Оценка состояния природных и антропогенных геосистем: биоиндикационный подход

УДК.631.46

ОЦЕНКА СОСТОЯНИЯ ПРИРОДНЫХ И АНТРОПОГЕННЫХ ГЕОСИСТЕМ: БИОИНДИКАЦИОННЫЙ ПОДХОД

© Е.В. Напрасникова

Ключевые слова: биоиндикационный подход; почвы; биохимическая активность; щелочно-кислотные условия. Изучено современное биохимическое состояние почв степных геосистем Южно-Минусинской котловины на основе биоиндикационного подхода. Впервые выявлен высокий биопотенциал почв в заповедных и антропогенных условиях. Показана статистически достоверная взаимосвязь биохимической активности и рН почв. Обнаружена тенденция негативного метаболизма азотсодержащих органических веществ в антропогенных почвах.

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время уже ни у кого не вызывает сомнений, что произошла интеграция географии с экологией по многим уклонам, в т. ч. и по биоиндикацион-ному. Контроль качества окружающей среды с использованием биологических объектов считается актуальным экологически ориентированным научным направлением. Биоиндикация позволяет оценить экологическое состояние как ненарушенных компонентов природной среды, так и при антропогенном воздействии.

Проведение детальных научных исследований природных режимов геосистем Южно-Минусинской котловины Красноярского края, которые были начаты в 70-е годы прошлого столетия на стационарах Института географии Сибири и Дальнего Востока под руководством академика В.Б. Сочавы, продолжены в настоящее время.

Основная цель данной экспериментальной работы -изучение современного эколого-биохимического состояния природных и преобразованных почв под действием урбанизации и техногенеза на примере Кой-бальской степи.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Южно-Минусинская котловина относится к числу наиболее освоенных районов юга Красноярского края как в промышленном, так и в сельскохозяйственном отношении. Здесь создан Саяно-Шушенский промышленный комплекс. В Койбальской степи (юг Минусинской котловины) построен Саяногорский алюминиевый завод, а с 1999 г. он работает на полную мощность. В эти годы закладывались основы для развития идей и принципов структурно-функционального анализа разнообразных свойств почв и экологических функций в условиях степей. В настоящее время исследования степей котловины возобновлены. Кроме этого детальными исследованиями охвачены урбанизированные территории. Город Саяногорск расположен в южной части Минусинской котловины в 16 км от Саяногорского алюминиевого завода.

Краткая характеристика природных условий территории. Климат Койбальской степи Южно-Минусин-

ской котловины, где проводятся исследования, отличается большой континентальностью, значительной засушливостью. Температура воздуха в январе составляет минус 18-19 °С, в июле - плюс 18-19 °С. Вследствие незначительного снежного покрова почва промерзает до глубины 2,5 м. Осадков выпадает 350-400 мм в год. Максимальное количество приходится на летний период (50-60 %), зимние (твердые) составляют 20-30 % от общего годового количества. Характерная черта климата данной зоны - частые и довольно сильные ветры. В целом климат недостаточно влажный (индекс сухости больше 1) с теплым летом и умеренно холодной зимой [1].

Почва и растительность. В Койбальской степи наиболее распространены выщелоченные черноземы и каштановые почвы. По механическому составу почвы легко- и среднесуглинистые. Каштановые в основном располагаются на древнеаллювиальных равнинах и в зависимости от содержания гумуса подразделяются на светло-каштановые, каштановые и темно-каштановые почвы.

Проведение комплексных экспериментальных работ по изучению степей было организовано на специальном полигоне-трансекте, заложенном в пределах репрезентативного участка Койбальской степи.

Структура почвенного покрова экспериментального полигона-трансекта в условиях степи ЮжноМинусинской котловины хорошо изучена. Его характерная особенность - это необычайно сложная структура и большое разнообразие составляющих почв. По данным Б.И. Кочурова [2], чернозем южный маломощный занимает 50 % площади почвенных компонентов сочетания. Установлено, что после заповедного режима большая часть южных черноземов степи из малогумус-ных (2,5-4 % гумуса) перешла в среднегумусные (56 %). Это связано с увеличением растительных остатков, поступающих на поверхность почвы, с замедлением поверхностного стока и лучшим проникновением влаги, быстрым разложением органического веществ. Заповедный режим усилил выделение СО2 почвой. Степи Минусинской котловины относятся к настоящим змеевково-тырсовым и вострецово-тырсовым. Современный растительный покров значительно видоизменен деятельностью человека, но при этом сохранил

черты коренной структуры. В структуре фитоценозов было отмечено 59 видов [3].

Микробоценозы и их особенности. Исследованы состав и динамика микробоценозов, выявлены региональные особенности, определены доминанты. Почвы степных экосистем Минусинской котловины характеризуются более стабильным уровнем микробной массы и имеют значения 0,3—1,1 т/га. Отмечено высокое содержание бактерий (до 3,0 и более млн КОЕ /г почвы) и актиномицетов (до 0,8 млн КОЕ), что согласуется с экологическими условиями обитания. Число генераций бактерий за год составляло от 2 до 9 [4].

Специфика загрязнения почв. По данным Н.Д. Давыдовой [5], специфическими элементами выбросов САЗа, загрязняющими почвенные растворы, являются фтор и натрий. Уровень содержания водорастворимого фтора в почвах зоны воздействия пылегазовых эмиссий САЗа достигает до 4 ПДК. Почвенный покров изучаемых территорий находится в модуле постоянного техногенного загрязнения, которое распространяется на большие площади. Такие почвы относятся к техногенно загрязненным.

В настоящее время нами продолжена работа по изучению актуальной биохимической активности почв (БАП) как интегрального биоиндикационного показателя метаболизма органического вещества и самоочи-щающей способности почв. Был применен экспресс-метод Т.В. Аристовской, М.В. Чугуновой [6]. Сущность метода заключается в регистрации скорости разложения карбамида как модельного азотсодержащего органического вещества до аммиака. Эта методика весьма чувствительна и позволяет не только выявить различия между контрастными в том или ином отношении объектами, но и дифференцировать почвы по биопотенциалу.

Количественный учет основных систематических групп микроорганизмов как тонких индикаторов среды осуществлялся согласно методам почвенной микробиологии и биохимии [7] в реальном времени. Щелочно-кислотные условия определены потенциометрическим методом.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Биохимическая активность почв как интегральный показатель послужила нашим выбором не случайно. Известно, что БАП является информативным показателем ее функциональных возможностей на текущий момент времени и контролируется экологическими факторами, в то время как физические и химические свойства, согласно концепции И.А. Соколова, В.О. Тар-гульяна [8], заложены в ее «памяти». Более того, эти показатели характеризуют систему не только с количественной стороны, но и с качественной, т. к. речь идет о направленности почвенных процессов.

Хорошо известно, что величина рН почв рассматривается одной из важнейших характеристик. Реакция почвы является результирующим фактором взаимодействия органических и минеральных составляющих, при этом играет большую роль в протекании всех биохимических процессов, связанных с круговоротом веществ. Иными словами, выбранные показатели (БАП, рН) являются экспериментальным критерием функциональных особенностей изучаемых почв, как природных, так и под влиянием САЗа.

7 1 6

2 1 5 9 13 17 21 25 29 33 37 41 45 49

5

ш

Номера точек

Рис. 1. Биохимическая активность почв полигон-трансекта

Таблица 1

Численность микроорганизмов в условно контрольных почвах (млн. КОЕ /г почвы), слой - 0-10 см

№ образца Аммонифицирующие бактерии на мясопептон-ном агаре Актиноми-цеты на крахмалоаммиачном агаре Микромице-ты на сусло-агаре

1 2,8 ± 0,3 0,30 ± 0,04 0,02 ± 0,003

2 3,0 ± 0,3 0,24 ± 0,03 0,01 ± 0,002

3 3,2 ± 0,4 0,40 ± 0,05 0,07 ± 0,008

4 2,5 ± 0,2 0,70 ± 0,06 0,05 ± 0,006

Примечание: * - колониеобразующие единицы.

На рис. 1 показано, что все исследуемые почвы по-лигона-трансекта проявили высокую биохимическую активность. Значения БАП варьируют в узких пределах. Значения за наблюдаемый период составили от 2 до 4,5 ч. Результаты позволяют отнести исследуемые почвы к высокоактивным в трансформации органических соединений, особенно если учесть, что почвы лимитированы влагой. Полученные нами данные согласуются с доминирующим положением аммонифика-торов в микробоценозах исследуемых почв, играющих главную роль в трансформации азотсодержащих органических соединений (табл. 1).

Кроме аммонификаторов, численность которых достигает более 3 млн КОЕ /г почвы, определено содержание других систематических групп макробоцено-зов степных почв. Значения их численности совпадают с таковыми на участках полигон-трансекта, проведенных значительно раньше.

Выявленный уровень БАП - общая особенность всех почв на заповедной территории экспериментального полигона-трансекта, являющегося репрезентативным для Минусинской котловины.

Значения рН зарегистрированы от 6,6 до 8,4 единиц. Статистическая оценка данных на основе регрессионного анализа показывает тесную взаимосвязь БАП и рН, что четко обозначено кривой на рис. 2. Коэффициент аппроксимации (Я2) равен 0,43.

Графическое отображение показателей БАП и рН существенно расширяет наше понимание и объяснение механизмов биохимических процессов, детерминиро-

у = 0.6911х2 - 10,9Й8х + 46t537

Рис. 2. Тренд взаимосвязи биохимической активности почвы от щелочно-кислотных условий

Номера точек

Рис. 3. Биохимическая активность почв функциональных зон г. Саяногорска

ванных особенностями степных геосистем. Результаты биохимической активности почвы легли в ограниченной области значений рН исследуемых почв достаточно равномерно. В то же время прослеживается тенденция смещения показателей в сферу нейтральных значений, что не противоречит сущности изучаемых биохимических процессов, связанных с круговоротом азотсодержащих органических соединений. И несмотря на то, что уровень БАП в диапазоне нейтральных значений рН несколько снизился (скорость трансформации карбамида изменилась от 2 до 4,5 ч), изучаемые почвы можно считать активными.

На рис. 3 приведены результаты определения биохимической активности почв г. Саяногорск.

По степени активности условно можно выделить две группы почв: I группа - от 2 до 7 ч; II - от 8 ч и более. Наблюдается сходство показателей БАП в селитебной сфере города. Несмотря на высокий уровень активности городских почв (урбаноземов), многие отличаются от почв заповедного участка. По сравнению с условным контролем, а также полигоном-трансектом в зоне техногенного влияния прослеживается тенденция уменьшения биохимической активности почвы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Итак, на основании полученных экспериментальных данных с применением биодиагностического экспресс-метода выявлен современный эколого-биохими-ческий потенциал почв в заповедных условиях Кой-

бальской степи, урбанизированных и промышленных территориях. Проявленный уровень активности почв можно считать высоким. Такой уровень биохимической активности связываем не только с высоким температурным ингредиентом почвы, но и с характерными для изучаемых степных ландшафтов щелочнокислотными условиями. Следует отметить, что высокий уровень биохимической активности почв и зависимость от рН указывают на определенный критический предел щелочно-кислотных условий, повышение или резкое понижение которых может привести систему к экологическому регрессу. Особенно это касается биогеохимической трансформации органогенного азота. Если метаболизм его усилится, то данный факт нельзя рассматривать как положительный, т. к. начнется процесс потери биогенного элемента из почвы. Урбанизированные территории наиболее близко подошли к такому критическому рубежу.

Полученные материалы рассматриваем как новые данные, дополняющие наши знания о почвах в естественном и антропогенном состоянии в засушливых районах, являющихся экологическим ядром степных территорий Юга Сибири.

ЛИТЕРАТУРА

1. Природные режимы степей Минусинской котловины / под ред. И.А. Хлебовича, В.В. Буфала. Новосибирск, 1976. 236 с.

2. Кочуров Б.И. Природные режимы степей Минусинской котловины. Новосибирск, 1976. С. 49-60.

3. Волкова В.Г., Кочуров Б.И. и др. Современное состояние степей Минусинской котловины. Новосибирск, 1979. 94 с.

4. Напрасникова Е.В. Почвенно-биотический компонент геосистем и его функциональные особенности в условиях Сибири // Г и ПР. 2008. № 2. С. 93-96.

5. Давыдова Н.Д. Техногенные потоки и дифференциация вещества в геосистемах // Географические исследования в Сибири. Новосибирск, 2007. Т. 2. С. 261-276.

6. Аристовская Т.В., Чугунова М.В. Экспресс-метод определения биологической активности почв // Почвоведение. 1989. № 11. С. 142-147.

7. Методы почвенной микробиологии и биохимии / под ред. Д.Г. Звягинцева. М., 1991. 303 с.

8. Соколов И.А., Таргульян В.О. Взаимодействие почвы и среды: почва - память и почва - момент // Изучение и освоение природной среды. М., 1976. С. 150-164.

БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена в рамках проекта РФФИ, грант № 14-05-00183.

Поступила в редакцию 1 июля 2014 г.

Naprasnikova E.V. ASSESSMENT OF NATURAL AND ANTHROPOGENOUS GEOSYSTEMS: BIOINDICATION

APPROACH

The current biochemical state of soils of steppe geosystems in the South-Minusinsk depression was studied based on the bioindication approach. A high biological potential of soils under protected and anthropogenic conditions was identified for the first time. A statistically significant correlation of biochemical activity and pH of soils is shown. A tendency of negative metabolism of nitrogen-containing organic substances in anthropogenic soils was revealed.

Key words: bioindication approach; soils; biochemical activity; alkali-acid conditions.

Напрасникова Елизавета Викторовна, Институт географии им. В.Б. Сочавы СО РАН, г. Иркутск, Российская Федерация, кандидат биологических наук, доцент, старший научный сотрудник, e-mail: napev@irigs.irk.ru

Naprasnikova Elizaveta Viktorovna, V.B. Sochava Institute of Geography SB of RAS, Irkutsk, Russian Federation Candidate of Biology, Associate Professor, Senior Research Worker, e-mail: napev@irigs.irk.ru