Введение. Биологические методы оценки экологического состояния почв дополняют более традиционные оценки физико-химических свойств, так как химические и физико-химические методы исследования не могут охватить все многообразие условий, определяющих экологический статус почв. Сегодня очень остро встает вопрос о рациональном использовании почвенных ресурсов и механизмах управления воспроизводством почвенного плодородия. Такие задачи как воспроизводство плодородия почв, улучшение баланса питательных веществ должны решаться с учетом биологических и климатических особенностей данного ландшафта. В системе почва–микроорганизмы происходят закономерные изменения количества и качества микроорганизмов, направленности и напряженности микробиологических процессов, которые интегративно определяются как микробиологическая сукцессия. Трансформация свежего органического вещества (ОВ) представляет собой сложный многоступенчатый биологический процесс, при котором происходит как разложение так и синтез сложных органических соединений и который протекает с различной скоростью на поверхности почвы. На него влияет комплекс факторов, но основными являются условия микроклимата, увлажнения, аэрации и биохимической активности [2]. Цель работы состояла в том, чтобы установить различия биологической активности почв различного генезиса и хозяйственного использования, используя оценки скорости трансформации различных по химизму видов ОВ в одинаковых условиях среды.
Методика. Эксперимент по трансформации различных типов ОВ проходил в полевых условиях на территории Белгородского р-на Белгородской области (зона типичной лесостепи, 50º 38' с.ш., 36º 26' в.д.). В районе исследования средняя годовая температура воздуха составляет 6,5 °С, среднегодовая сумма атмосферных осадков – 553 мм. Опыт заложен 28.10.2012 г., в последующие три дня отмечены первые атмосферные осадки (обложные дожди). Время экспонирования образцов составило 173 дня при отсутствии растительного покрова. Для унификации гидротермических условий полевой опыт был заложен в одном месте, но в каждую из делянок была перенесена почва из слоя 0-20 см в соответствии с намеченными вариантами: целина, залежь, лесная полоса, эродированная, намытая и новообразованная почва. Глубина закладки образцов ОВ – 10 см. Для формирования гумусового профиля черноземных почв верхний 10-сантиметровый слой имеет большое значение, т.к. размещенные в нем корни являются источником гумуса не только для этого же слоя, но и отчасти для всего почвенного профиля. Почва ниже и выше образцов ОВ характеризовала микробиологическую ситуацию данного варианта. Устойчивые генетические особенности почв устанавливали по их валовому составу, который определяли на ренгенфлуоресцентном анализаторе “Спектроскан МАКС–GV”. Образцы ОВ представляли собой стандартную льняную ткань, а также зеленую фитомассу, подстилку и ветошь ковыля волосатика (Stipa capillata), отобранные на целинном участке. Так как льняная ткань более однородна по химическому составу и разлагается быстрее, чем структурные части злаков, то результаты по ней могут достоверно отражать исходную биологическую активность почвы по вариантам опыта. До закладки массу сухих индивидуальных образцов ОВ (в среднем по 8-9 г) взвешивали на аналитических весах AN200 “AXIS” с точностью до 0,001 г. Затем образцы были помещены в капроновые мешочки, обшитые синтетическими нитками. Повторность 3-кратная.
Характеристика объектов, из которых сформированы варианты полевого опыта:
1. Вариант 1 был отобран у платообразного уступа у днища балки (целина). Растительность представлена пырейной ассоциацией. Почва - смыто-намытая среднесуглинистая. Валовое содержание СаО - 1,31 %; Р2О5 - 0,12%; К2О - 1,61%.
2. Вариант 2 был отобран в бровке балки (прибалочная лесная полоса). Растительность многовидовая - клены остролистный и татарский, вяз, береза. Почва - новообразованная лесная. Валовое содержание СаО - 1,41 %; Р2О5 - 0,14%; К2О - 1,92%.
3. Вариант 3 был отобран в нижней части склона крутизной около 2° (пашня). Растительность представлена озимой пшеницей. Почва - пахотная слабосмытая. Валовое содержание СаО - 0,90 %; Р2О5 - 0,16%; К2О - 1,97%.
4. Вариант 4 был отобран у балочного склона крутизной 15° (целина). Растительность - разнотравная. Почва - среднесмытая среднесуглинистая (мощность гор. А+АВ - 12 см). Валовое содержание СаО - 0,87 %; Р2О5 - 0,08%; К2О - 2,02%.
5. Вариант 5 был отобран на вершине вала "Белгородской засечной черты" (разреженная лесная полоса). Растительность представлена рудеральным разнотравьем. Почва - новообразованная за 365 лет степная почва (при косвенном участии лесной растительности). Валовое содержание СаО - 4,63 %; Р2О5 - 0,12%; К2О - 1,82%.
6. Вариант 6 был отобран на пологом склоне (залежь (20 лет)). Растительность представлена восстановительной сукцессией. Почва - постагрогенная слабосмытая. Валовое содержание СаО - 1,14 %; Р2О5 - 0,10%; К2О - 1,67%.
Результаты и их обсуждение. Биогеохимическую оценку почв проводили по анализу содержания в них питательных элементов растений, в частности соотношения сумм необходимых макроэлементов (Ca, K, Mg, P) и необходимых микроэлементов (Mn, Fe, Ni, Cu, Zn) [2]. Варианты опыта по сумме необходимых макроэлементов располагаются в следующем порядке: 5<3<2<1,4<6, а по сумме необходимых микроэлементов: 5<1<3<2<6<4. Таким образом, особо выделяется по обеспеченности необходимыми элементами почва варианта 5, прежде всего, за счет окарбоначенности и повышенного содержания цинка. Наименее обеспечены питательными элементами для растений почвы вариантов 4 и 6 (обе расположены на трансаккумулятивных позициях в ландшафте).
Для оценки уровня загрязнения почв использованы данные по пяти сильно- и умеренно- опасным металлам в почве (Ni, Cu, Cr, As, V). С учетом нижних пределов, установленных для указанных элементов по фитотоксичности, произведен расчет среднегеометрического показателя загрязнения почв тяжелыми металлами, который показал, что наибольшую агротехногенную нагрузку испытала почва варианта 3, близки почвы 1, 2 и 6, а среднесмытая (№4) и молодая почва (№5) из-за общей геохимической обедненности показали наименьшие значения показателя загрязнения. Хотя следует отметить, что почва варианта 5 резко отличается от остальных почв более высоким содержанием стронция и свинца.
Влияние почвенных свойств на скорость разложения растительного вещества осуществляется двумя основными путями. Во-первых, от почвы зависит химический состав произрастающих растений, остатки которых при отмирании возвращаются с поверхностным опадом и отпадом корней. Во-вторых, в зависимости от содержания ОВ, температурного, водно-воздушного режима почвы, ее физических и физико-химических свойств различным почвам присуща определенная биологическая активность и, соответственно, потенциал преобразования растительного вещества в гумусовые соединения.
За 6 месяцев (XI-IV) эксперимента средняя температура воздуха оценивается величиной -2,6 °С, общая сумма атмосферных осадков, непосредственно влиявшая на условия увлажнения почвы, достигала 232 мм (42% от годовой суммы).
Используя W-критерий Вилкоксона, проведено сравнение результатов разложения отдельных видов ОВ (рис. 1) по парам. Установлено, что статистически значимыми на уровне значимости 0,01 являются различия по вариантам в разложении льняной ткани, как с ветошью, так и с подстилкой ковыля. Также статистически значимыми оказались различия между двумя видами мортмассы ковыля и каждого из них с зеленой фитомассой.
Рис. 1. Диаграмма результатов полевого опыта по разложению различных видов растительного вещества
Выявить наиболее биологически активную почву по результатам опыта не удается: у каждого вида растительного вещества в процессе его трансформации имелись определенные предпочтения в той совокупности физико-химических и биологических почвенных свойств, которые характеризовали варианты опыта. Почвенные свойства и микробиологическая активность новообразованной лесной почвы благоприятствовали наиболее сильной трансформации льняной ткани, а также степной подстилки. Зеленая фитомасса ковыля наиболее интенсивно разложилась в пахотной окультуренной слабосмытой почве, а ветошь – в постагрогенной (залежной) почве.
По всем видам растительного вещества самая низкая биологическая активность отмечена для почвы, новообразованной за 365 лет, но испытывавшей в недавнее время антропогенные воздействия из-за близости к дороге и жилой зоне.
Показательно сравнить полученные результаты по таким видам разлагаемого вещества, как лён, – стандартный тест, оперативно отражающий биологическую активность привнесенной в делянки почвы, и фитомасса ковыля, для которой требуется более разнообразный состав микробоценоза на более длительное время. Наиболее благоприятные стартовые условия для разложения ОВ имела почва из лесной полосы (вариант 2). Затем следует пахотная окультуренная почва вариант (вариант 3), которой несколько уступает старозалежная и целинная смыто-намытая почва (варианты 6 и 1). Однозначно наихудшими условиями для трансформации ОВ характеризовалась молодая почва (вариант 5). В среднесмытой почве (вариант 4) очень активно трансформировались свежие растительные остатки, но темпы деструкции льняной ткани были замедлены.
Заключение. Совокупное представление о биологической активности различных по генезису и хозяйственному использованию почв было достигнуто благодаря тому, что в идентичных гидротермических условиях по скорости разложения органических веществ, отличающихся по степени предшествующей трансформации (подстилка < ветошь < зеленая фитомасса < льняная ткань), можно судить о включении в процесс специализированных видов микроорганизмов. Показано, что особенности структуры и химического состава поступающего в почву растительного вещества, являются более определяющим фактором интенсивности процесса разложения, чем физико-химические свойства, приобретенные в результате природно-антропогенной эволюции почв.