Изучена ферментативная активность почв и почвенное дыхание на различных стадиях дигрессии лесных экосистем. Установлены тенденции изменений изученных показателей в зависимости от стадии дигрессии - степени нарушенности структуры лесного биогеоценоза.

Введение

Лесные экосистемы наиболее сложны для изучения. Мало внимания уделяется почвенному компоненту лесных экосистем . Не решена проблема поиска наиболее интегральных характеристик функциональной активности почвенного компонента лесной экосистемы . В классической агрохимии разработаны методы изучения ферментативной активности почв.

(Хазиев, Галстян , Щербакова , Купревич и др.). Наиболее известный специалист по ферментативной активности почв Ф.Х.Хазиев считает, что благодаря сложному взаимодействию живых и неживых компонентов в почве складывается адекватная ситуации ферментативная активность. То есть почвенные ферменты образуют "функциональную систему" ( термин П.К.Анохина 1980).

Согласно представлениям, разработанным П.К.Анохиным в теории функциональных систем адекватная ферментативная активность - основной системообразующий результат в почвенном компоненте экосистемы (Ф.Х.Хазиев 1982). Таким образом, разумно предположить, что ферментативная активность будет каким -либо образом закономерно меняться в зависимости от стадии антропогенной дигрессии лесной экосистемы.

Наиболее интегральной характеристикой почвенного компонента экосистемы по мнению авторов является почвенное дыхание, которое характеризует интенсивность метаболических процессов в почве. Кроме того, целесообразно изучать активность каталазы, как фермента, характеризующего способность экосистемы трансформировать, образующиеся в процессе метаболизма перекисные соединения.

В качестве показателя косвенно характеризующего круговорот углерода предлагается использовать активность почвенной инвертазы.

Важным показателем, характеризующим "напряженность метаболизма в почве" является общее микробное число, поэтому его также необходимо измерять в исследуемых образцах почвы. Д.Г.Звягинцев (1986).

Материалы и методы

Объектом исследования являлись леса курортного поселка "Зеленый город" расположенного в непосредственной близости от крупных промышленных центров Нижнего Новгорода и Кстова. Леса данного курортного поселка испытывают интенсивную техногенную (нефтехимические предприятия в г. Кстово) и рекреационную (санатории) нагрузку. Были выделены участки леса находящиеся на соответствующей стадии дигрессии (А.К. Ибрагимов и сотр .1998). Отбор проб почв производился общепринятым методом "конвертом". Пробы почв отбирали в октябре 1999 года.

Размолотую почву просеивали через сито с диаметром отверстий 1 мм. Для данной почвы были определены: актуальная кислотность, активность каталазы, активность инвертазы, почвенное дыхание, общее микробное число.

Актуальную кислотность определяли общепринятым методом ( Аринушкина 1978).

Общее микробное число почвы определяли по общепринятому методу последовательных разведений (А.С.Лабинская 1976).

Активность каталазы определяли по методу, предложенному А.Ш.Галстяном (Ф.Х.Хазиев 1990). Активность инвертазы определяли по методу, предложенному В.Ф.Купревичем И Т.А.Щербаковой ( Ф.Х.Хазиев 1990).

Почвенное дыхание определяли по методу предложенному Л.О.Карпачевским (В.И.Титова и др.1999). Затем интенсивность почвенного дыхания на 1 стадии дигрессии принимали за 100 % и выражали интенсивность почвенного дыхания на каждой стадии дигрессии в процентах.

Результаты и обсуждение

Измерения ферментативной активности и дыхания почв проведены как в лиственных так и хвойных лесах. Результаты измерений представлены в таблицах. Очевидно, что тенденции изменений ферментативной активности почв в лиственных и хвойных лесах в зависимости от стадии дигрессии различны.

В лиственных лесах наблюдаются следующие тенденции изменений ферментативной активности и общего микробного числа почвы (таблица 1).

рН почв меняется незначительно в сторону увеличения (с 5,56 на 1 стадии дигрессии до 6,13 на 5 стадии дигрессии).

Микробиологический анализ почвы показал, что в лиственных лесах в почвах преобладают плесневые грибы. Причем динамика численности грибов в почве весьма своеобразна. В ненарушенной экосистеме (на 1 стадии дигрессии) в 1 грамме почвы содержится более 10 8 жизнеспособных клеток грибов. На 3 стадии дигрессии количество грибов в почве падает на 3 порядка . На 3 стадии дигрессии количество грибов уменьшается относительно 3 стадии дигрессии а на 5 стадии вновь возрастает и превышает общее микробное число на 3 стадии ( Таблица 1).

Аналогичная тенденция была обнаружена и при измерениях активности инвертазы.

Наивысшая активность инвертазы наблюдалась на 1 стадии дигрессии, затем активность инвертазы снижалась к 3 стадии до 0 и затем активность инвертазы увеличивалась на 5 стадии дигрессии. Эти факты хорошо согласуются с данными литературы о том , что основным источником инвертазы в почвах являются плесневые грибы . Инвертазная активность также отражает процессы образования гумуса в почве (Ф.Х.Хазиев 1990).

Наиболее показательно изменяется дыхание. Если принять интенсивность дыхания на 1 стадии дигрессии за 100 % , то интенсивность дыхания сначала растет на 3 стадии, а затем на 4 стадии снижается и на 5 стадии снижается до 0 . Таким образом, вероятно интенсивность дыхания почвы может быть индикатором критического состояния почвенного компонента лесной экосистемы.

Также показательно изменение каталазной активности почв в зависимости от стадии дигрессии. На 1 и 3 стадиях каталазная активность почв отсутствует, а проявляется на 4 и 5 стадиях дигрессии. Каталазная активность может свидетельствовать о наличии в почве небольших количеств перекиси водорода, которая появляется в результате процессов дыхания. Любопытно, что на 5 стадии дигрессии каталазная активность наблюдается, а дыхание отсутствует. Это может быть косвенным свидетельством того, что процессы катаболизма в почве на 5 стадии дигрессии преобладают над процессами анаболизма.

По сравнению с лиственными лесами тенденции изменения ферментативной активности, почвенного дыхания, общего микробного числа почвы в сосновых лесах в чем- то совпадают, а в чем-то различаются.

рН также монотонно растет от 1 к 5 стадии дигрессии. Почвенное дыхание также нарастает к 3 стадии дигрессии по сравнению с 1 стадией, однако в отличие от лиственных лесов остается высоким на 4 стадии дигрессии, но также как и в лиственных лесах падает на 5 стадии дигрессии ( Таблица 2) .

Общее микробное число изменяется в зависимости от стадии дигрессии не так как в лиственных лесах. Если на 1 стадии дигрессии преобладают плесневые грибы, то на 5

стадии доминируют бактерии, причем общее микробное число нарастает от 1 к 4 стадии дигрессии , а на 5 стадии дигрессии падает ( Таблица 2).

Тенденция изменения активности инвертазы в сосняках не совпадает с тенденцией изменения общего микробного числа. Активность инвертазы на 1 и 3 стадиях нулевая , наивысшая активность на 3 стадии и средняя активность на 5 стадии .Такое несовпадение можно объяснить антибиотической активностью почв в сосняках, которая оказывает существенное влияние на динамику микробного сообщества в почве.

В сосняках наблюдается хорошее совпадение значений почвенного дыхания и активности каталазы. Наивысшее значение активности каталазы на 3 стадии дигрессии совпадает с наивысшим значением интенсивности почвенного дыхания.

Таким образом, активность инвертазы, интенсивность почвенного дыхания и активность каталазы могут служить индикаторами нарушения метаболических процессов в почвенном компоненте лесной экосистемы на различных стадиях антропогенной дигрессии.

Выводы

Выявлены тенденции изменения ферментативной активности почв на разных стадиях антропогенной дигрессии. Для характеристики микробоценоза почвы необязательно изучать его видовую структуру . Можно интегрально охарактеризовать метаболическую активность микробоценоза посредством измерения ферментативной активности почвы. Изменения в микробоценозе возникающие в процессе антропогенной дигрессии находят свое отражение в изменениии ферментативной активности почв. Наиболее явно изменение метаболизма почвы проявляется в изменении почвенного дыхания, которое исчезает на 5 стадии дигрессии. Напротив к 5 стадии нарастает активность каталазы, что свидетельствует о преобладании процессов катаболизма в почвенном компоненте лесной экосистемы. Особенно четко преобладание процессов распада проявляется в несовпадении динамики изменений активности каталазы и почвенного дыхания. Предполагается, что данные изменения являются проявлением глубоких закономерностей функционирования лесной экосистемы.

По мнению авторов ферментативная активность почв адекватно характеризует состояние почвенного компонента лесной экосистемы на разных стадиях антропогенной дигрессии.

Следовательно, целесообразно использовать измерения ферментативной активности почв для диагностики критических состояний лесной экосистемы.

Исследования ферментативной активности почв в лесных экосистемах, находящихся на разных стадиях дигрессии будут продолжены.

Исследования выполнены при поддержке РФФИ ( проект 98-04-49048)

Литература

1. А.К.Ибрагимов , Р.Д.Хабибуллин , А.А.Ибрагимов , М.А.Патова Экосистемы : антропогенный стресс , адаптация и стабилизация. Нижний Новгород 1998.- 104с.

2. Хазиев Ф.Х. Методы почвенной энзимологии / отв.ред Д.Г.Звягинцев -М.: 1990 . - 150с.

3. Экологическая роль микробных метаболитов / Под ред Д.Г.Звягинцева -М.: МГУ , 1986 . - 240с.

4. А.С.Лабинская Микробиология с техникой микробиологических исследований М.Медицина 1978 . - 379с.

5. Хазиев Ф.Х. Системно-экологический анализ ферментативной активности почв.- М.: 1982 - 203 с.

6. В.И.Титова, М.В.Дабахов ,Е.В.Дабахова Сельскохозяйственная экология Н.Новгород НГСХА 1999.- 90с.

7. Анохин П.К. Узловые вопросы теории функциональной системы М.Наука 1980.- 197 с.

8. Аринушкина Е.В. Руководство по химическому анализу почв М.МГУ. 1978 . 487 с.