органических форм в почве. В результате чего почва обогащается элементами питания, доступными для растений.

3.4.2. Напряженность почвенно-микробиологических процессов в агродерново-подзолистой почве и копролитах дояедевых червей. Дождевые черви, находясь в активном состоянии, заглатывают частички почвы вместе с органическими остатками, измельчают их, благодаря чему увеличивается их поверхность, и они становится более доступными для микроорганизмов (Dunger, 1958; Гиляров, Стриганова, 1978). Почва, проходя через кишечник дождевых червей, подвергается глубокой переработке, в которой участвуют как собственные ферменты червей, так и ферменты микроорганизмов (Аристовская, 1980).

На элективных средах из почвы и копролитов дождевых червей был выделен ряд эколого-трофических групп микроорганизмов, осуществляющих почвенно-биологические процессы. Напряженность процессов (рис. 7) - относительная величина, которая рассчитывается по показателям численности или активности микроорганизмов определенной эколого-трофической группы по формулам: lg (КОЕ)к lg (КОЕ)п

= ig(KOE)K+lg(KOE)n * 10°% Nn = ig(KOE)n+lg(KOE> * 10°% 'ГД6 Nk - напряженность микробиологического процесса в копролитах; Nn - напряженность микробиологического процесса в почве; lg (КОЕ)к - логарифм численности/активности микроорганизмов

определенной эколого-трофической группы в копролитах; lg (КОЕ)п - логарифм численности/активности микроорганизмов

определенной эколого-трофической группы в почве. Для микроорганизмов, попавших в кишечник дождевых червей вместе с почвой, резко меняются внешние условия. Недостаток кислорода, более высокая влажность, повышенная концентрация ферментов, содержание органических частичек, изменение формы минеральных соединений приводят к активному развитию одних микроорганизмов и подавлению численности других. При этом изменяется напряженность почвенно-биологических процессов, осуществляемых микрофлорой определенных эколого-трофических групп. Активное развитие аноксигенных азотфиксаторов Clostridium вызывает анаэробную трансформацию гуминовых кислот, их обуглероживание, ароматизацию и снижение содержания функциональных групп (Ручко и др., 1984; Милановский, 2007).

Разложение белковых веществ (аммонификаторы)

Разложение безазотстых орг. веществ (амилолитики)

Разложение сложных(гуллусоеых) арг. веществ (актиномицеты)] Ассимиляция низкомолекулярных!

веществ (олиготрофы) [ ■ -Минерализация орг.остатков, образование гумус, веществ (микроскопические грибы) Денитрификация (m.о. группы

нитратного дыхания)}:

Анаэробная аэотфиксацмя (м.о. рода Clostridium)

Аэробная фиксация азот; (м.о. рода Azotobactei

Рис. 7. Напряженность почвенно-микробиологических процессов в агродерново-подаолистой почве и копролитах дождевых червей.

Высокая численность актиномицетов в копролитах связана с концентрацией в них органических остатков за счет трофической избирательности ДЧ (Вопко\У51а М. е( а1., 2000) и создания микрозон для активного развития актиномицетов.

Таким образом, почвенно-биологические процессы протекают при тесном и многогранном взаимодействии микроорганизмов и беспозвоночных, напряженность почвенно-микробиологических процессов в копролитах дождевых червей способствует как минерализации органических остатков, так и дальнейше-му усложнению их структуры, гидрофобизации продуктов гумификации.

3.4.3. Зависимость функционирования эколого-трофических групп микроорганизмов от численности дождевых червей и степени окультуренности агродерново-подзолистой почвы.

По мере возрастания степени окультуренности, создаются благоприятные условия для развития микроорганизмов, участвующих в круговороте азотсодержащих веществ - усиливаются процессы азотфиксации, нитрификации и нитратредукции.

Для количественной характеристики почвенных микроскопических грибов был использован метод исследования длины гиф мицелия. Длина определялась прямым микроскопическим методом (рис. 8). Дана количественная характеристика светлоокрашенного и темноокрашепного (содержит меланиновые пигменты) мицелия. Меланины микромицетов участвуют в формировании почвенных гуминовых полимеров (Ранп с1 а1., 1990), поэтому увеличение их содержание в почве носит позитивный характер. Наибольшая биомасса почвенных микромицетов обнаружена в варианте среднеокультуренной почвы с удобрениями. Возросла доля светлоокрашенного мицелия в окультуренных вариантах. Для комплекса грибов из слабоокультуренной почвы характерно доминирование быстрорастущих видов,

12 3 4

ЕЗ Светлоокрашенный мицелий ■ Темноокрашенный мицелий

которые мотуг лучше приспосабливаться к недостаточно-му количеству питательных веществ.

Общая биомасса микрофлоры увеличивается на более окультуренных вариантах по сравнению с таковыми на слабоокультуренных. В результате повышения плодородия устойчивость микробной системы почвы существенно возрастает за счет повышенного уровня ОВ почвы, обладающего стабильностью и буферностью, которые способны защитить биоту от внешнего воздействия.

Видовой состав ДЧ определялся двумя истинно почвенными видами: A.caliginosa и A.rosea, с доминированием A.caliginosa. На вариантах с внесением удобрений A.rosea встречались вдвое чаще, чем без удобрений. На слабоокуль-

Рис. 8. Длина гиф светлоокрашенного и темноокрашенного мицелия (см/г почвы х 100) по вариантам опыта:

1-слабоокультуренная почва;

2-среднеокультурен. почва, без удобр.;

3-среднеокультурен. почва, + удобр.;

4-хорошоокультурен. почва, без удобр.;

5-хорошоокультурен.почва, + удобр. туренной почве обнаружен только A.caliginosa. Низкая численность дождевых червей (8 экз/м2) на слабоокультуренной почве может быть одной из причин замедления процесса гумификации по сравнению со средне- и хорошо-окультуренными почвами. Для установления уровня взаимного влияния червей и микроорганизмов в почве проведен прямой корреляционный анализ активности эколого-трофических групп микрофлоры и численности дождевых червей, обитающих в ней. Результаты анализа и показатели коэффициентов представлены на рис 9.

ДОЖДЕВЫЕ ЧЕРВИ

Прямая взаимосвязь

Обратная взаимосвязь

Рис. 9. Взаимосвязь и коэффициенты корреляция численности дождевых червей и некоторых эколого-трофических групп микроорганизмов (г Э 0,3 - связь случайна).

Необходимо отметить, что развитие физиологических групп микроорганизмов в копролитах дождевых червей не совпадает с инициацией микрофлоры за счет деятельности люмбрицид в своей среде обитания - в почве.

Обнаружена прямая зависимость деятельности дождевых червей и следующих групп миткроорганизмов (в порядке возрастания): аэробные азотфиксаторы, аммонификаторы, общая биомасса микроорганизмов и особенно сильная связь — с наличием темноокрашенного мицелия микромицетов (г =+-0,96). С остальными группами (амилолигики, денитрификаторпы, олиготрофы, педотрофы, светлоокрашенный мицелий грибов) корреляция слабая.

Дождевые черви не только повышают общую биомассу и микробиологическую активность почвы (г = +0,79), развитие азотобактера (г = +0,64) за счет чего происходит ассимиляция азота атмосферы, аммонификаторов (г = +0,65), но и стимулирую рост микромицетов с темноокрашенным мицелием (г = +0,95), которые при разложении могут входить в состав гуминовых кислот (Теппер и др.,1975; Федоров, 1954).

Таким образом, исследованные показатели биологической активности напрямую связаны с окультуренностыо агродерново-подзолистой почвы и практически все живые организмы почвы участвуют в трансформации органических веществ, биохимических процессах гумусообразования.

Глава 3.5. Трансформация гумусовых веществ агродерново-подзолистой почвы дождевыми червями.

Для изучения состава, свойств, природы гумусовых веществ копролитов и сравнения их с ГВ вмещающей почвы был проведен ряд исследований. 3.5.1. Устойчивость органических веществ почвы и копролитов. Для выявления активного, лабильного компонента гумуса и его инертной части был использован биологический метод инкубации почвенных образцов. Содержание основных органогенных элементов — углерода и азота в почвах и копролитах перед закладкой опыта и после компостирования (через 5 месяцев) исследовали на автоматическом анализаторе CHN Perkin Elmer, представлены в табл. 3.

Таблица 3. Элементный состав почвы и копролитов до и после компостирования по вариантам опыта, агродерново-подзолистая почва, Зеленоградский стационар (масс. % на

№ Вариант опыта Образец С N С :N

До После До После До После

К Контроль NoPoKoHaB-0 Почва Копр. 1,26 1,89 1,15 не опр 0,12 0,18 0,11 не опр 10,5 10,5 10,4 не опр

I No Po Ко Навоз -120 Почва Копр. 1,45 2,19 1,22 1,39 0,15 0,15 0,10 0,15 9,9 14,6 11,7 9,3

II Nl80 Pl80 К210 Навоз - 0 Почва Копр. 1,19 1,75 0,86 1,25 0,10 0,14 0,10 0,14 12,1 12,7 8,5 9,1

III Nigo Piso К210 Навоз -120 Почва Копр. 1,47 1,96 1,34 1,52 0,12 0,14 0,13 0,18 12,4 14,1 10,3 8,4

IV Neo Рея К«о Навоз - 60 Почва Копр. 0,99 1,40 1,06 1,30 0,11 0,12 0,13 0,12 8,8 11.2 В,5 10,8

В копролитах по сравнению с почвой накоплено (в относительном выражении) по вариантам опыта от 33 до 51 % углерода и от 3 до 50 % азота, что является результатом трофической избирательности дождевых червей, а также активизации микрофлоры и аккумулятивной направленностью биохимических процессов в копролитах. Но так как С накапливается в большей степени, чем N. отношение С:Ы в копролитах шире по сравнению с почвой.

Компостирование привело к потере углерода, входящего в легкоразлагаемые компоненты. В Bap.IV - наименьшая потеря углерода, вероятно, там синтезируются более устойчивые к разложению органические вещества. Потеря углерода в копролитах больше, чем в почве на 1-21%, что может быть связано с обогащением их слизью, компоненты которой быстро утилизируются микроорганизмами, или формированием «молодых форм» ОВ, непрочно связанных с минеральной частью.

Потери азота отмечены только для почвы Контроля и вар. I с внесением навоза. Компостирование не повлияло на содержание азота в копролитах, а в некоторых вариантах оно увеличилось. Возможные причины прироста азота: ассимиляция его микроорганизмами; адсорбция высвобождаемого азота глинистыми минералами или внедрение его в глино-гумусовые ассоциации с минеральными частицами (1апгеп й а1,1988). Соотношение С:Ы в копролитах после компостирования сузилось, обогащенность азотом возросла.

Результаты анализа группового и фракционного состав гумуса почвы и копролитов представлены в табл. 4.

Таблица 4. Состав гумусовых веществ почв и копролитов I фракции (0,1 нЫаОН) и _1_ II фракции (0.1 нИаОН +0,1 МКгцРгО?)_

Вариант опыта Образец %С исход, почвы Сор,-., извлекаемый 0,1 н№ОН Сгк'-Сфк Сорт, извлекаемый 0,1н №ОН-Ю,1М Ыа,Р207 Сгк". Сфк

Собщ. Сгк Сфк Собщ. Сгк Сфк

Контроль КоРоКо Навоз - 0 Почва 1,13 0,305" 0,090 0,215 0,42 0,206 0,103 0,103 1,00

26,99" 7,97 19,02 18,24 9,12 9,12

Копр. 1,49 0,338 0,104 0,234 0,44 0,265 0,131 0,134 0,98

22,69 6,98 15,71 17,78 8,79 8,99

ИиоРшКгю Навоз-120 Почва 1,31 0,328 0,119 0Д09 0,57 0,209 0,108 0,111 0,97

25,03 9,08 15,95 16,71 8,24 8,47

Копр. 1,74 0,387 0,140 0,247 0,57 0,253 0,122 0,131 0,93

22,25 8,05 14,20 14,54 7,01 7,53

* % С к массе почвы (копролитов) / ** % С от С исхода, почвы (копролитов)

Из копролитов экстрагируется на 11-18% больше гумусовых веществ, чем из почвы (в абсолютном выражении, % от массы почвы). Однако их доля относительно углерода исходного образца меньше (в щелочную вытяжку из копролитов выходит на 12-21% углерода меньше). Можно допустить изменение взаимосвязи с неорганической составляющей почвы за счет перемешивания минеральной части с органическими веществами в кишечнике дождевых червей, закрепление гумусовых веществ за счет биогенного кальцита - продукта кальциевых желез ДЧ (Пономарева, 1953), а также модификация органо-

минеральной смеси за счет ферментов червей и гидролитических ферментов микроорганизмов.

Во второй фракции ГВ, обнаружено приблизительно равное для всех объектов и вариантов опыта количество как гуминовых, так и фульвокислот (табл. 4). Однако тенденция увеличения всех абсолютных показателей (% С К массе копролитов) в образцах копролитов остается прежней. Под воздействием минеральных удобрений происходот трансформация фракционного состава гумуса - увеличивается содержание ГВ фракции I и снижается содержание ГВ фракции II. ГВ копролитов подвержены этому процессу в меньшей степени.

3.5.2. Количественный элементный анализ гумусовых веществ почв и копролитов.

В данном исследовании ставились задачи изучения и сравнения природы и строения тумусовых веществ копролитов и вмещающей почвы, описание их свойств и роли в почвенных процессах.

Элементный состав препаратов ГК 1-ой и 2-ой фракций, а также ФК объединенной вытяжки почвы и копролитов, представлен в табл. 5.

Таблица 5. Элементный состав препаратов гумусовых кислот почвы и копролитов по

Вариант Образец Весовые проценты

опыта с н N О

Контроль Гуминовые кислоты 1-ой фракции

ИоРоКо Почва 50,85 5,04 5,26 38,85 9,7

Навоз-0 Копролшы 52,49 5,20 5,43 36,88 9,7

ЭД8оРцюКгю Почва 51,94 4,94 5,09 38,03 10,2

Навоз-120 Копролиты 52,96 5,08 5,16 36,80 10,3

Контроль Гуминовые кислоты 2-ой фракции

ЫоРоКо Почва 52,76 4,34 4,95 37,95 10,7

Навоз-0 Копролиты 53,82 4,78 4,98 36,42 10,8

1^18ОР18ОК210 Почва 52,25 4,86 4,66 38,23 11,2

Навоз-120 Копролиты 55,02 4,75 4,97 35,26 11,1

Контроль Фульвокислоты фракции-1 + фракции-2

Ш>оКо Почва 42,47 4,66 2,97 49,90 14,3

Навоз-0 Копролиты 42,30 4,88 3,31 49,51 12,8

ЭДадРиоКгю Почва 37,39 4,30 4,81 53,50 7,8

Навоз-120 Копролиты не опр. не опр. не опр. не опр. не опр.

Гуминовые кислоты копролитов обеих вытяжек содержат в своем составе углерода больше на 2-5%, азота на 1-7% и водорода на 3-10% по сравнению с почвой, что связано с трофической избирательностью дождевых червей и аккумулятивной направленностью биохимических процессов в копролитах.

ГК фракции-1, не зависимо от исследованного варианта, химически легче экстрагируются и могут являться первой стадией гумификации, они отличаются меньшим содержанием углерода (на 1-4%) при одновременно большем содержании азота (на 4-9%) и водорода (на 2-16%) по сравнению с ГК фракции-2.

ФК почвы удобренного варианта содержат в своем составе меньше углерода по сравнению с ФК Контроля (без удобрений). Вероятно, ФК удобренного варианта доступны микроорганизмам за счет минерализации дополнительного ОБ, быстро обновляются, и поэтому они представлены наименее обуглероженными формами.

В качестве показателей элементного состава рассматривается процентное содержание основных элементов (в атомных %) и их атомные соотношения (Перминова, 2000). Результаты вычислений атомных отношений показаны в табл. 6.

Таблица 6. Атомные отношения и атомные проценты препаратов гумусовых кислот почвы и

копролитов по вариантам опыта (% на абсолютно сухое беззольное вещество).

Вариант опыта Образец Атомные отношения Атомные проценты Степень окислен-ности, ш

Н/С | О/С | С/И С | Н | N | О

Контроль ИоРоК«, Навоз-0 Почва Копролиты 1,18 1,18 Г 0,57 0,53 уминовь 11,28 11,28 ге кисл 35,2 35,8 ЭТИ 1-0 41,5 42,2 й фрг 3.1 3.2 1КЦИИ 20,2 18,9 -0,03 -0,12

МцоРцоКио Навоз-120 Почва Копролиты 1.13 1.14 0,55 0,52 11,90 11,97 36,2 36,4 40,9 41,5 3,0 3,0 19,9 19,0 -0,03 -0,10

Контроль N<№0 Навоз-0 Почва Копролиты 0,98 1,06 Г 0,54 0,51 уминовь 12,43 12,61 ю кисл 38,5 37,8 оты 2-е 37,6 40,0 й фрг ЗД 3,0 1КЦИИ 20,8 19,2 0,1 -0,04

ИцоРиоКло Навоз-120 Почва Копролшы 1,11 1,03 0,55 0,48 13,08 12,91 36.6 38.7 40,5 39,7 2,8 3,0 20,1 18,6 -0,01 -0,07

Контроль ИоРоК» Навоз-0 Почва Копролиты 1,30 1,37 Фул 0,88 0,88 ¡>вокисл 16,68 14,91 угы фр 30,8 30,1 акции-40,2 41,4 1 + фр 1,9 2,0 акции-27,2 26,5 2 0,46 0,38

М(8оР18оК-2|0 Навоз-120 Почва Копролшы 1,37 1,07 9,07 28,2 38,5 3,1 30,2 0,78

Соотношение Н/С ГК фракции-1 между почвой и копролитами не отличаются, разветвленность боковых цепей почвы и копролитов идентична. Однако ГК ранней стадии гумификации варианта с удобрениями имеют более сложное строение по сравнению с выпаханными почвами контроля.

Отличительной особенностью копролитов является низкая степень окисленносги (со) ГК 1-ой и 2-ой фракций, что связано с анаэробным фоном и дефицитом кислорода в кишечнике червей.

Анализ показателей элементного состава выявил некоторую редукцию структуры молекул ГК 2-ой фракции при использовании минеральных и органических удобрений - снижение содержания (с 38,5 до 36,6 атомных %) углерода, что является негативным фактом деструкции устойчивых форм гумуса. Однако деятельность червей в этом варианте способствовала повышению содержанию атомов С (38,7 атомных %). Таким образом, образуются устойчивые формы 1умусовых веществ. ФК копролитов более обогащены азотом по сравнению с ФК почвы, возможно, за счет деятельности анаэробных диазотрофов.

При расположении данных элементного состава ГК и ФК агродерново-подзолистой почвы и копролитов по убыванию содержания углерода, закономерно прослеживается возрастание содержания кислорода (табл. 7).

Таблица 7. Элементный состав гуминовых и фульвокислот (масс. %) в порядке уменьшения содержания С и увеличения содержания О.

Класс ГВ С Н N О

ГК-2 Копролиты + уд 55,02 4,75 4,97 35,26

ГК-2 Копролиты без уд. 53,82 4,78 4,98 36,42

ГК-1 Копролиты + уд 52,96 5,08 5,16 36,80

ГК-1 Копролиты без уд 52,49 5,20 5,43 36,88

ГК-2 Почва без уд. 52,76 4,34 4,95 37,95

ГК-2 Почва + уд. 52,25 4,86 4,66 38,23

ГК-1 Почва + уд. 51,94 4,94 5,09 38,03

ГК-1 Почва без уд. 50,85 5,04 5,26 38,85

ФК Копролиты без уд. 42,30 4,88 3,31 49,51

ФК Почва без уд. 42,47 4,66 2,97 49,90

ФК Почва + уд. 37,39 4,30 4,81 53,50

Примечание:

ГК-1 - гуминовые кислоты

1-ой фракции;

ГК-2 - гуминовые кислоты

2-ой фракции;

ФК - фульвокислоты фракции-1 + фракции-2;

без уд. - контрольный вариант, без удобрений: (ЫоРоКо Навоз-0); + уд. - вариант с удобрениями: ОМ18оР18оК21оНавоз-120).

По содержанию углерода и кислорода ГВ можно сгруппировать в несколько классов. Первый - гумусовые вещества, модифицированные биоконверсией (копролиты, прошедшие через кишечник червей), в большей степени обогащены углеродом, особенно устойчивые формы гумуса — ГК 2-ой фракции. Возможно, это связано с тем, что в кишечнике ДЧ кислородсодержащие функциональные группы ассимилируются микроорганизмами. Далее в ряду снижения углерода -ГК почвы, ФК копролитов и ФК почвы.

Данные элементного состава ГВ представляют возможность на основании диаграммы атомных отношений Н/С - О/С по Ван-Кревелену (Van Krevelen D.W., 1950) охарактеризовать их принципы строения и судить о направленности процессов, вызывающих трансформацию 1умуса (Черников и др., 1993; Черников, Яшин, 1995). Рис. 10.

Диаграммы Ван-Кревелена свидетельствуют об отличии строения гуминовых кислот конкрементов от таковых почв. Наблюдается тенденция формирования кластеров в зависимости от биологической трансформации гумусовых веществ: ГК копролитов дождевых червей и ГК почвы. Выраженный процесс декарбоксилирования указывает на биогенную модификацию ГК. В копролитах ярко выражена низкая степень окисленности (восстановительные условия формирования ГК) с одновременным увеличением содержания углерода в гуминовых кислотах 2-ой фракции, особенно в варианте с удобрениями. Использование органических и минеральных удобрений приводит к усложнению строения ГВ копролитов, особенно их лабильной части.

-► 1---* 2 ----> 3 • 4 @ 5 А б А 7

Рис. 10. Диаграмма атомных отношений элементного состава препаратов гуминовых кислот, выделенных из агродерново-подаолистой почвы и копролигов дождевых червей. / - ГК копролигов; // - ГК почвы; 1 - потеря СНз и СН2 групп, 2 - дегидратация, 3 -декарбоксилирование; 4 - ПС 1-ой фракции почвы; 5 - ПС 1-ой фракции копролигов; 6 - ПС 2-ой фракции почвы; 7 - ПС 2-ой фракции копролигов; К - Контрольный вариант (ЫоРоКо Навоз-О), Уд - вариант с удобрениями (Ы^оРгвоКгю Навоз-120 т/га).

Показатель Н/С снижается, возрастает конденсированность ядер ароматического углерода, происходит уплотнение структуры. В устойчивой части гумусовых веществ копролигов возрастает содержание как углерода, так и азота по сравнению с таковыми почвы.

Степень метаморфизма описывают отношения С/Н — Н/С, которые обрисовали этот процесс для ГК и ФК (рис. 11).

Термин «метаморфизм» используется в геохимии для описания процесса структурных преобразований минералов, горных пород, древнего оргатгического вещества под воздействием внешних факторов (температура, давление, химически активные вещества), а также степени преобразования ископаемых смол, древней растительности, степени конденсации ОВ (Перельман, 1973; Иванова, 2009). Степень метаморфизма закономерно повышается с возрастом органического вещества (Фацдюшкин, 2006).

Низкая степень метаморфизма свойственна фульвокислотам, средняя -большей частью лабильным гуминовым кислотам, высокая - устойчивым формам ГК. Степень метаморфизма бурых гуминовых кислот почв и копролигов практически идентична. Окультуривание приводит к изменению устойчивых форм

ГК: степень метаморфизма ГК удобренной почвы приближена к среднему уровню, тогда как при биоконверсии она возрастает.

С:11

1,05

1.0

0.95

0,9

0,85

0,8

0,75

0,7

0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 Я: С

Рис. 11. Степень метаморфизма органического вещества по диаграмме атомных отношений С:Н-Н:С препаратов гуминовых и фульвокислот почвы и копролигов дождевых червей.

I - «высокая» степень метаморфизма; II - «средняя» степень метаморфизма; III -«низкая» степень метаморфизма; ГК-1п - ГК 1-ой фракции почвы; ГК-1дч - ГК 1-ой фракции копролигов дождевых червей; ГК-2п - ГК 2-ой фракции почвы; ГК-2дч — ГК 2-ой фракции копролигов дождевых червей; К - Контрольный вариант (МоРоКо Навоз-О), Уд -вариант с удобрениями (Ы^оР^оКцо Навоз-120 т/га).

3.5.3. Биоэнергетический потенциал и степень уплотненностн молекулярной структуры гумусовых кислот почвы и копролнтов.

В данной работе ставилась задача оценить, насколько меняется энергетический потенциал ГВ за счет жизнедеятельности дождевых червей при использовании ими органического вещества в качестве источника питания, как энергоресурс.

Результаты расчетов теплоты сгорания (3° и коэффициента сА — степени уплотненности молекулярной структуры ОВ приведены в табл. 8.

Величины теплоты сгорания гумусовых кислот варьируют в широком диапазоне: от 19,3 до 20,61 кДж/г у гуминовых кислот, от 14,33 до 18,03 кДж/г у фульвокислот. Теплота сгорания ГК выше, чем ФК,' как это отмечено и другими исследователями (Пономарев, 1990; Водяницкий, 2000; Вг1ас1оичес, 1979). Теплота сгорания гуминовых кислот, модифицированных биоконверсией, то есть прошедших через кишечник дождевых червей, как 1-ой, так и 2-ой фракций выше, чем теплота сгорания ГК почвы. Следовательно, в копролитах синтезируются гуминовые кислоты более высокой энергоемкости, чем ГК почвы. Энергетический потенциал гуминовых кислот возрастает на фоне применения минеральных и

21

0 ГК-1п

© гк-ш

▲ ГК-2п А ГК-2дч ■ ФК-п И ФК-дч

Усиление степени метаморфизма ОВ

органических удобрений, особенно под воздействием дождевых червей (20,61 кДж/г).

Таблица 8. Теплота сгорания £3°, коэффициент сА - степень уплотненности молекулярной структуры ОВ гумусовых кислот образцов почвы и копролитов по вариантам опыта.

Вариант опыта Образец -G" кДж/г сА, %

Контроль NoPoKo Навоз-0 Почва Копролиты ГК 1-ой 4 19,41 20,03 )ракции 34,97 37,28

N180P180IC210 Навоз-120 Почва Копролиты 19,77 20,24 37,71 38,90

Кошроль NoPoKo Навоз-0 Почва Копролиты ГК 2-ой ( 19,30 20,25 фракции 42,32 42,03

N180P180K2K) Навоз-120 Почва Копролиты 20,11 20,61 38,92 44,26

Кошроль NoPoKo Навоз-0 Почва Копролиты ФКфр.1 18,03 18,01 + фр.2 18,53 16,47

N180P180K210 Навоз-120 Почва Копролиты 14,33 неопр. 3,57 неопр.

Дополнительным критерием для характеристики органического вещества является коэффициент сА - степень уплотненности молекулярной структуры ОВ (Мачулина, 2008), который рассчитывали по формуле B.C. Веселовского (Веселовский, 1963), выражали коэффициент в процентах:

4С:12—Н—20:16—3№14 --ж100%

Дождевые черви оказали позитивное влияние на уплотненность молекулярной структуры лабильных гумусовых кислот и значительно изменили этот показатель устойчивых ГК фракции 2 в варианте с удобрениями - до 44,26%. Следствием этого, возможно, явилось увеличение биоэнергетического потенциала ГВ копролитов. Степень уплотненности молекулярной структуры фульвокислот, наоборот, оказалась снижена в результате действия червей.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Дождевые черви являются типичными представителями функциональной группы средообразователей, которые существенно изменяют свойства почвы, особенно пахотного горизонта. Дождевые черви обогащают минеральную часть органическим веществом, оструктуривают общую массу почвы. Они также модифицируют естественную среду жизнедеятельности других почвообитающих организмов.

Влияние дождевых червей на почвенное плодородие может быть как прямым, так и косвенным. Их активное воздействие на почвенную массу отчетливо проявляется при сравнении почвы и копролитов, в которых выше содержание углерода и азота, а также увеличивается микробиологическая активность. Это приводит к трансформации гумусовых веществ, характер биохимических процессов приобретает аккумулятивную направленность.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Сельскохозяйственное освоение почвы ведет к формированию нового агробиоценоза, особенности которого зависят от ряда показателей и, прежде всего, от набора и сочетания удобрений и характера обработки почвы. Воздействие на почву не должно быть чрезмерно интенсивным: сочетание умеренных доз минеральных и органических удобрений, минимальное механическое воздействие на почву гарантирует сохранение видового разнообразия почвенного населения, способствует поддержанию плодородия почвы и созданию сельскохозяйственной продукции высокого качества.

2. Показано, что дождевые черви повышают общую биологическую активность почвы. С возрастанием численности люмбрицид увеличивается количество орибатид, коллембол, сапробиотических нематод отряда Rhabditida. Дождевые черви стимулирую активность микроорганизмов, особенно аноксигенных {Clostridium). Пройдя через желудочно-кишечный тракт червей, погибают фитопаразитические нематоды (Aphelenchoides besseyi), не развиваются некоторые аэробные микроорганизмы (Azotobacter).

3. В результате исследования состава гумусовых веществ копролитов установлено высокое общее содержание С и N и низкая экстрагируемость гуминовых и фульвокислот (относительно С), что может быть связано с закреплением гумусовых веществ за счет биогенного кальцита в теле ДЧ, модификацией органо-минеральной смеси кишечника собственными ферментами червей, а также гидролитическими ферментами микроорганизмов.

4. Графо-статистический анализ элементного состава гумусовых веществ копролитов показал, что они формируются в условиях недостатка кислорода, существенную роль в их преобразовании играют процессы декарбоксилирования, дегидратации, деметилирования, конденсации циклических ядер молекул, происходит обуглероживание ГВ, "ароматизация и снижение содержания в них функциональных групп.

5. Установлено, что в копролитах дождевых червей наблюдается увеличение биоэнергетического потенциала за счет формирования более энергоемких химических связей в молекулах гумусовых веществ. Степень метаморфизма и степени уплотненности молекулярной структуры ГВ закономерно возрастают от фульвокислот к лабильным гуминовым кислотам и далее, к серьм гуминовым кислотам.

Работы, опубликованные по теме диссертации

1. Кутовая О.В. Трансформация структуры микробного сообщества дерново-подзолистой почвы под воздействием дождевых червей / О.В. Кутовая // Агрохимический вестник. 2008. № 2. С.13-14.

2. Василенко Е.С. Изменение биогенности агродерново-подзолистой почвы под влиянием окультуривания / Е.С. Василенко, О.В. Кутовая // Бюл. Почв. Инта им. В.В. Докучаева. Вып. 56. 2002. С. 128-140.

3. Субботина О.В. (Кутовая О.В.). Архитекторы плодородия / О.В. Субботина //Юныйнатуралист. 1989. №7. С. 38-40.

4. Василенко Е.С. Экологические аспекты развития педобионтов при высокой агронагрузке в дерново-подзолистой почве / Е.С. Василенко, О.В. Кутовая // Современные проблемы и достижения аграрной науки в животноводстве и растениеводстве (Юбилейная международная научно-практическая конференция): Сборник статей. Часть 2. - Барнаул: Изд-во АГАУ, 2003. С. 39-42.

5. Субботина О.В. (Кутовая О.В.) Агрогешюе воздействие на ценоз дождевых червей и их влияние на гумусовое состояние дерново-подзолистой почвы / О.В. Субботина, К.В. Дьяконова, B.C. Булева // Материалы Межд. конф. «Проблемы антропогенного почвообразования». Т.З. М. 1997. С. 111-114.

6. Василенко Е.С. Почвенная биота / Е.С. Василенко, О.В. Кутовая // Тр. Межд. Форума по проблемам науки, техники и образования. М. 2001. С. 3239.

7. Кутовая О.В. Характеристика микрофлоры и направленности процессов в агродерново-подзолистой почве и в копролитах дождевых червей / О.В. Кутовая, Е.С. Василенко // Экология и биология почв. Матер. Междунар. научн. Конф. Ростов-на-Дону. 2007. С. 143-145.

8. Субботина О.В. (Кутовая О.В.), Подавление численности галловых нематод под влиянием дождевых червей / О.В. Субботина, С.А. Субботин // Материалы симпозиума. - Галловые нематоды сельскохозяйственных культур и комплексные меры борьбы с ними в открытом и защищенном грунте. «Дониш», Дущанбе, 1990. С. 83-84.

9. Субботина О.В. (Кутовая О.В.) Изменение численности свободноживущих и фитопаразитических нематод под влиянием дождевых червей / О.В. Субботина, С.А. Субботин // Материалы XI Всес. конф.. Нематодные болезни растений. Кишинев. 1991. С. 108-109.

Kutovaya O.V. Transformation С and N of humic matter in agro soddy podzolic soil by earthworms / O.V. Kutovaya, E.S. Vasilenko // Practical Solutions for Managing Optimum С and N Content in Agricultural Soils. 2003. P. 58-59.

11. Vasilenko E.S. Active microflora and mineralization of the organic matter with different C: N ratio in a sod-podzolic soil and typical chernozem /, E.S. Vasilenko, O.V. Kutovaya // Practical Solutions for Managing Optimum С and N Content in Agricultural Soils. 2003. P. 115.

И.Кутоеая О.В. Характеристика гумуса и микрофлоры агродерново-подзолистой почвы и копролитов дождевых червей / О.В. Кутовая, Е.С. Василенко // Тез. докл. Межд. Конф. Биогеография почв. Сыктывкар 2002. С. 115-116.

13.Шептухов В.Н. Влияние степени окультуренности почв Стародубского ополья на фауну дождевых червей / В.Н. Шептухов., О.В. Субботина (О.В. Кутовая) // Тезисы докладов конференции. Совершенствование системы диагностики питания сельскохозяйственных ратсений. Ялта. 1991. С. 114115.

14 .Субботина О.В. (Кутовая О.В.). Изменение видового состава и численности дождевых червей под влиянием различных систем удобрений на пахотной дерново-подзолистой почве / О.В. Субботина // Тезисы докладов Всес. конф. молодых ученых. Ноосферогенез: постановка и пути решения проблемы,-Кишинев. 1990. с. 106.

Подписано в печать:

20.04.2012

Заказ № 7230 Тираж -100 экз. Печать трафаретная. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 www.autoreferat.ru

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата сельскохозяйственных наук, Кутовая, Ольга Владимировна, Москва

61 12-6/386

На правах рукописи

КУТОВАЯ Ольга Владимировна

ВЛИЯНИЕ ДОЖДЕВЫХ ЧЕРВЕЙ {ОЬЮОСНАЕТА, ЬиМВШСЮАЕ) НА БИОТУ И ОРГАНИЧЕСКОЕ ВЕЩЕСТВО ДЕРНОВО-ПОДЗОЛИСТЫХ ПОЧВ ПРИ РАЗНЫХ СИСТЕМАХ ЗЕМЛЕПОЛЬЗОВАНИЯ

Специальность 03.0Почвоведение

Диссертация на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук

Научные руководители: доктор биологических наук Т.С. Всеволодова-Перель, кандидат сельскохозяйственных наук

К.В. Дьяконова

Москва-2012

ВВЕДЕНИЕ.............................................................................. 4

ГЛАВА 1. ДОЖДЕВЫЕ ЧЕРВИ КАК СОСТАВЛЯЮЩАЯ ЧАСТЬ БИОЦЕНОЗА, ИХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ С ДРУГИМИ ПРЕДСТАВИТЕЛЯМИ ПОЧВЕННОЙ БИОТЫ, ВЛИЯНИЕ НА ОРГАНИЧЕСКУЮ ЧАСТЬ ПОЧВЫ

(Обзор литературы)........................................................9

ГЛАВА 2. ПРИРОДНЫЕ УСЛОВИЯ, ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ

ИССЛЕДОВАНИЯ.......................................................32

2 Л. Природные условия и объекты исследований..........................32

2.2. Методы изучения почвенного населения................................41

2.3. Микробиологические методы исследования............................41

2.4. Методы изучения гумусовых веществ....................................43

2.5. Расчетные показатели........................................................46

ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ..47

3.1. Численность, видовой состав, периоды активности дождевых червей в исследованном агроценозе......................................47

3.2. Влияние различных способов механической обработки почвы на численность и видовой состав дождевых червей......................58

3.3. Взаимодействие дождевых червей с некоторыми представителями микрофауны...................................................................62

3.3.1. Взаимодействие дождевых червей с микроартроподами.. .63

3.3.2. Влияние дождевых червей на сапробиотических и фитопаразитических нематод....................................69

3.4. Изменение микробного статуса почвы под воздействием дождевых червей............................................................................75

3.4.1. Изменение микробиологической активности под

воздействием дождевых червей..................................76

2

3.4.2. Напряженность почвенно-микробиологических процессов в агродерново-подзолистой почве и копролитах дождевых червей..................................................................82

3.4.3. Зависимость функционирования эколого-трофических групп микроорганизмов от численности дождевых червей и степени окультуренности агродерново-подзолистой почвы..................................................................87

3.5. Трансформация гумусовых веществ агродерново-подзолистой

почвы дождевыми червями.................................................97

3.5.1. Устойчивость гумусовых веществ почвы и копролитов....98

3.5.2. Количественный элементный анализ гумусовых веществ почв и копролитов.................................................112

3.5.3. Термодинамические показатели и степень уплотненности молекулярной структуры гумусовых кислот почвы и копролитов..........................................................125

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...........................................................................139

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ................................................................140

Работы, опубликованные по теме диссертации................................142

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ..............................................................145

Актуальность.

Почва, являясь компонентом биосферы, выполняет в ней ряд глобальных функций. Экологические функции почвы базируются на ее двух основополагающих качествах: во-первых, почва служит средой обитания и опорой для огромного числа организмов; во-вторых, почва является незаменимым звеном всех биогеохимических циклов (Добровольский Г.В., Никитин Е.Д., 1990; Розанов А.Б., Розанов Б.Г., 1990).

Одной из главных составляющих почвы является гумус -геохимический аккумулятор и важнейший хранитель солнечной энергии (Ковда, Якушевская, 1971). Гумус, образующийся в результате гумификации органических остатков, имеет исключительно биологическое происхождение (Милановский, 2009).

Значимость дождевых червей в преобразовании органического

вещества (ОВ) почвы и формировании гумуса не вызывает сомнения

(Гиляров М.С, Стриганова Б.Р. 1978; Стриганова, Тиунов, 1991; Aubert M.,

2006). Отмечено увеличение скорости разложения растительных остатков за

счет сообщества микроорганизмов, микро- и мезофауны, в том числе

дождевых червей (Перель, Соколов, 1964; Стриганова, 1980; Bouche et al.,

1990; Ponge et al., 1999). Показано значение дождевых червей как

представителей группы "экосистемных инженеров" (Вызов, 2005;

Стриганова, 2006; Тиунов, 2007; Lavelle, Spain 2001), способных за счет

трофической активности, локомоторной деятельности модифицировать среду

обитания, то есть почву (Стриганова, 2000). Под действием дождевых червей

меняются физические свойства (Shipitalo, Butt, 1999), улучшается структура

(Larink et al., 2001). Происходит изменение микробиологического фона как на

поверхности норок червей (Полянская, Тиунов, 1996), так и в их копролитах

4

(Марфенина, 1989; Вызов, 2003; Parle, 1963). Почва в присутствии дождевых червей (ДЧ) обогащается азотом и углеродом (Zhang et al., 2000), что сказывается на развитии растений.

Тем не менее, значимость дождевых червей, механизмы и закономерности такого влияния люмбрицид на компоненты органического вещества почвы, а также на функционирование отдельных групп почвенной биоты остаются недостаточно изученными (Тиунов, 2007; Doube and Brown 1998; Scheu 2003; McLean et al. 2006).

Микроорганизмы и животное население почвы, определяющие ее биологическую и биохимическую активность, обусловливают особенности формирования состава гумуса и свойств гумусовых кислот (Кононова, 1963; Курчева, 1971; Орлов, 1974; Стриганова, Тиунов, 1991). Однако природа, состав, строение гумусовых веществ (ГВ), синтезируемых в кишечнике дождевых червей оценена недостаточно.

Цель исследований.

Оценить влияние деятельности дождевых червей на структуру и функционирование почвенных сообществ, а также на трансформацию органических веществ агродерново-подзолистой почвы.

Задачи исследований.

1. Сравнить численность и видовой состав дождевых червей при разных системах удобрений и способах обработки почвы.

2. Исследовать взаимодействие дождевых червей в экосистеме агродерново-подзолистой почвы с другими представителями почвенной биоты.

3. Изучить изменение микробного статуса почвы под воздействием дождевых червей, дать характеристику почвенно-биологических процессов, протекающих с их участием.

4. Изучить состав, свойства, природу гумусовых веществ (ГВ) почвы и копролитов, оценить их устойчивость к разложению.

5. Провести сравнительный анализ структуры и строения гумусовых веществ почвы и копролитов по элементному составу, оценить их биоэнергетический потенциал.

Научная новизна.

Впервые исследован групповой и фракционный состав органического вещества копролитов дождевых червей в условиях полевого опыта при различной системе удобрений. Впервые выделены препараты гуминовых кислот (ГК) и фульвокислот (ФК) различных фракций ГВ копролитов червей, определен элементный состав, изучены их свойства и показаны особенности строения. Для характеристики ОВ использован показатель «степень уплотненности молекулярной структуры ОВ», основывающийся на содержании конститутивных элементов С, Н, О, N в препаратах ГВ. Рассчитан биоэнергетический потенциал органического вещества копролитов и вмещающей почвы, проведена их сравнительная характеристика.

Практическая значимость.

Данные проведенных исследований могут быть использованы для составления рекомендаций для оптимизации механической обработки почвы, доз минеральных и органических удобрений с целью поддержания почвенного плодородия агродерново-подзолистой почвы, сохранения ее живого населения.

Апробация.

Материалы диссертации были представлены на конференциях: «Ноосферогенез: постановка и пути решения проблемы» (Кишинев, 1990), «Совершенствование системы диагностики питания сельскохозяйственных растений» (Ялта, 1991), «Нематодные болезни растений» (Кишинев, 1991); на симпозиуме «Галловые нематоды сельскохозяйственных культур и комплексные меры борьбы с ними в открытом и защищенном грунте» (Душанбе, 1990), на международных конференциях: «Проблемы антропогенного почвообразования» (Москва, 1997), «Биогеография почв» (Сыктывкар, 2002), «Современные проблемы и достижения аграрной науки в животноводстве и растениеводстве» (Барнаул, 2003), «Practical Solutions for Managing Optimum С and N Content in Agricultural Soils» (Прага, 2003), «Экология и биология почв» (Ростов-на-Дону, 2007).

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 14 работ, в том числе 1 статья в рецензируемом журнале.

Структура и объем работы.

Диссертация изложена на 167 страницах, содержит 25 таблиц, 18 рисунков. Работа состоит из введения, литературного обзора, главы «Природные условия и объекты исследования», главы «Методы исследования», пяти экспериментальных глав, заключения и выводов. Список литературы включает 186 источников, в том числе 95 зарубежных.

Выражаю свою огромную благодарность B.C. Булеевой, Е.С. Василенко, Ю.В. Куваевой, Б.М. Когуту, Т.В. Турсиной, A.C. Фриду, Ю.Н. Водяницкому, Н.Б. Хитрову, З.М. Пузаченко, О.В. Селицкой за участие и содействие в исследованиях, помощь в выполнении отдельных анализов, критические замечания, а также моральную поддержку.

ГЛАВА 1

ДОЖДЕВЫЕ ЧЕРВИ КАК СОСТАВЛЯЮЩАЯ ЧАСТЬ БИОЦЕНОЗА, ИХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ С ДРУГИМИ ПРЕДСТАВИТЕЛЯМИ ПОЧВЕННОЙ БИОТЫ, ВЛИЯНИЕ НА ОРГАНИЧЕСКУЮ ЧАСТЬ ПОЧВЫ (Обзор литературы).

1.1. Почва как компонент биосферы.

Почва, являясь компонентом биосферы, выполняет в ней ряд глобальных функций, которые не могут быть выполнены никакой другой частью биосферы.

Экологические функции почвы базируются на ее двух основополагающих качествах. Во-первых, почва служит средой обитания и опорой для огромного числа организмов; во-вторых, почва является незаменимым звеном всех биогеохимических циклов.

Главная функция почвы - обеспечение жизни на Земле. (Добровольский Г.В., Никитин Е.Д., 1990; Розанов А.Б., Розанов Б.Г., 1990). Именно в почве концентрируются все питательные вещества и химические элементы в доступной форме, необходимые для роста и развития живых организмов. В почве аккумулируется запас воды, необходимый для жизнедеятельности всего живого. Почва служит средой обитания многочисленных позвоночных, беспозвоночных животных, а также микроорганизмов; средой для укоренения наземных растений.

Вторая функция почвы - регулирование потоков веществ в биосфере. Все биогеохимические циклы элементов, включая циклы органогенных элементов - углерода, азота, кислорода осуществляются через почву. Она может выступать как в качестве геомембраны, так и в качестве аккумулятора биофильных элементов. Таким образом, почва выступает связующим звеном в биогеохимических циклах различных веществ и элементов.

Третья функция почвы - регулирование состава атмосферы и гидросферы. Постоянный газообмен между почвой и атмосферой идет благодаря высокой пористости, а также за счет плотной заселенности почвы организмами. За счет жизнедеятельности живых организмов из почвы постоянно выделяются С02, СО, Н2, СН4, Ы20, N02, N2 и другие газы, также необходимо отметить, что только за счет растений и водорослей, живущих в почве поглощается углекислый газ, только азотфиксирующие бактерии способны использовать молекулярный азот из воздуха для построения собственных клеток. Очень активно идет поглощение кислорода из воздуха. Почва сорбирует токсичные промышленные выбросы газов и очищает атмосферу от техногенного загрязнения.

Почва принимает самое активное участие в гидрологических процессах. Вода в почве становится мощной транспортной геохимической системой, обеспечивающей перемещение веществ в пространстве. Почва является главным, а иногда единственным источником воды для произрастающих на ней растений и обитающих животных. В.И. Вернадский считал почвенные растворы «основным элементом механизма биосферы» (Вернадский В.И., 1960). Почвенный раствор играет огромную роль в питании растений, животных, микроорганизмов; принимает активное участие в процессах преобразования минеральных и органических соединений в почве, их передвижению. Почва избирательно отдает в поверхностный и подземный сток (грунтовые воды) растворимые в воде химические вещества, определяя гидрохимическую обстановку.

Четвертой важнейшей функцией почвы является накопление в органогенных горизонтах специфического органического вещества гумуса и связанной с ним химической энергии. Поскольку гумус в той или иной мере определяет практически все параметры почвы, его сохранению и накоплению при сельскохозяйственном производстве должно уделяться особое значение.

Дегумификация почв ведет к ухудшению структуры, изменению водно-воздушного баланса, окислительно-восстановительных свойств почвы, к снижению биологического разнообразия и уменьшению микробиологического пула. Минерализация гумусовых веществ при нерациональном использовании почв приводит к снижению запаса биофильных элементов, а также повышению концентрации углекислого газа в почве и атмосфере. Вероятная прибавка запасов С02 в атмосфере за счет дегумификации почв составляет 1000 млрд. т, что является весьма существенным для «парникового эффекта» (Розанов А.Б., Розанов Б.Г.,1990)

Следующая глобальная функция почвы - защитная по отношению к литосфере. Почва защищает литосферу от воздействия экзогенных факторов, регулируя интенсивность геологической денудации суши.

Нельзя не отметить такую глобальную функцию почвы как генерирование и сохранение биологического разнообразия. Чрезвычайно большое разнообразие свойств почвы, разнообразное их сочетание (механический состав, содержание гумуса, плотность, кислотность, засоленность, и т.д.) создают огромное разнообразие условий жизнедеятельности организмов.

По отношению к человеку почва является главным средством сельскохозяйственного производства и местом поселения людей.

Деятельность человека представляет собой мощный экологический фактор, оказывающий многостороннее влияние на свойства и характер почвообразовательного процесса (Гаркуша, 1956; Никитин, 1976). Для поддержания плодородия почв на высоком уровне, для создания агробиоценозов с оптимальными свойствами необходимо особое внимание уделять изучению почв как природных саморегулирующихся систем. В связи с этим важной проблемой является оценка и прогнозирование тех изменений, которые происходят при освоении, использовании, окультуривании почв в сельском хозяйстве.

Исходя из вышесказанного невозможно не отметить связь всех главных функций почвы с её живой частью, с почвенной биотой. Таким образом, изучение функционирования почвы, т.е. изучение почвенных процессов любого уровня - от элементарных до глобальных, невозможно в отрыве от изучения почвенно-биологических и биохимических процессов. Актуальным является изучение видового разнообразия и численности всех размерных групп почвенных обитателей:

- микроорганизмов (бактерии, грибы, актиномицеты, дрожжи)

- микрофауны (простейшие, нематоды, кловратки, тихоходки, клещи, коллемболы)

- мезофауны (дождевые черви, энхитреиды, насекомые, пауки и др.)

- макрофауны (позвоночные: грызуны и др.).

Кроме того, представляет интерес изучение экотопов и экониш различных представителей живой части почвы. Так как именно эти сведения дают возможность определить особенности влияния биоты на почву в пространственном отношении.

Изучения продуктов жизнедеятельности почвенных организмов, в том числе ферментов и гумусовых веществ, с использованием биохимических методов позволяет оценить энергетический потенциал изучаемой почвы, особенности ее биологической активности и плодородия. Ферменты в десятки и сотни раз увеличивают скорость протекания реакций, что очень важно, т.к. не консервация поступающих в почву остатков, а их быстрая трансформация способствует обогащению ее гумусом и биогенными элементами (Вильяме, Фокс, 1975). Гумус, образующийся тем или иным путем в результате гумификации органических остатков, имеет исключительно биологическое происхождение (Милановский, 2006).

Поскольку почва является интегральной системой, для ее изучения

требуется предварительный анализ отдельных частей этой системы. Однако

неживые составные части, взятые отдельно от населяющих почву

организмов, уже не являются почвой, и равным образом почвенное население без среды его обитания - только отвлеченное понятие. Поэтому изучение почвенного населения имеет смысл только при довольно развернутой характеристике окружающего мира, то есть почвы.

1.2. Дождевые черви как составляющая часть структуры биоценоза и агроценоза.

«Земля без дождевых червей была бы холодной и непитательной».

Гилберт Уайт, 1789.

История образования педосферы тесно связана с деятельностью биоты. Без понимания законов функционирования живых организмов в природе - не может быть науки о почве.

Все процессы на Земле обеспечиваются энергией Солнца. Главный запас потенциальной биогенной энергии сосредоточен в почвенном покрове в виде корней растений, биомассы микроорганизмов, почвенных животных и г