Теоретическая и информационная основы биологической диагностики антропогенной деградации черноземов

Теоретическая и информационная основы биологической диагностики антропогенной деградации черноземов в Центрально-Черноземном регионе

Т.А. Девятова, А.А. Воронин, И.В. Румянцева, Воронежский государственный университет, Россия 

Наблюдаемое в последние десятилетия резкое усиление антропогенного пресса на почву сопровождалось постепенным формированием концептуальной, методической и нормативно-аналитической базы экологического мониторинга почв. Для решения мониторинговых задач формируется региональный банк эталонов с периодичностью, дифференцированной для различных параметров мониторинга в соответствии с их вероятной направленной изменчивостью в условиях определенного типа (почвенно-геоморфологического элемента) ландшафта. Основным объектом хранения и анализа информации являются провинциально-генетические подтипы черноземов, атрибутами которых служат их характеристики [1, 4].

Наиболее весомый вклад в суммарные показатели биологической активности вносят микроорганизмы и ферменты почв, выступающие в качестве редуцентов органических остатков, техногенных загрязнителей и участвующие в выполнении одной из важнейших функций почвы – превращении вещества и энергии, как в естественных, так и в ненарушенных деятельность человека экосистемах.

Тесная взаимосвязь между ферментативной активностью и агрохимическими показателями плодородия почвы позволяет использовать уровень активности ферментов для сравнительной оценки эффективности агротехнических приемов, плодородия почвы в целом, а также диагностики изменения почвы при различных антропогенных и естественных изменениях экосистемы [2].

При проведении многолетних и сезонных наблюдений за относительно устойчивыми, динамичными и режимными параметрами черноземов целинных, залежных сельскохозяйственных и урбанизированных объектов в Воронежской, Курской и Тамбовской областях использовались базовые элементы схемы экологического мониторинга. Детализация временной динамики ферментативной активности почв проводится с помощью компьютерного моделирования, с использованием педодинамических моделей при верификации их работы на конкретных объектах и по фиксированным срокам режимных наблюдений.

В качестве информационно-аналитической основы областного или локального агроэкологического мониторинга почв и земель использовались типовые базы данных и расчетно-аналитические модули соответствующих информационносправочных систем (ИСС) для оптимизации земледелия и землепользования.

Для характеристики биологической активности объекта исследования определяли ферментативную активность почвы [5].

Детальное исследование ферментативной активности черноземов в зональном разрезе свидетельствуют об увеличении активности всех изученных ферментов от черноземов оподзоленных до черноземов южных, достигая максимума в черноземах типичных (таблица 1). С глубиной ферментативная активность исследованных почв постепенно снижается. Наиболее резко это снижение проявляется в черноземах оподзоленных. Активность каталазы имеет противоположную направленность, что связано с увеличением содержания карбонатов в нижней части профиля. Максимальная каталазная активность отмечена в черноземе обыкновенном и южном, а минимальная – в оподзоленном. Высокая активность всех гидролитических ферментов, свидетельствующая о преобладании гидролитических процессов над окислительно-восстановительными, в лесостепных подтипах черноземов объясняется лучшими условиями увлажнения.

Интегральный показатель биологического состояния (ИПБС) зональных подтипов черноземов снижается в ряду: чернозем типичный>чернозем выщелоченный>чернозем обыкновенный>чернозем южный>чернозем оподзоленный (таблица 2).

Максимум ИПБС отмечен для чернозема типичного (94-100%). У других подтипов черноземов ИПБС равен 51-90% от чернозема типичного.

Минимальные значения отмечены для чернозема южного (51%). Отмеченные закономерности обнаруживаются в основном при сравнительной оценке ферментативной активности пахотных черноземов одного региона близких по своему генезису и свойствам. Выявлены корреляционные связи между ферментативной активностью и количеством подвижных соединений фосфора и азота (r=0, 67) и содержанием гумуса (r=0, 94). Статистическая обработка данных по ферментативной активности целинных и залежных почв показала, что длительная распашка приводит к заметному снижению ферментативной активности, наиболее интенсивно в полуметровом слое. Следовательно, можно полагать, что накопление в почвах гумуса, азотсодержащих органических соединений и соответствующее повышение ферментативной активности представляет единый процесс, протекающий в определенных биоклиматических условиях. Анализ профильно-генетических характеристик объекта исследования выявил биологическую индивидуальность различных подтипов черноземов. Абиотическая среда значительно консервативнее в отношении ее преобразования под воздействием комплекса внешних условий. Биота почвы значительно более энергично отзывается на изменения среды.

Сезонная динамика ферментативной активности меняется в зависимости от погодных условий, но среднестатистический показатель имеет два пика активности – весной и осенью. Активность ферментов азотно-фосфорного обмена плавно снижается от весны к осени, активность инвертазы интенсивно возрастает к концу лета в период снижения вегетативного роста растений.

Баллы бонитета черноземов, объективно отражающие уровень их плодородия для сельскохозяйственных культур, совпадают с суммарной биологической активностью.

Экологическое состояние черноземов зависит от стабильности, устойчивости и воспроизводства их биологических компонентов: черноземы с высоким уровнем плодородия и высокой биологической активностью более устойчивы к негативным антропогенным воздействиям и резистентны к антропогенному прессу. Учитывая то, что биологические свойства почв являются индикаторами деградационных процессов и, в то же время, оказывают существенное, а в некоторых случаях определяющее воздействие на эти процессы, на основе значений ИБПС можно установить степень устойчивости черноземов Центрально-Черноземного региона [2, 3].

В конечном итоге нами разработана и создана единая база данных для информационного обеспечения работ по оценке экологического состояния черноземов и биоты по биохимическим тестам. Представленные материалы исследований включены в базу для обоснования рационального природопользования и охраны окружающей среды инвестиционных проектов и сопровождения их реализации, проведения единой научно-технической политики в области рационального природопользования и охраны окружающей среды. Считаем, что база данных будет востребована при выполнении мониторинговых исследований экологического состояния черноземов в условиях Центрально-черноземной зоны, для систематизации и классификации данных при использовании биоиндикационного подхода диагностики черноземов.

Список литературы

1. Антропогенная эволюция черноземов / под ред. А.П. Щербакова, И.И. Васенева. – Воронеж, 2000. – 409 с.

2. Девятова Т.А. Антропогенная динамика и биодиагностика экологического состояния черноземов ЦЧР: автореф. дис. ... д-ра. биол. наук / Т.А. Девятова. – Воронеж, 2006. – 42 с.

3. Девятова Т.А. Опыт создания автоматизированной системы комплексной оценки почвенного покрова ЦЧО / Т.А. Девятова, Д.И. Щеглов, С.Н. Божко // Черноземы Центральной России: генезис, география, эволюция. – Воронеж, 2004. – С. 553-555.

4. Функционально-экологическое состояние почв г. Воронежа / Т.А. Девятова [и др.] // Современные проблемы загрязнения почв. – М., 2004. – С. 203-206.

5. Хазиев Ф.Х. Методы почвенной энзимологии / Ф.Х. Хазиев. – М.: Наука, 1990. – 189 с.

6. Щеглов Д.И. Черноземы центра Русской равнины и их эволюция под влиянием естественных и антропогенных факторов / Д.И. Щеглов. – М.: Наука, 2000. – 214 с.