Оценка состояния почв необрабатываемых сельскохозяйственных угодий по показателям ферментативной активности, гумуса и тяжелых металлов

Полный текст

Введение. В настоящее время во многих сельскохозяйственных регионах страны увеличивается количество необрабатываемых пахотных земель. При выходе из сельскохозяйственного оборота почвы теряют свои свойства, определяющие их плодородие, в том числе, изменяется их биологическая активность. Неиспользуемые сельскохозяйственные угодья, – залежи, – являются примером восстановительной сукцессии: в первые несколько лет зарастают однолетними и двухлетними растениями, позже – корневищными растениями, кустарниками и деревьями. При этом на залежах накапливается органическое вещество, образуется дернина, почва становится более плотной. Ферментативная активность отражает состояние плодородия почв и внутренние изменения, происходящие при сельскохозяйственном использовании. Совместно с другими критериями оценка ферментативной активности может служить надежным диагностическим показателем для выявления степени окультуренности почв, т. к. обработка почв, внесение удобрений и проведение мероприятий, направленных на повышение плодородия почв, существенно изменяют экологическую нишу для развития почвенных микроорганизмов [1; 3].

Ферменты, относящиеся к классам гидролаз и оксидоредуктаз (инвертаза, уреаза, фосфатаза, протеаза и др.), участвуют в основных процессах гумификации почв, поэтому их активность –важный показатель плодородия почв. По мнению ряда исследователей, ферментативная активность почвы является отражением взаимодействия некоторых тяжелых металлов и микроорганизмов, что позволяет говорить о влиянии загрязнения тяжелыми металлами на ферментативную активность почвы [3]. Накопление в почвах необрабатываемых сельскохозяйственных угодий больших концентраций тяжелых металлов вызывает угнетение микрофлоры и микрофауны почвы, ее биохимических процессов и ухудшение состояния растительности этих территорий, что может привести к невозможности вторичного ввода почв в сельскохозяйственное использование. Загрязненность почвенного покрова пахотных земель следует рассматривать как нарушение природного равновесия, потерю возможности самовосстановления и переход к необратимым деградационным процессам [9]. Как известно, тяжелые металлы характеризуются низкой подвижностью в почвах и высокой способностью к аккумуляции [2; 15]. Поведение тяжелых металлов во многом зависит от окислительно-восстановительных процессов почвы, наличия сложных биогеоценозов и прочих факторов. В результате воздействия солей тяжелых металлов происходит угнетение процессов жизнедеятельности микрофлоры и микрофауны почвы, нарушение ее биохимических процессов, приводящих к ухудшению состояния или гибели растительности на данной территории [16].

Целью настоящего исследования является оценка состояния почв необрабатываемых сельскохозяйственных угодий по показателям ферментативной активности, гумуса и тяжелых металлов.

Объекты и методы исследования. Объектом исследований являются почвы необрабатываемых сельскохозяйственных угодий Владимирской области и частично Ивановской области, расположенные в бассейне реки Клязьма, представленные в основном дерново-подзолистыми и серыми лесными почвами с различным характером зарастания. В ходе проведения полевых исследований в 2018 г. на территории бассейна реки Клязьма в 13 точках различных ландшафтных районов были отобраны образцы почвы.

Ландшафты, относящиеся к территории Ковровского района (Точки № 1-3), а также западная часть Вязниковского района (Точки № 4-5) представляют собой слаборасчлененную пологоволнистую равнину с заболачиванием пониженных участков. На суглинистых и песчаных дерново-подзолистых почвах произрастают елово-широколиственные леса. Центральная и восточная части Вязниковского района (Точки № 6-7) располагаются на слаборасчлененной пологонаклонной равнине с преимущественно песчаными, дерново-подзолистыми почвами. Преобладают елово-широколиственные леса. Правобережье Клязьмы в Собинском районе (Точка № 8) относится к лесным заболоченным зандровым ландшафтам Мещерской провинции. Плоская пониженная и пологоволнистая равнина слабо расчленена. На песчаных дерново-подзолистых почвах произрастают сосновые южнотаежные леса. Ландшафты по левому берегу Клязьмы относятся к Клинско-Дмитровской и Волжско-Клязьминской ландшафтным провинциям. Собинский и Александровский районы (Точки № 9-11) представлены восточной оконечностью Клинско-Дмитровской гряды с сильно развитой долинно-балочной сетью. В настоящее время большая часть территории распахана, современные остатки лесов в основном осиново-дубовые. Ландшафты юга Ивановской области (Точки № 12-13) относятся к центральной части Волжско-Клязьминской провинции и характеризуются суглинистыми дерново-подзолистыми почвами и неглубоким залеганием материнских пород [13].

Собинский и Александровский районы представлены серыми лесными почвами, они занимают значительную часть территории данных административных единиц. Все остальные точки пробоотбора располагаются на дерново-подзолистых почвах.

Точки пробоотбора № 1-3 расположены на территории Ковровского района (Рис. 1) и находятся на небольшом расстоянии друг от друга. Они представляют собой последовательность фитоценозов «лес-залежь-луг», такое расположение позволяет сравнить основные агрохимические показатели почв при переходе от одного фитоценоза к другому. При оценке биологической активности почв проводилось определение каталазы, дегидрогеназы и инвертазы. Анализы выполнены стандартными методами оценки ферментативной активности почв [11]. Каталазная активность определялась газометрическим методом, дегидрогеназная активность – ТТХ-формазановым методом. Инвертазная активность определялась по учету восстанавливающих сахаров [5]. Каждый анализ был выполнен в трех аналитических повторностях со средней пробой, при градации ферментативной активности почв использовалась оценочная шкала по Д.Г. Звягинцеву.

 

Рис. 1. Фрагмент спутникового снимка с нанесенными точками отбора проб № 1-3

 

Содержание гумуса определялось по ГОСТ 26231-91, кислотность солевых вытяжек почвенных образцов определялалась по ГОСТ 26483-85, концентрации тяжелых металлов в образцах почв определялись рентгенофлуоресцентным методом на спектрометре «Спектроскан-МАКС-G».

Обсуждение результатов. В результате исследования получены данные по содержанию органического вещества (гумуса) в почвенных образцах, ферментативной активности и содержанию тяжелых металлов. В таблице 2 приведены данные, характеризующие рельеф, растительный покров на точках отбора, а также результаты анализа ферментативной активности.

 

Таблица 1

Содержание ферментов и гумуса в почвах

Тип почвы, фитоценоз	Содержание ферментов			Гумус, %
	Инвертаза, мг глюкозы/г*сут-1	Дегидро-геназа, мг ТФФ/10г*сут-1	Каталаза, мл/г*мин-1
Дерново-подзолистая почва, смешанный лес	9,5	<1	38	3,24
Дерново-подзолистая почва, зарастающая залежь	49	63,8	5	2,7
Дерново-подзолистая почва, разнотравный луг	61,3	<1	8	3,33
Дерново-подзолистая почва, злаково-разнотравный луг	56,8	<1	3	4,6
Дерново-подзолистая почва, смешанный лес	8,6	10,5	6	3,49
Дерново-подзолистая почва, разнотравный злаковый луг	50,5	98,8	5	3,64
Дерново-подзолистая почва, злаковая залежь	53	77,3	33	3,96
Дерново-подзолистая почва, разнотравный луг	27,8	79,3	23	0,7
Серая лесная почва, равнина, высота – 169 м, поле, засаженное клевером и люцерной	69,1	<1	17	2,88
Серая лесная почва, суходольный луг	57,9	<1	35	3,31
Серая лесная почва, зарастающая залежь	14,2	<1	10	0,96
Дерново-подзолистая почва, зарастающая залежь	4,7	22,3	8	1,18
Дерново-подзолистая почва, суходольный луг	9,4	75,9	2	1,46

 

На исследуемых территориях выявлены почвы с различными показателями ферментативной активности. В точках № 1, 3, 4, 9-11 (Ковровский, Вязниковский, Собинский и Александровский районы) – почвы с низкими показателями, в особенности дегидрогеназы, где зафиксированы значения менее 1 мг ТФФ/10 г сут-1, что говорит об очень низкой обогащенности почвенными ферментами. В точках № 2, 7 и 10 (Ковровский, Вязниковский и Собинский районы) – почвы с высокими показателями по двум из трех исследуемых ферментов сразу. В ряде исследований отмечалось, что морфологические особенности дерново-подзолистых почв определяют и невысокий уровень их биологической активности [8].

Полученные в исследовании данные по содержанию почвенных ферментов позволяют судить о процессах гумификации и окультуривания почв. Так, наибольшей ферментативной активностью характеризуются почвы Вязниковского и Собинского районов Владимирской области, где степень обогащенности почв дегидрогеназой и каталазой достаточно высокая. В то же время почвы Собинского и Александровского районов, представленные серыми лесными почвами, отличаются большим плодородием по сравнению с дерново-подзолистыми несмотря на то, что уровень ферментативной активности у них ниже. Наименьшие показатели отмечены даже не на лугу, а у молодой залежи, что объясняется истощением почвы вследствие интенсивного ведения процессов земледелия (табл. 1).

Установлено, что наименьшие показатели инвертазной активности зафиксированы на почвах под растительными ассоциациями в виде смешанного леса, а также на суглинистых дерново-подзолистых почвах в центральной части Волжско-Клязьминской провинции. Эти почвы также характеризуются низким содержанием гумуса (менее 1,5%).

Анализ результатов, полученных на последовательности фитоценозов «луг-залежь-лес», показывает, что прослеживается определенная зависимость между показателями активности почвенных ферментов и антропогенным воздействием. Так, при переходе от залежи к лугу, т. е. при уменьшении антропогенного влияния на почвы, наблюдается резкое увеличение в почве активности инвертазы, каталазы и дегидрогеназы. Хотя показатели инвертазной активности серых лесных почв соответствуют средним показателям для серых лесных слабооподзоленных почв Владимирской области [7], активность инвертазы почв под смешанным лесом намного меньше средних показателей, полученных при исследованиях дерново-подзолистых легкосуглинистых почв в условиях лесных агроэкосистем [6; 10]. Корреляционных зависимостей между содержанием гумуса и активностью дегидрогеназы или каталазы не выявлено.

Согласно полученным данным установлены некоторые соответствия между показателями плодородия почв, геоботаническими характеристиками и количественным содержанием ферментов в почвенных образцах. Так, в почвах, характеризующихся высокой степенью обогащенности инвертазой (свыше 50 мг глюкозы/г сут^-1), процентное содержание гумуса по сравнению с другими образцами достаточно высокое и лежит в пределах от 2,88% и выше. Определение содержания тяжелых металлов в почвенных образцах и сравнение полученных результатов с их ориентировочно допустимыми концентрациями (ОДК) в почве (ГН 2.1.7.2511 – 09) позволило судить о наличии загрязнения почв тяжелыми металлами на исследуемых территориях. Результаты, полученные при анализе почвенных образцов на количественное содержание тяжелых металлов, представлены в таблице 2.

 

Таблица 2

Содержание тяжелых металлов и кислотность почвенных образцов (мг/кг)

№ об-ца	Кислотность солевой вытяжки, pH	Pb	Zn	Cu	Ni
1	5,75 (близкая к нейтральной)	82,40	42,45	39,85	21,09
2	4,69 (среднекислая)	64,71	49,90	53,12	30,89
3	6,55 (нейтральная)	97,67	78,70	65,62	26,40
4	5,44 (слабокислая)	60,57	72,21	93,74	45,43
5	4,35 (сильнокислая)	91,96	48,56	36,26	15,70
6	6,48 (нейтральная)	92,66	57,33	22,04	27,65
7	5,95 (близкая к нейтральной)	68,18	79,99	111,28	48,69
8	3,9 (очень сильнокислая)	62,25	55,58	0,029	16,66
9	6,18 (нейтральная)	83,10	25,50	4,39	13,48
10	6,1 (нейтральная)	69,43	110,32	128,01	58,62
11	5,89 (близкая к нейтральной)	51,74	80,20	119,72	55,31
12	5,83 (близкая к нейтральной)	61,05	86,51	79,27	57,65
13	5,71 (близкая к нейтральной)	59,72	68,15	82,02	35,78
	ОДК для почв с pHKCl< 5,5, мг/кг [4]	65	110	66	40
	ОДК для почв с pH> 5,5, мг/кг [4]	130	220	132	80

 

Согласно полученным данным установлены единичные превышения ОДК по свинцу, меди и никелю. Не выявлено зависимости активности почвенных ферментов от концентраций тяжелых металлов в отобранных образцах проб. Результаты исследования показывают, что даже при концентрациях цинка, меди и свинца, близких к ОДК, наблюдается высокая активность инвертазы и каталазы. Т. о. можно считать, что в целом исследуемые почвы не загрязнены соединениями тяжелых металлов. Однако содержание тяжелых металлов в образцах почв необрабатываемых сельхозугодий значительно превышают валовое содержание тяжелых металлов в почвах сельхозугодий (по данным за 2003 г.) [14] и статистическим данным по Владимирской области (за 2017 г.) [12], что говорит об их значительном накоплении в почве за последние десятилетия и потенциальной опасности в случае вторичного ввода почв в сельскохозяйственное использование.

Выводы. По результатам исследований установлена положительная зависимость между активностью почвенных ферментов и содержанием гумуса. В почвах необрабатываемых сельхозугодий, где отмечена высокая обогащенность почвенными ферментами, выявлено высокое содержание гумуса – от 2,88% до 3,96%.

Выявлена зависимость между показателями активности почвенных ферментов и антропогенным воздействием: при переходе от залежи к лугу, т. е. при уменьшении антропогенного влияния на почвы, наблюдается резкое увеличение в почве активности инвертазы, каталазы и дегидрогеназы, что говорит об активном процесс гумификации почвы. Содержание тяжелых металлов в почвах необрабатываемых сельхозугодий не превышает нормативов, установленных ОДК, однако их количественное содержание значительно выросло за последнее десятилетие. Происходит их накопление и возникает потенциальная опасность в случае вторичного ввода данных почв в сельскохозяйственное использование.

Об авторах

Наталья Владимировна Мищенко

Владимирский государственный университет им. Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых

Автор, ответственный за переписку.
Email: ivan33vl@yandex.ru

д-р биол. наук

Россия, Владимир

Иван Николаевич Курочкин

Владимирский государственный университет им. Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых

Email: ivan33vl@yandex.ru
Россия, Владимир

Наталья Валерьевна Чугай

Владимирский государственный университет им. Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых

Email: ivan33vl@yandex.ru

канд. биол. наук

Россия, Владимир

Екатерина Юрьевна Кулагина

Владимирский государственный университет им. Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых

Email: ivan33vl@yandex.ru

канд. биол. наук

Россия, Владимир

Список литературы

Дополнительные файлы