Оценка трофической активности микроартропод в лесных культурах с помощью bait-lamina теста

УДК 631.467 И.Н. Безкоровайная, М.Н. Егунова

ОЦЕНКА ТРОФИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ МИКРОАРТРОПОД

В ЛЕСНЫХ КУЛЬТУРАХ С ПОМОЩЬЮ BAIT-LAMINA ТЕСТА

Статья посвящена использованию bait-lamina теста в исследованиях трофической активности почвенных микроартропод в 40-летних лесных культурах основных лесообразующих пород Сибири: кедра (Pinus sibiiica), ели (Picea abovata), лиственницы (Laiix sibirica), сосны (Pinus silvestris), березы (Betula fruticcsa) и осины (Populus tremula). Эдификаторная роль хвойных и лиственных культур в формировании структуры и трофической активности микроартропод проявляется через влияние подстилок на данные показатели.

Ключевые слова: культуры, подстилка, почва, микроартроподы, трофическая активность, байт-ламина тест.

I.N. Bezkorovaynaya, M. N. Egunova

TROPHIC ACTIVITY ASSESSMENT OF MICRO-ARTHROPODS IN FOREST CULTURES WITH THE HELP OF BAIT-LAMINA TEST

The article is devoted to the use of bait-lamina test in studies of soil micro-arthropods trophic activity in the 40-year-old forest cultures of the main Siberian forest-forming species: cedar (Pinus sibirica), spruce (Picea abovata), larch (Larix sibirica), pine (Pinus silvestris), birch (Betula fruticosa), and aspen (Populus tremula). The edificatory role of coniferous and deciduous cultures in shaping the structure and trophic activity of micro-arthropods reveals through the influence of underlayers on these parameters.

Key words: cultures, underlayer, soil, micro-arthropods, trophic activity, bait-lamina test.

Введение. В наземных экосистемах нет яруса, сравнимого с почвой, возможности которого соответствовали бы столь большому числу экологических требований различных групп животных, где бы происходило постоянное возобновление ресурсов первичной и вторичной продукции. Многообразие размерных и эколого-трофических групп почвенных животных обусловливает разнообразие экологических функций, которые они выполняют в почве и экосистеме в целом.

В научной литературе достаточно хорошо рассмотрен вопрос участия почвенных беспозвоночных -сапрофагов в разложении растительных остатков [2, 4, 5, 7, 11, 15-17, 20]. Показано, что их деструкционная активность складывается из собственно трофической активности (ассимиляция, минерализация) и косвенного участия в преобразовании органического вещества (измельчение и фрагментирование, перенос и перемешивание непереваренных органических остатков, стимуляция и ингибирование почвенной микрофлоры и т.п.). В то же время оценок трофической активности сапротрофного комплекса, основанных на наблюдениях in vivo, недостаточно, но именно они способствуют более адекватной оценке роли беспозвоночных в экоси-стемных процессах. Получение данных оценок особенно актуально при изучении лесовосстановительных сукцессий. Соотношение процессов поступления органического вещества на поверхность почвы и его минерализации является одной из основных характеристик становления лесного сообщества и его устойчивости.

В связи с этим для оценки трофической активности почвенных микроартропод одной из основных групп сапротрофного комплекса предлагается экспресс-метод с использованием приманочных пластинок (bait-lamina). Этот метод впервые был представлен von Torne (1990) для измерения биологической активности почвы. Метод Torne, названный bait-lamina тест, имеет преимущества показательного метода, который является быстрым и недорогим для оценки биологической активности почв и позволяет оценить активность почвенной биоты in vivo [21]. Тест-система нашла свое применение в основном в Германии, а также в Португалии, Швейцарии и Нидерландах - в лабораториях экологии почв и общей экотоксикологии. Метод позволяет оценить трофическую активность организмов, участвующих в большей степени в почвенных метаболических процессах, - микрофлоры, представителей нано- и микрофауны.

Цель работы. Оценить трофическую активность почвенных микроартропод в 40-летних лесных культурах с помощью bait-lamina теста.

Объекты и методы исследований. Для оценки роли различных древесных пород в почвообразовании, формировании структурной организации и функционирования биогеоценозов в одинаковых почвенноклиматических условиях в 1968 г. сотрудниками Института леса на территории Кемчугской возвышенности был заложен уникальный опыт по моделированию развития искусственных лесных биогеоценозов [13]. Опыт представляет собой окультуренный участок старопахотной серой почвы, на которую после предварительного плантажа было высажено шесть основных пород Сибири: кедр (Pinus sibirica), ель (Picea abovata), лиственница (Larix sibirica), сосна (Pinus silvestris), береза (Betula fruticcsa) и осина (Populus trémula). В последующие годы проводились наблюдения за формированием лесных фитоценозов разного типа и их отдельных компонентов.

Оценку трофической активности почвенных микроартропод проводили под 40-летними лесными культурами. В качестве начальной стадии лесовосстановительного процесса использована 5-летняя разнотравно-злаковая залежь, в качестве конечной стадии - естественные лесные сообщества: сосняк разнотравно-осочковый (90 лет) и березняк орляково-разнотравно-осочковый (60 лет).

Все исследуемые участки расположены в долине р.Кача на восточной окраине Кемчугской возвышенности. Фитоценозы представлены хвойными и мелколиственными лесами приграничных ландшафтов «южная тайга - лесостепь». Почва на всех участках серая среднеглинистая на коричнево-бурых глинах и характеризуются четкой дифференциацией почвенного профиля. Гумусово-акумулятивный горизонт небольшой мощности, оподзоленный горизонт самостоятельно не выделяется, иллювиальный хорошо выражен и имеет ореховатую структуру. В нижней части профиля имеются следы временного переувлажнения в виде ржавых и сизых пятен. Органогенный и аккумулятивный горизонты характеризуются слабокислой реакцией среды (рНвод 5,6-6,2), высоким содержанием органического вещества (гумус 7,9 %).

В процессе произрастания лесных культур наблюдалась дифференциация напочвенного покрова, обусловленная воздействием древесного полога [14]. Травянистый покров проходил несколько фаз развития. В настоящее время в культурах ярко выражена неоднородность распределения травянистой растительности под пологом. Напочвенный покров в культурах кедра, сосны и частично лиственницы характеризуется как мертвопокровный, в культурах ели - 90 % проективного покрытия приходится на мох.

Под всеми культурами оформился равномерно распределенный по поверхности органогенный горизонт с четко выраженной стратиграфией из подгоризонтов L, F и Н, а гомогенный пахотный слой (PY-горизонт) стал дифференцированным (O-AY1-AY2).

В 40-летних лесных культурах запасы подстилок близки к таковым в естественных лесных сообществах (рис. 1). В культурах хвойных пород запасы подстилки составляют 2348-3870 г/м2 [10]. В культурах березы и осины они в 2-3 раза ниже, что отражает высокую степень биологической трансформации растительного вещества в лиственных сообществах.

4500

4000

3500

3000

2500

2000

1500

1000

500

0

а

сС

ф

2

(С

S

X

X

ф

со

ф

а

ф

ю

ф

о

СП

ас

ос

X

ф

о

ю

ас

ос

X

м

ф

а

ф

ю

Лесные культуры, 40 лет

Рис. 1. Запасы подстилки в 40-летних лесных культурах и естественных лесных экосистемах:

* - сосняк разнотравно-осочковый

На каждом экспериментальном участке определяли плотность основных групп почвенных микроарт-ропод - клещей (Acari) и коллембол (Collembola) в подстилках и верхнем минеральном слое почвы 0-5 см. Образцы отбирались с помощью металлического цилиндра ^=5см) в 10-кратной повторности. Микроартро-под выделяли из почвенных образцов методом Тульгрена-Берлезе без принудительного подогрева, до полного высушивания образца [3].

Для оценки трофической активности почвенных микроартропод использован метод приманочных пластинок (bait-lamina test) [9]. Пластинка длиной 10 см имеет 16 отверстий, которые заполняются пищевым субстратом (смесь микрокристаллической целлюлозы (70%) и отрубей (30%). Пластинку при помощи ножа вертикально погружают в почву до верхнего края верхнего отверстия. Под каждой культурой, на залежи и в естественных экосистемах было установлено по 30 пластинок - три группы по 10 штук пластинок. Через 14 дней пластинки были извлечены из почвы. Трофическая активность определяется процентным отношением количества перфорированных отверстий от общего числа отверстий на пластинке.

В работе представлены данные двух лет наблюдений.

Результаты и обсуждение. Анализ плотности почвенных миккроартропод показал, что минимальной плотностью беспозвоночных (4 тыс.экз/м2) характеризуется 5-летняя разнотравно-злаковая залежь (табл.), что может быть обусловлено прежде всего отсутствием подстилки, повышенной инсоляцией открытого местообитания по сравнению с лесным сообществом, недостатком влаги и переуплотнением верхнего слоя почвы. Под 40-летними лесными культурами плотность в 2-4 раза выше. Среди культур максимальной плотностью беспозвоночных характеризуются культуры сосны и березы, минимальной - культуры лиственницы. 60-85 % от общей численности микроартропод сосредоточено в подстилках. Как известно, в лесных сообществах для большинства беспозвоночных он является не только основным местообитанием, но и источником пищи. Плотность в минеральном слое почвы 0-5 см соответствует таковой на залежи.

В естественных биогеоценозах плотность микроартропод несколько выше и составляет в сосняке и березняке соответственно 25 и 16,3 тыс.экз/м2. Более высокие значения плотности, как и в культурах, характерны для подстилочного горизонта.

Плотность микроартропод под 40-летними лесными культурами и на контрольных участках,

тыс.экз/м2

Микро- артропо- ды Слой, см Залежь Кедр Листвен- ница Осина Сосна Береза Ель Сосняк Березняк

Клещи АО - 6,1±1,2 4,1±1,0 4,0±1,0 7,1 ±2,4 6,0±1,9 4,6±1,2 16,1±4,4 7,8±1,5

0-5 см 3,3±0,9 0,9±0,3 1,3±0,4 2,1 ±0,6 1,8±0,8 5,6±2,4 2,0±0,8 3,3±1,6 1,3±0,3

Коллем- болы АО - 1,8±0,4 1,9±0,5 1,9±0,4 4,2±0,9 2,4±0,7 0,9±0,2 4,3±0,6 4,9±0,9

0-5 см 0,7±0,2 0,3±0,1 0,5±0,2 1,6±0,5 1,4±0,5 1,0±0,3 0,3±0,1 1,3±0,3 2,3±0,5

Сумма 4,0 9,1 7,8 9,6 14,5 15,0 7,8 25,0 16,3

Среди микроартропод доминируют клещи (56-86 %), коллемболы составляют 14-44 % от общей плотности. Доминирование клещей характерно для большинства лесных экосистем бореального пояса [1]. Минимальная численность коллембол отмечена в культурах ели и на залежи. Неблагоприятность условий в данных сообществах для этой группы беспозвоночных может быть связана с недостатком влаги и повышенной инсоляцией на залежи и особенностью напочвенного покрова под елью - мох образует плотный слой (1,5-2 см) на поверхности, задерживая влагу и снижая аэрацию верхних слое почвы. Как известно, многие коллемболы обладают широкой экологической валентностью (особенно по отношению к температурному режиму почвы и пище) и в то же время высокой чувствительностью к влажности местообитания. Именно этот фактор, по мнению Н.А. Кузнецовой (2003), должен дифференцировать распределение коллембол в пространстве.

Активность организма, его способность модифицировать окружающую среду напрямую связана с его размерами [18]. Для почвенных микроартропод основным пищевым ресурсом является смесь органического детрита и клеток микроорганизмов [2, 11]. Питаясь бактериями, гифами и спорами грибов, они не только стимулируют их рост и размножение, но и способствуют расселению микрофлоры в растительном опаде и почве. Доступность грибного мицелия для клещей и коллембол регулируется физической структурой растительного опада, в который он проникает [19].

Использованный метод приманочных пластинок можно отнести к методам интегральной оценки биологической активности почв. Вероятнее всего, почвенных клещей и коллембол привлекает не столько пищевой субстрат, сколько микроорганизмы, поселяющиеся на нем.

Как известно, подстилки лесных экосистем отличаются высокой плотностью почвенной биоты, здесь идут основные процессы трансформации растительного вещества [12, 22]. Bait-lamina тест выявил максимальную трофическую активность почвенных микроартропод в подстилках под культурами сосны и лиственницы - 67 и 48 % перфорированных отверстий за 14 дней экспозиции соответственно (рис. 2). Для подстилок осины и березы она в 1,5-2 раза ниже. Под культурами кедра и ели трофическая активность в подстилках минимальна и не превышает 15 %. Трофическая активность микроартропод в подстилках лесных культур близка к таковой в зрелых лесных сообществах - в подстилках березняка и сосняка она составила 55 и 41% соответственно.

80

Рис. 2. Трофическая активность почвенных микроартропод в 40-летних лесных культурах и естественных лесных экосистемах: * - сосняк разнотравно-осочковый (90 лет) и березняк орляково-разнотравно-осочковый (60 лет). Планки погрешности отображают ошибку средней

Трофическая активность микроартропод в минеральном слое почвы 0-5 см под культурами близка к активности на залежи и составляет 4-25%, что в 2-4 раза ниже, чем в подстилках. Активность минерального слоя почвы 0-5 см в березняке и сосняке не превышает 20 %.

В целом полученные данные согласуются с литературными: в разных природных зонах трофическая активность почвенных микроартропод варьирует от 14 до б5 % [8, 18].

Данные по плотности почвенных микроартропод и их трофической активности верхнего минерального слоя 0-5 см свидетельствуют о том, что в исследуемых лесных культурах серая почва сохраняет биологические свойства первоначального субстрата - пашни. Лесные подстилки формируют комплексы микроартро-под лесного типа и способствуют активизации биологических процессов. Трофическая активность почвенных микроартропод в 40-летних культурах лиственницы, сосны, осины и березы близка к таковой в естественных зрелых лесных экосистемах. Низкая активность под культурами кедра и ели может быть обусловлена особенностями физических свойств подстилок, их фракционного и химического состава. Влагоемкость и плотность, содержание танинов, смол, дубильных веществ, а также соотношение ^ могут лимитировать биологическую активность.

Заключение

Наибольшая плотность микроартропод отмечена в естественных биогеоценозах (16,3-25 тыс. экз/м2), наименьшая - на залежи (4 тыс. экз/м2). На всех исследуемых площадях доминируют клещи, их доля составляет 56-86 % от общей плотности. Основная плотность сосредоточена в подстилках всех исследуемых площадей - 60-85 %.

Трофическая активность также выше в подстилках. Максимальное значение отмечено в подстилках под культурами сосны и лиственницы - 67 и 48 % перфорированных отверстий за 14 дней экспозиции соответственно. Это близко к активности в естественных биогеоценозах. Под культурами кедра и ели трофическая активность в подстилках минимальна и не превышает 15 %. Трофическая активность в минеральном слое в 2-4 раза ниже, чем в подстилке, и не превышает 25 %.

Средообразующая функция культур заключается в формировании подстилочного горизонта и создании определенного почвенного микроклимата в верхних слоях почвы, что в свою очередь отражается на функционировании почвенных микроартропод.

Использованный метод приманочных пластинок (bait lamina тест) может быть рекомендован в качестве метода интегральной оценки биологической активности почв.

Литература

1. Андриевский В.С. Панцирные клещи в почвах Сибири // Почвоведение. - 1994. - № 12. - С. 84-89.

2. Бызов Б.А. Зоомикробные взаимодействия в почве. - М.: ГЕОС, 2005. - 212 с.

3. Гиляров М.С. Зоологический метод диагностики почв. - М.: Наука, 1965. - 287 с.

4. Курчева Г.Ф. Роль почвенных животных в разложении и гумификации растительных остатков. - М.:

Наука, 1971. - 156 с.

5. Козловская Л.С. Роль почвенных беспозвоночных в трансформации органического вещества болотных почв. - Л.: Наука, 1976. - 212 с.

6. Кузнецова Н.А. Влажность и распределение коллембол // Зоологический журнал. - 2003. - Т.82, № 2.

- С. 239-247.

7. Покаржевский АД Геохимическая экология наземных животных. - М.: Наука, 1985. - 300 с.

8. Покаржевский А.Д., Гонгальский К.Б. Геостатистический анализ сообществ почвенных животных на границе двух растительных ассоциаций в степи Центрально-Черноземного заповедника // Аридные экосистемы. - 2007. - № 13. - С. 32-35.

9. Пространственное распределение почвенных животных / А.Д. Прокаржевский, К.Б. Гонгальсий, А.С. Зайцев [и др.]. - М.: КМК, 2007. - 176 с.

10. Решетникова Т.В. Лесные подстилки как депо биогенных элементов // Вестник КрасГАУ. - 2011. -

№ 12. - С. 74-81.

11. Стриганова Б.Р. Питание почвенных сапрофагов. - М.: Наука, 1980. - 243 с.

12. Чернова Н.М., Кротова С.Ю., Надточий С.Э. Распределение микроартропод по генетическим слоям почвенного профиля // Фауна и экология беспозвоночных животных: сб. науч. тр. - М.: Изд-во МГИН им. В.Н. Ленина, 1983. - С. 3-9.

13. Моделирование развития искусственных лесных биогеоценозов / Л.С. Шугалей, М.Г. Семечкина, Г.И. Яшихин [и др.]. - Новосибирск: Наука, 1984. - 152 с.

14. Шугалей Л.С. Влияние лесных культур на свойства плантажированной почвы // Почвоведение. - 2002.

- № 3. - С. 345-354.

15. Anderson J.M. Food web functioning and ecosystem processes: problems and perceptions of scaling. - NY: CABI Publishing, 2000. - Р. 3-24.

16. Anderson J.M. Faunal biomass: A key component of a general model of nitrogen mineralization // Soil Biology. - 1985. - № 17. - Р. 735-737.

17. Colleman D.C., Crossley D.A. Fundamentals of Soil Ecology // Academic Press, Elseviar Science (USA). -2003. - 206 p.

18. Stratification and dynamics of bait-lamina perforation in three forest soils along a North-South gradient in

Russia / K.B. Gongalsky, A.D. Pokarzhevskii, Z.V. Filimonova [et al.] // Applied Soil Ecology. - 2004. -

Vol. 25. - Р. 111-122.

19. Leonard M.A., Anderson J.M. Growth dynamic of Collembola (Folsomia candida) and fungus (Mucorplum-beus) in relation to nitrogen availability in spatially simple and complex systems // Pedobiologia. - 1978. -Vol.18. - P. 153-157.

20. Schadler M., Brandl R. Do invertebrate decomposers affect the disappearance rate of litter mixtures? // Soil Biology and Biochemistry. - 2005. - № 37. - Р. 329-337.

21. Kratz W. The bait-lamina test. General aspects, applications and perspectives // Soil sciences. - 1998. - Р. 94-96.