Суммарная каталазная активность почв и ККП в национальном парке «Смоленское Поозерье»

Экология iy

СУММАРНАЯ КАТАЛАЗНАЯ АКТИВНОСТь

почв и ккп в национальном ПАРКЕ

«СМОЛЕНСКОЕ ПООЗЕРьЕ»

о. п. Неверова,

доцент, уральская ГСХА,

и. в. щербаков,

аспирант, уральская ГСХА

620075, г. Екатеринбург, ул. Карла Либкнехта, д. 42; тел. (343) 371-33-63

Ключевые слова: каталазная активность почвы, экологический мониторинг, почвы, ферментальный анализ. Keywords: Catalase activity of soil, eco-monitoring, soils, fermented analysis.

Тема экологического мониторинга почв актуальна в настоящее время, поскольку остро стоит вопрос о сохранении главного богатства страны - почвенного плодородия.

Согласно литературным данным, наиболее информативными интегральными характеристиками биологической активности почвы, а следовательно, плодородия последней является активность почвенных ферментов.

Ферментативный анализ почв широко использовался при изучении сильного промышленного загрязнения сосновых насаждений на территории Уральского региона и лесов Сибири, в зонах техногенного загрязнения в Украине, а также при определении плодородия пахотных почв в Белоруссии [1]. Однако сравнительно мало данных об активности ферментов в почвах, не загрязненных аэротехногенными поллютантами и отходами сельскохозяйственного производства.

Активность фермента каталазы (КФ 1.11. 1. 6), наряду с активностью других ферментов (целлюлазы, инвертазы, протеазы, дегидрогеназы, полифено-локсидазы, сульфатредуктазы, уреазы, нитратредуктазы и др.), изучалась также на всех указанных территориях [1, 2, 3] и, по некоторым данным, является наиболее универсальным биоиндикатором состояния почвенных экосистем, поскольку отражает специфический ответ (усиление, либо, напротив, снижение показателей) почвенной биоты на неспецифическое (техногенное либо другой природы) загрязнение.

Исследования активности фермента каталазы в почвах техногенных территорий Уральского региона позволили авторам [2] предложить способ определения нарушений в почвообразовательных процессах, вызванных промышленными поллютантами, который заключается в проведении суммирования показателей активности фермента в подгоризонтах подстилки (01 и 02) и верхнего горизонта почвы (А1), а также вычислений коэффициента каталазы почвы (ККП).

Анализ данных об изменении суммарной активности каталазы в почвенном профиле и показателя ККП в сосновых насаждениях, подвергавшихся длительному и хроническому, разной интенсивности действию различных по химической природе промышленных поллютантов (табл. 1),

66

позволил предложить эти показатели как объективные критерии оценки состояния лесорастительных свойств почв. При этом разработан экспресс-метод для проведения мониторинга почв в зонах техногенного загрязнения, в основу которого положены выведенные показатели: коэффициент каталазной активности почвы (ККП) и суммарная активность каталазы почвенного профиля пробных площадей, которые при нормальном функционировании почвенных экосистем

в сосновых насаждениях территории Свердловской области имеют постоянные значения. По мнению авторов, эти относительные величины дают представление о состоянии почвенных экосистем, нормальное функционирование которых в серых лесных почвах сосновых насаждений Урала происходят при следующих значениях суммарной активности почвенного профиля и ККП: 94,7 см3О2 1г/2мин, 20,6 % соответственно. Введенный коэф-

фициент каталазы почвы - ККП получен

Таблица 1

Средние значения показателей суммарной активности каталазы почвенного профиля и ККП в лесных почвах сосновых насаждений техногенных территорий на разноудаленных от источников загрязнения постоянных пробных площадях

Исследуемая зона загрязнения (ППП) Расстояние до источника загрязнения, км Характер загрязнения Суммарная активность каталазы (см3О2 1г/2 ) 4 2 2 мин-' ККП %

ПКЗ* ППП1,0 км ППП 1,5км 1,0 1,5 Фтор- и серусодержащие 110,0+-10,47 106,8+-10,42 5,8+-0,64 6,6+-0,81

ППП 4км 4,0 Поллютанты 91,8+-5,68 16,8+1,38

ППП 7 км 7,0 95,8+-6,78 20,8+2,36

БАЗ**

ППП 4,0 км 4 Фтор- и серусодержащие 26,9+-

ППП 5,0км 5 Поллютанты 63,4+-6,28 2,51

ППП 6,0км 6

СУМЗ***

Гр.Европа-Азия ППП 6км 6 Транспортные эмиссии, Серусодержащие 26,4+-2,14 33,7+3,87

«Магнитка» ППП 2км 2 Поллютанты, соли тяжёлых металлов 23,4+-2,18 4,9+-0,31

Условно- контрольные ППП: 26 км ПКЗ 11,5 км БАЗ 24 км СУМЗ 26,0 11,5 24,0 Транспортные эмиссии, Сульфатсодержащие соединения (незначительно) 94,7+-9,11 20,6+2,15

www. m-avu. narod. ru

опытным путем на основании многолетних исследований в зонах техногенного загрязнения, а также в зонах влияния животноводческих объектов [4], причем для исследуемых почв он определяется по формуле:

ККП= С•100 % X (а+Ь+с),

а - показатель активности каталазы в подгоризонте 01;

Ь - показатель активности каталазы в подгоризонте 02;

с - показатель активности каталазы в горизонте А1 (см3О2 1 г/2 мин).

Поскольку подобные исследования на территориях средней полосы РФ ранее не проводились и нет данных о состоянии ферментативной активности почв на значительно удаленных от промышленных центров естественных лесных биогеоценозов, было интересно изучить такие почвы методом ферментативного анализа. Особое значение данной работы заключается в возможности оценить не загрязненные промышленными отходами почвы как эталонные для последующего сопоставления полученных данных с результатами исследований почв в зонах антропогенного влияния.

Национальный парк «Смоленское Поозерье», организованный в 1992 г., расположен в северо-западной части Смоленской области, площадь его охранной зоны составляет 7500 га. Согласно ст. 56 Лесного кодекса РФ, леса природных парков относятся к лесам первой категории. Естественная растительность парка-сложные ельники и широколиственные леса.

Цель данной работы - исследование состояния ферментативной активности почв на территории Национального парка «Смоленское Поозерье» для изучения возможности применения полученных данных как эталонных показателей нормального функционирования почвенных экосистем.

*ПКЗ - Полевской криолитовый завод

**БАЗ - Богусловский алюминиевый завод

***СУМЗ - Средне-Уральский медеплавильный завод

Отбор образцов подстилки и почвы проводили методом конверта на выбранных пробных площадках выделенного для исследований участка Национального парка (транссекты).

Активность фермента каталазы определяли газометрическим методом, основанном на изменении скорости разложения перекиси водорода при ее взаимодействии с почвой, по объему выделившегося кислорода. Определение показателей рН проводили при помощи рН метра общепринятым методом. Полученные данные пересчитывали на абсолютно сухую почву. Проводили оценку лесорастительных свойств изучаемых почв по суммарной активности фермента каталазы в почвенных

www.m-avu. пагоб. ги

Экология

Таблица 2

Активность каталазы в свежеотобранных образцах почвы и подстилки НП «Смоленское

ПOOзеPье»,

н

н о скло

в § § \горизон почвенного пр рп о о 6 0 58 склон 0 рп ин а & е в 2 8 142 болот ин а & е в 0 5 92 склон 3 о ин б * о л 8 7 « я о л о п 2 0 ин а & е в 4 5

9,5 13,0 13,0 8,0 17,0 8,0 14,0 8,0 6,0 8,5 5,5 9,0

01 15,5 21,0 19,5 15,0 27,0 17,5 19,0 14,0 10,5 14,5 9,5 15,5

26,0 36,0 35,0 25,0 38,0 22,0 23,5 23,0 17,5 24,0 15,5 25,0

6,8 13,0 7,5 9,0 14,0 13,0 13,0 10,0 8,5 7,5 4,5 10,0

02 12,0 19,0 13,0 15,5 23,5 25,0 20,0 18,0 16,0 12,0 9,0 17,0

20,0 30,0 19,3 24,5 50,0 36,0 29,0 27,0 21,5 19,0 14,0 29,0

6,0 4,5 5,5 5,5 6,0 5,0 13,0 6,5 6,0 8,0 3,5 4,5

А1 10,5 7,0 9,0 9,5 10,0 7,0 19,0 11,5 10,0 14,0 6,0 7,0

18,0 13,0 14,5 15,5 16,0 13,0 29,0 19,0 16,0 23,0 9,5 12,0

Таблица 3

Показатели рН в исследуемых почвах НП «Смоленское Поозерье»

№ колышка \горизонт почвенного профиля рп 106 склон 58 склон 0 рп 82 вершина 142 болото 50 вершина 92 склон 3 о 78 ложбина 102 пологий склон 54 вершина

01 6 7 6 7 5 7 5 6 6 6 7 7

02 5 5 7 6 5 6 7 7 6 6 5 6

А1 5 7 5 7 5 6 7 7 6 7 5 7

Таблица 4

Абсолютно сухой вес (г), влажность почв и подстилки НП «Смоленское Поозерье»

№ колышка \горизонт почвенного профиля рп 106 склон 58 склон 0 рп 82 вершина 142 болото 50 вершина 92 склон 3 о 78 ложбина 102 пологий склон 54 вершина

01 0,40 0,45 0,60 0,47 0,70 0,64 0,35 0,52 0,40 0,35 0,60 0,38

02 0,35 0,50 0,40 0,38 0,50 0,42 0,40 0,37 0,38 0,40 0,64 0,50

А1 0,38 0,85 0,50 0,70 0,84 0,70 0,62 0,80 0,75 0,62 0,90 0,82

Таблица 5

Активность абиотической компоненты почв и подстилки НП «Смоленское Поозерье», (см3 О2

за ЗОсек.. 1 мин.. 2 мин)

№ колышка \горизонт почвенного профиля рп 106 склон 58 склон 0 рп 82 вершина 142 болото 50 вершина 92 склон 3 о 78 ложбина 102 пологий склон 54 вершина

1,5 0,5 1,5 1,0 1,3 1,0 1,4 1,0 1,1 1,5 2,5 1,2

01 2,0 1,0 2,1 1,2 1,5 1,4 1,9 1,5 1,5 1,8 3,0 1,6

2,5 1,5 3,2 1,5 2,0 1,8 2,4 1,9 2,2 2,1 3,5 2,8

1,0 1,2 0,5 1,3 1,4 0,9 0,6 3,0 1,2 0,9 0,5 1,0

02 1,2 1,9 0,8 1,5 1,8 1,1 1,2 4,0 1,6 1,3 0,9 1,3

1,5 1,3 1,3 2,0 2,5 1,6 1,9 5,5 2,2 1,9 1,3 2,0

0,4 0,3 1,5 1,0 0,8 2,1 1,7 1,2 1,0 1,2 1,3 1,6

А1 0,8 0,5 2,5 1,6 1,1 2,7 2,0 1,5 1,1 1,5 1,5 1,9

1,1 0,9 4,4 2,0 2,0 3,7 2,9 2,0 1,3 2,0 1,8 2,3

67

Экология

профилях исследуемых пробных площадок и ККП в них предложенным уральскими коллегами способом.

Согласно полученным данным, лесные подстилки и почвы на территории транссекты парка «Национальное Поозерье» обладают высокой каталаз-ной активностью, что позволяет сделать заключение об их биологической актив ности, соответствующей интенсивному процессу трансформации органического вещества опада, поступающего от деревьев на земную поверхность. Суммарная активность в почвенном профиле исследованных участков за редким исключением значительно превосходит этот показатель, определенный в других условиях- на территории сосновых насаждении в Свердловской области [1]. Кроме того, следует отметить, что предложенный для определения почвообразовательного процесса показатель ККП в данных условиях значительно варьирует (9,3-27,5 %), что ограничивает применение последнего для заключения о физиологическом состоянии почвенной экосистемы. Вместе с тем, учитывая неоднородность ландшафта транссекты, следовало сгруппировать показатели суммарной активности фермента и ККП в соответствии с особенностями рельефа. Полученные данные свидетельствуют о наибольшей нестабильности этих показателей на вершинах холмов, по сравнению с таковыми на их склонах и плато, в меньшей степени суммарная активность каталазы и ККП изменялись на относительно ровной поверхности. При этом самые высокие значения данных показателей выявлены в ложбинах, тогда как самые низкие - на затененном пологом склоне холма. Среднее значение ККП на

Таблица 6

Активность каталазы в подгоризонтах подстилки и верхнем горизонте почвы и ККП почв НП «Смоленское Поозерье» в середине вегетативного периода 2008 г. (см3 О2 /1 г абс. сух.

почвы)

№ колышка \ горизонт почвенного профиля н а о а а « а

оп о л и о 6 0 58 склон 0 оп ин ш & е в 2 8 т о л о ю 2 4 ин ш & е в 0 5 92 склон 3 о ин о л 8 7 102 полог] склон ин ш & е в 4 5

01 62,5 78,5 55,2 51,7 52,3 32,3 64,8 42,3 40,3 66,5 22,4 53,0

02 56,1 57,0 46,9 62,5 97,5 84,1 70,6 67,5 54,4 45,6 20,6 56,0

А1 45,9 14,4 24,6 20,2 17,5 13,7 43,9 21,8 20,4 35,0 8,8 12,3

Сумма 162,5 149,9 126,7 134,4 167,3 130,1 179,3 131,6 115,1 147,1 51,8 121,3

ККП, % 27,5 9,6 19,4 15,0 10,0 10,0 24,0 16,5 17,7 23,7 17,0 9,3

всей территории транссекты - 16,1 %; при этом в ложбинах этот показатель равен 25,6 %, на склонах - 15,6 %, на ровной поверхности - 16,3 %, на вершинах холмов - 14,4 %.

1. Результаты исследования подстилки и почвы на территории трансекты НП «Смоленское Поозерье» (табл.) показали, что активность фермента каталазы в них изменялась в широких пределах в зависимости от рельефа местности, на которой расположены пробные площадки, их освещенности, накопления влаги в подгоризонтах подстилки и верхнем горизонте почвы, влияния воздушных потоков, обусловленного холмистостью участков и густотой деревьев на них.

2. Активность каталазы почв на всех исследуемых пробных площадках снижалась по мере углубления вниз по профилю почвенного разреза. Активность фермента в верхнем горизонте А1 в среднем была ощутимо ниже, чем в горизонтах 01 и 02.

3. Показатели коэффициента каталаз-ной активности почвы (ККП) - отношение значения показателя активности в верхнем горизонте почвы (А1) к значению суммарной активности почвенного профиля (А1 + 01 + 02) также имеют широкий диапазон колебаний от 9,3 до 27,5 %. При этом средняя величина ККП составляет 16,1 % и значимо отличается от этого показателя, соответствующего нормальному процессу почвообразования в Уральском регионе.

4. Полученные данные позволяют считать, что лесные подстилки и почвы трансекты НП «Смоленское Поозерье» обладают высокой биологической активностью, нейтральной либо близкой к нейтральной реакции рН, следовательно, почвообразовательный процесс в этих почвенных экосистемах протекает в условиях нормального функционирования почвенной биоты, обеспечивающей своей жизнедеятельностью плодородие почв.

Литература

1. Бабушкина Л. Г. [и др.] Биологическая активность компонентов агробиогеоценозов как показатель адаптации экосистем к антропогенному загрязнению. Екатеринбург : Урал. гос. лесотехн. ун-т, 2008. 292 с.

2. Практикум по агрохимии / Под ред. В.Д. Минеева. М. : Изд-во Моск. гос. ун-та, 1989. 304 с.

3. Мотузова Г. В., Безуглова О. С. Экологический мониторинг почв. М. : Академический Проект, 2007. 237 с.

4. Щербакова Т. А. Ферментативная активность почв и трансформация органического вещества. Минск : Наука и техника, 1983. 221 с.

5. Кузнецов В. А. Химические процессы в почвенном слое : учебное пособие. М. : РХТУ им. Д. И. Менделеева, 1992. 51 с.

6. Скибенко В. В., Медведев В. Т., Чудов В. Л. Отбор проб для анализа загрязнения биосферы : методические пособие. М. : МЭИ, 2006.

7. Миллер Т. Жизнь в окружающей среде. В 3-х кн. / Пер. с англ. Под ред. Г. А. Ягодина. 1996. 400 с.

8.Доклад о состоянии окружающей природной среды Смоленской области. Смоленск, 1998. 142 с.

68

www. m-avu. narod. т