Альго-биологический подход к оценке экологического состояния почв (на примере рекреационной зоны ГПЗ "Столбы")

Выводы

1. Выявлена целесообразность применения ряда гуминовых кислот для обработки семян многолетних бобовых трав. Доля влияния препарата (гуминовых кислот) на посевные качества семян составила 24 %.

2. Гуминовые кислоты оказали стимулирующее действие на ростовые процессы семени в большей степени на клевере луговом, чем на люцерне изменчивой.

3. Для гуминовых кислот, извлеченных из травяных, осоковых и сфагновых торфов особых изменений по всхожести и энергии прорастания семян клевера лугового и люцерны изменчивой в сравнении с контролем не прослеживается. Хотя видна тенденция разнонаправленного проявления действия по показателю всхожести и энергии прорастания семян этих культур. По клеверу наблюдается некоторое увеличение значений рассматриваемых показателей в сравнении с контролем - до 3%, а по люцерне наоборот - занижение до 12%. Подобное проявление действия ГК может быть связано с неодинаковой отзывчивостью семян клевера и люцерны в силу их физиологических особенностей.

Литература

1. Климова А.А., Комиссаров И.Д. Влияние гуминовых препаратов на ростовые процессы растений //

Науч. тр. Тюмен. СХИ. - Тюмень 1971. - Т.14. - С. 34-48.

2. Медведев П.Ф. Ускоренное размножение семян многолетних трав. - Изд. 2-е, перераб. и доп. - Л.:

Колос, 1978. - 112 с.

УДК 630.232.32 М.В. Чижевская, Н.В. Фомина

АЛЬГО-БИОЛОГИЧЕСКИЙ ПОДХОД К ОЦЕНКЕ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ПОЧВ

В статье представлены результаты исследования альгофлоры и биологической активности почвы опытного рекреационного участка заповедника «Столбы» (г. Красноярск). На основании полученных результатов проведена комплексная оценка экологического состояния почвенного покрова исследуемой территории.

Ключевые слова: альгофлора, рекреационная зона, ферменты, почвенное «дыхание», видовой состав.

M.V. Chizhevskaya, N.V. Fomina

ALGO-BIOLOGICAL APPROACH TO SOIL ECOLOGICAL CONDITION ESTIMATION

The research results of algoflora and soil biological activity of the experimental recreational site in "Stolby" nature reserve (Krasnoyarsk city) are given in the article. On the basis of the received results the complex estimation of soil cover ecological condition on the researched territory is conducted.

Key words: а^Ьт, recreational zone, enzymes, soil "breath", specific structure.

Введение

Роль заповедников в изучении эталонов природных комплексов и объектов в их естественном развитии уже не оспаривается. Эту роль следует считать как особо важную в проблеме сохранения биоразнообразия на Земле. Обширная часть территории лесных биогеоценозов в природном заповеднике «Столбы» подвергается массивному рекреационному воздействию, при этом наибольшая нагрузка, как правило, приходится на почву. В результате происходит «компрессия» почвенной системы, что способствует изменению практически всех ее компонентов, начиная с агрохимических и физических свойств и заканчивая микробиологическими и биохимическими показателями. Рекреационное воздействие проявляется прежде всего в уп-

лотнении почвенных горизонтов, уменьшении их скважности, аэрации, и это в конечном итоге лишь незначительная часть отрицательных последствий вытаптывания [1, 2].

Внешне признаки деградации почвы заметить сложно, несомненно, самым чувствительным индикатором состояния любой почвенной экосистемы, подверженной рекреационной нагрузке либо нет, является микробиота. Однако подсчет численности и установление ее качественного состава процесс длительный и трудоемкий. Разработанные методы ферментативной активности [8] позволяют в короткий срок, работая со свежими образцами, определить производный фактор деятельности микроорганизмов, а именно, почвенные ферменты различных групп. Основной задачей почвенных исследований в заповедниках является оценка роли почвы как компонента биогеоценоза и контроль за ее состоянием.

В настоящее время водоросли активно используют в экологическом мониторинге, включая индикацию и тестирование загрязненных почв. Альгологический метод используют для оценки экологического состояния почвы. Высокая точность анализа (ошибка определения не превышает 7%), а также его экспрессивность делают метод с использованием водорослей более информативным, удобным по сравнению с другими известными методами.

Целью нашей работы являлось проведение оценки экологического состояния почвы рекреационной зоны государственного природного заповедника «Столбы» с учетом альгологических и биологических показателей.

Объекты и методы исследований. Объектом исследований является рекреационный участок заповедника «Столбы», а именно: центральная пешеходная тропа с прилегающей территорией (около 1 км). На территории заповедника выделен туристко-экскурсионный район для удовлетворения рекреационных потребностей жителей Красноярска. В настоящее время его ежегодно посещает более 200 тыс. человек [4].

Определение степени рекреационной нагрузки осуществлялось на основании дополненных методик, принятых в геоботанических исследованиях [3,5,6]. Критерии оценки включали в себя: состояние подстилки, объем проективного покрытия, долю рудеральных видов, выраженность тропиночной сети.

Степень рекреационной нагрузки данной территории определена как низкая - подстилка состоит из листового и хвойного опада, в поверхностном слое почвы присутствуют следы нарушений (тропинки, бытовой мусор); в травостое присутствуют рудеральные виды [9].

Отбор проб осуществлялся на расстоянии одного метра от тропы, на всем ее протяжении, по обеим сторонам, через каждые 100 м. В качестве контрольных отобраны пробы на расстоянии 50 м от тропы. Всего было 45 смешанных почвенных образцов.

Пробы отбирались случайным образом «методом конверта», без приурочивания к массовым разрастаниям водорослей. Глубина отбора проб 0-10 см. При отборе проб первоначально осматривалась поверхность почвы, чтобы отметить наличие или отсутствие разрастаний водорослей, заметных невооруженным глазом.

Для определения видового состава сообществ почвенных водорослей (альгосинузий) использовались культуры на стеклах обрастания. Стекла можно просматривать под микроскопом через 4-5 дней. Культуры на стеклах обрастания дают представления об активном составе почвенной альгофлоры, а также возможность наблюдать сукцессии доминирующих альгогруппировок, максимально приближенные к естественным. Одновременно с водорослями на стеклах разрастаются бактерии, грибы, актиномицеты, что дает возможность наблюдать весь спектр почвенной биоты.

При выявлении систематического спектра альгофлоры анализировались морфологические, репродуктивные и культуральные признаки, характерные для каждой популяции.

При определении представителей Cyanophyta за основу была принята система, разработанная Й. Ко-мареком и К. Анагностидисом (Komarek, Anagnostidis, 1989, 1999; Anagnostidis, Komarek, 1988, 1990). Обнаруженные в исследуемых почвах водоросли относятся к трем порядкам: Chroococcales, Oscillatoriales, Nosto-cales. При составлении списка отдела Xanthophyta за основу принята система, включающая один класс Xan-thophyceae (Ettl, 1978). Представители желтозеленых водорослей, обнаруженных в исследуемых почвах, принадлежат трем порядкам: Botrydiales, Mischococcales, Tribonematales. В принятой нами системе Tribone-matales имеется одна новая номенклатурная комбинация: название семейства Heterotrichaceae заменено на Xanthonemataceae (поскольку, название рода Heterotm заменено на Xanthonema) (Кослков и др., 2001).

При определении видов Chlorophyta использованы определители Л.Е. Комаренко, И.И. Васильевой (1978), Н.А. Мошковой, М.М. Голлербаха (1986), П.М. Царенко (1990), В.М. Андреевой (1998), F. Hindak (1980). Определение водорослей отдела Bacillariophyta осуществлялось с помощью работ О.В. Топачевско-го, О.П. Оксшк (1960), К. Krammer, Н. Lange-Bertalot (1986, 1988, 1991).

Определение каталазы проводили по методу Джонсона и Темпле (1964) титрованием 0,1 н раствором KMnÜ4, активность выражали в мл 0,1н KMnÜ4 / г сух. почвы за 20 мин. Активность протеазы определяли по методу Гоффманна и Тейхера (1957) при длине волны 650 нм и выражали в мг аминного азота / 10 г почвы за 20 ч. Потенциальную дыхательную активность изучали методом инкубирования (24 ч) и титрования. Интенсивность микробного разложения целлюлозы учитывали по убыли веса фильтровальной бумаги в лабораторных условиях. Количество разложившейся целлюлозы учитывали модифицированным весовым методом Кристенсена по убыли (за месяц) и выражали в процентах от исходного веса [8].

Результаты и обсуждение. На исследуемой территории определено 30 видов и внутривидовых таксонов почвенных водорослей, принадлежащих к четырем отделам: Cyanophyta, Chlorophyta, Xhanthophyta и Bacillariophyta. Проведенные исследования показали незначительную видовую насыщенность альгофлоры исследуемых территорий по сравнению с видовым составом альгосинузий городских рекреационных зон (156 видов и внутривидовых таксонов почвенных водорослей) [9].

На контрольном участке выявлено 22 вида почвенных водорослей, тогда как на участке, подверженном рекреационной нагрузке, выявлено 20 видов (табл.).

Соотношение численности водорослей разных отделов отражено в виде формул: контрольный участок - Cyan5 Chlorn Xant3 Bac3, рекреационная зона - Cyam Chlor8 Xant2 Bac3.

Анализ обилия видов на стеклах обрастания показал, что доминирующими являются водоросли, чувствительные к уплотнению почвы, такие, как одноклеточные зеленые, представители родов Tetracystis, Chlo-rococcum, Chlorella и нитчатые желтозеленые, например, Xanthonema exily.

Видовой спектр почвенных водорослей

Таксономическое положение Контрольный участок Рекреационная зона

1 2 3

Отдел CYANOPHYTA

Класс Cyanophyceae

Порядок Chroococcales

Семейство Microcystaceae

Microcystis sp. +

Класс Hormogoniophyceae

Порядок Oscillatoriales

Семейство Phormidiaceae

Phormidium autumnale (Agardh)Gomont +

Phormidium breve (Oscillatoria brevis) +

Phormidium tenue (Menegh.) Gom. +

Семейство Oscillatoriaceae

Oscillatoria (Tychonema) nitida + +

Oscillatoria (Tychonema) spirulinoides +

Порядок Nostocales

Семейство Nostocaceae

Nostoc commune Vauch. + +

Nostoc microscopicum (syn. Nostoc macrosporum) +

Anabaenasp. +

Trichromus variabilis (syn. Anabaena variabilis) +

Отдел CHLOROPHYTA

Класс Chlorophyceae

Порядок Volvocales

Семейство Chlamydomonadaceae

Chlamydomonas debaryana var. atactogama (syn. Chlamydomonas atactogama) +

Окончание табл.

1 2 3

Chlamydomonas montana +

Palmella sp. + +

Порядок Chlorococcales

Семейство Botryococcaceae

Dictyosphaerium chlorelloides (Naum.) Kom. et Perm. +

Семейство Chlorococcaceae

Chlorococcum infusionum (Schrank.) Menegh + +

Chlorococcum lobatum +

Chlorococcum sp. +

Tetracystis aggregata +

Spongiococcum tetrasporum +

Порядок Trebouxiales

Семейство Myrmeciaceae

Myrmecia sp. + +

Порядок Chlorellales

Семейство Chlorellaceae

Chlorella vulgaris f. globosa +

Chlorella sp. + +

Семейство Stichococcaceae

Stichococcus sp. +

Порядок Klebsormidiales

Семейство Klebsormidiaceae

Klebsormidium flaccidum (Chlorhormidium flaccidum (Kutz.) Fott.) + +

Отдел XANTHOPHYTA

Класс Xanthophyceae

Порядок Mischococcales

Семейство Pleurochloridaceae

Pleurochloris sp. + +

Семейство Xanthonemataceae

Bumilleria sp. +

Xanthonema exile (syn. Heterothrix exilis (Klebs.); syn. Bumilleria exilis (Klebs.) Pasch.) + +

Отдел BACILLARIOPHYTA

Класс Bacillariophyceae

Порядок Naviculales

Семейство Pinnulariaceae

Pinnularia borealis Ehr. + +

Порядок Bacillariales

Семейство Bacillariaceae

Hantzchia amphyoxis (Ehr.) Grun. + +

Nitschia sp. + +

Относительно низкое число видов, выявленных в рекреационных зонах заповедника «Столбы», показывает условия, максимально приближенные к естественным, ненарушенным экосистемам. Для рекреаций на территории заповедника характерна минимальная степень антропогенных воздействий: травостой сомкнутый, полноценная лесная подстилка, отсутствие кострищ, некритическое количество антропогенных пол-лютантов. Все эти условия благоприятно влияют на развитие почвенной биоты. Сохраняется естественная

среда обитания с полноценной межвидовой конкуренцией: усиливается роль травянистых растений (уменьшается освещенность почвенного покрова, увеличивается конкуренция за элементы питания и т.д.). Также значительное влияние на состав исследуемой альгофлоры оказывает хвойный опад, который содержит аль-гостатические вещества. Его разлагают многочисленные гетеротрофные организмы, среди которых имеются антагонисты водорослей (например, микроскопические грибы).

Дальнейшие исследования позволят нам в большей степени определить видовое разнообразие почвенных водорослей на исследуемом участке.

Анализируя данные, полученные по дыхательной активности почвы, установили, что данный показатель активно реагировал на рекреационную нагрузку, увеличиваясь по мере удаления от источника нагрузки на 50 м в среднем в 4 раза. В образцах почвы потенциальная дыхательная активность почвы составляла

0.128 мг СО2 /г почвы, тогда как смещение на 50 м привело к увеличению данного показателя до 0,55 мг СО2 /г почвы соответственно.

Приведенные выше данные подтверждает и активность каталазы, а именно, активность увеличивалась в образцах почвы, отобранной на расстоянии 50 м от тропы, по сравнению с исходными данными в 1,5 раза и составляла 4,6—5,1 мл КМПО4 на 1 г сух. почвы, при этом на рекреационном участке изменялась в пределах от 3,0 до 3,1 мл КМПО4 на 1 г сух. почвы. Однако следует отметить, что в целом активность каталазы почвы в сосновых биогеоценозах ГПЗ «Столбы» достаточно высокая при сравнении со шкалой Звягинцева (1978), что, вероятно, связано с высоким уровнем общего плодородия.

Функция протеазы в почве очень значительна, так как она участвует в процессе разложения азотсодержащих органических веществ. Общий уровень данного фермента в исследуемой почве сосновых биогеоценозов ГПЗ «Столбы» также довольно высокий и составляет в среднем 0,75 мг аминного азота на 1 г сух. почвы, что подтверждает высокий темп процесса аммонификации как результата накопления в подстилке опада хвои.

Общая тенденция изменения активности протеазы аналогична процессу «дыхания» и активности ката-лазы, а именно, наблюдается значительное увеличение ее активности к месту отбора образцов на расстоянии 50 м от центральной тропы до 1,02-1,09 мг аминного азота на 1 г сух. почвы по сравнению с исходными показателями на участке рекреации 0,73-0,79 мг аминного азота на 1 г сух. почвы соответственно.

Процесс разложения клетчатки является также важным фактором почвенного плодородия. Разложение целлюлозы играет роль в образовании прочной структуры почвы и связано с процессом гумификации. Кроме того, в почвах, богатых подвижным азотом, разложение клетчатки происходит быстрее. Таким образом, по интенсивности разложения целлюлозы в почве можно характеризовать обеспеченность почвы доступным азотом и другими элементами питания.

Характеризуя данные, полученные по изучению потенциальной целлюлозолитической активности почвы, установили, что в образцах почвы, отобранных на рекреационном участке, активность изменяется от 5 до 6 %, тогда как при инкубации в лабораторных условиях почвы, отобранной на расстоянии 50 м от тропы, показатели целлюлозоразрушения были выше в 5-6 раз, составляя 30-40 %.

Заключение

Сравнительно низкая видовая насыщенность альгосинузий рекреационных зон заповедника «Столбы» - пешеходной тропы, доминирование видов, чувствительных к вытаптыванию, диагностирует незначительную степень нарушенности почвенного покрова по сравнению с городскими зонами отдыха. Результаты наших исследований демонстрируют лишь относительное экологически благополучное состояние почвы рекреационного участка заповедника «Столбы», если опираться на данные по изучению альгофлоры, тогда как показатели биологической активности свидетельствуют об имеющихся нарушениях в экологическом почвенном балансе, что позволяет прогнозировать потенциальную деградацию почв уже на ранних этапах.

Для проведения экологической оценки состояния почвенной экосистемы, подвергающейся различным воздействиям: техногенным, агрогенным или рекреационным, рекомендуется использовать комплекс показателей, оценивающих в целом стабильность экосистемы, как, например, анализ альгофлоры, так и более чувствительных, например: дыхательная или ферментативная активность.

Литература

1. Алексеенко Е.В. Экологическая устойчивость культурных ландшафтов промышленного города (на

примере парков г. Омска). - Омск, 2006. - 17 с.

2. Владимиров В.В. Урбоэкология. - М.: Изд-во МНЭПУ, 1999. - 203 с.

3. Горчаковский П.П., Телегова О.В. Сравнительная оценка уровня синантропизации растительного покрова особо охраняемых природных территорий // Экология. - 2005. - №6. - С. 403-408:

4. Красноярский краеведческий сборник статей. - Красноярск: Красноярское кн. изд-во, 1991. - 257 с.

5. Перевозникова В.Д., Зубарева О.Н. Геоботаническая индикация состояния пригородных лесов (на

примере березовой рощи Академгородка г. Красноярска) // Экология. - 2002. - №1. - С. 3-9.

6. Репсторф Е.Р. Воздействие рекреационной нагрузки на травяной ярус лесных экосистем. URL: http//www.klie.ru/ conf

7. Трухницкая С.М., Чижевская М.В. Альгофлора рекреационных территорий Красноярской урбоэкоси-стемы. - Красноярск: Изд-во КрасГАУ, 2008. - 135 с.

8. Хазиев Ф.Х. Методы почвенной энзимологии. - М.: Наука, 2005. - 250 с.

9. Чижевская М.В. Использование альгофлоры в качестве индикатора состояния рекреационных терри-

торий Красноярской урбоэкосистемы: автореф. дис. ... канд. биол. наук. - Красноярск, 2007. - 19 с.

10. Штина Э.А. Методы изучения почвенных водорослей // Микроорганизмы как компонент биогеоценоза: сб.ст. - М.: Наука, 1984. - С. 58-74.