ПОЧВОВЕДЕНИЕ, 2014, № 9, с. 1077-1088
БИОЛОГИЯ ПОЧВ
УДК 631.46
БИОМАССА И ДЫХАТЕЛЬНАЯ АКТИВНОСТЬ ПОЧВЕННЫХ МИКРООРГАНИЗМОВ В АНТРОПОГЕННО-ИЗМЕНЕННЫХ ЭКОСИСТЕМАХ (МОСКОВСКАЯ ОБЛАСТЬ)* © 2014 г. К. В. Иващенко1, Н. Д. Ананьева1, 2, В. И. Васенев2, 3, В. Н. Кудеяров1, Р. Валентини2, 4
Институт физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН, 142290, Пущино Московской обл., ул. Институтская, 2 2 Российский государственный аграрный университет-Московская сельскохозяйственная академия им. К.А. Тимирязева, 127550, Москва, ул. Тимирязевская, 41 3 Российский университет дружбы народов,117198, Москва, ул. Миклухо-Маклая, 8/2 4 Университет Тушии, 0100, Витербо, Виа С. Камилло де Леллис, Италия e-mail: ivashchenko-kv@rambler.ru Поступила в редакцию 19.02.2014 г.
В экосистеме леса, луга, пашни и города (рекреационная, селитебная и промышленная зоны) Сер-гиево-Посадского, Шатурского, Серпуховского и Серебряно-Прудского р-нов Московской обл. были выбраны случайным образом пространственно-удаленные точки (3—5), в которых в сентябре 2011 г. отбирали образцы почв из слоев 0—10 (без растительной подстилки) и 10—150 см (всего 201). В образцах определяли содержание углерода микробной биомассы (С мик), скорость базального (микробного) дыхания (БД) и физико-химические показатели (гранулометрический состав — ГС, C орг, рН, содержание тяжелых металлов и элементов питания: NPK). Выявлена высокая пространственная вариабельность С мик и БД в каждой экосистеме и функциональной зоне изученных районов, при этом показана четкая тенденция уменьшения этих показателей в пахотных почвах (в 1.4— 3.2 раза) и в промышленной зоне (в 1.7—3.3 раза) по сравнению с естественными аналогами и другими соответствующими функциональными зонами. Показано, что на пространственное распределение микробиологических параметров значимое (р < 0.05) влияние оказывают как физико-химические свойства почвы (для С мик — ГС и ГС х С орг, для БД — pH и pH х NPK, вклад 40 и 63% соответственно), так и тип экосистемы и район исследования (сочетание этих факторов составляет 56 и 67% соответственно). Показана тенденция "ухудшения" функционирования микробного сообщества при антропогенном преобразовании почв. Рассчитан и обсужден вклад городских почв как потенциального источника (выбросов) СО2 в атмосферу.
Ключевые слова: почва, углерод микробной биомассы, микробное продуцирование СО2, пространственная изменчивость, наземные экосистемы, антропогенное преобразование.
Б01: 10.7868/80032180X14090056
ВВЕДЕНИЕ
Почва — один из ключевых природных ресурсов, выполняющий экологические, экономические и социальные функции [7, 9, 28, 29]. В настоящее время продолжает углубляться понимание еще более существенной роли почвы в окружающей среде [8, 18, 45]. Одной из весомых тенденций современного преобразования почвенного покрова является антропогенное вмешательство и, как следствие, формирование агро- и урбо-экосистем, которые называют антропогенно-преобразованными. Особое внимание в этом
* Работа выполнена при частичной поддержке грантов РФФИ № 12-04-00097, Правительства РФ № 11G34.31.0079, НШ-6123.2014.4 и программы Президиума РАН № 30.
контексте уделяют в последнее время и городским почвам [5, 17, 21—23, 33, 39, 51]. В почвах города, где наиболее тесен контакт человека с окружающей средой, отмечают, к тому же, их высокую пространственную неоднородность [17, 33, 55], которая диктует необходимость их дифференциации на разные функциональные зоны или территории. Исследования почв в сравнительном градиенте от естественных экосистем к антропогенно-преобразованным немногочисленны [3, 27, 30, 38, 41, 42, 55]. Изменение почв в градиенте разных экосистем с учетом их пространственного и пространственно-дискретного (прерывистого) распределения почти не изучено.
Рис. 1. Агроклиматические пояса (зоны) Московской обл. Районы: 1 — Сергиево-Посадский, 2 — Шатурский, 3 — Серпуховский, 4 — Серебряно-Прудский.
Живая часть почвы (преимущественно почвенные микроорганизмы) обеспечивает оптимальное функционирование наземной экосистемы [25, 44] и основной поток СО2 суши в атмосферу [10, 32, 51]. Микробное сообщество почвы "чутко" реагирует на разнообразные внешние, в том числе и антропогенные, воздействия [1, 25, 31, 43, 44]. Отмечают также, что в городских почвах происходит изменение функционирования микробного сообщества, которое, в свою очередь, влияет на его дыхательную активность, структуру и разнообразие [12, 31, 37, 38, 43, 50].
Известно, что микробиологические параметры почвы характеризуются высокой пространственной вариабельностью, вызванной разным содержанием органического вещества, питательных элементов, значением рН, растительностью, положением в ландшафте, экспозицией и другими факторами [4, 26, 35, 46, 53, 54]. Поэтому для пространственного изучения микробиологических показателей почвы часто выбирают сопряженные экосистемы, ландшафты и катены ("горизонтальный" градиент), что позволяет уменьшить влияние других пространственных факторов. Отсюда изучение микробиологических свойств почвы на определенной территории (например, региональный или локальный уровень) в контексте "пространственно-горизонтального" градиента экосистем, включающих и городские, представляется, на наш взгляд, более сложной задачей.
Кроме того, городские экосистемы (земли) часто исключают в балансовых расчетах потока углерода на глобальном и региональном уровнях [19, 49], однако на локальном уровне дыхание городских почв может быть сопоставимо или даже больше, чем естественных экосистем [36, 51]. От-
мечают, что урбанизация остается одним из основных путей преобразования почв [47, 48].
Наша работа была нацелена на изучение изменения микробного компонента почв и его дыхательной активности (образование СО2) в "пространственно-горизонтальном" градиенте естественных (лес, луг) и антропогенно-преобразованных (пашня, город) экосистем четырех административных районов Московской обл. Основная гипотеза работы была связана с двумя аспектами: 1) происходит ли ухудшение функционирования микробного сообщества почвы при антропогенном преобразовании наземных экосистем? 2) являются ли городские почвы потенциальными источниками, поступающего в атмосферу CO2?
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ
Локализация и отбор образцов почвы. Изучены почвы естественных (лес, луг) и антропогенно-преобразованных (пашня, город) экосистем Сергиево-Посадского, Шатурского, Серпуховского и Серебряно--Прудского районов, локализованных в разных агроклиматических зонах Московской обл. (табл. 1, рис. 1). В городе (административные центры района) диагностировали функциональные зоны: рекреационную (парки, зоны отдыха), селитебную (жилая) и промышленную (близ автомагистралей и промышленных объектов). В Сергиево-Посадском районе преобладает дерново-подзолистая почва, в Шатурском — болотно-подзолистая, перегной-но-подзолистая, болотно-аллювиальная и торфяная, в Серпуховском — серая лесная и в Серебря-но-Прудском — чернозем выщелоченный. В каждой экосистеме и функциональной зоне района выбирали случайным образом от трех до пяти пространственно-удаленных точек. Каждая точка представляла собой ровную площадку (2 х 2 м), на которой методом "конверта" отбирали буром почвенные образцы с глубины 0—10 (растительную подстилку исключали) и 10—150 см, которые позволили в определенной степени характеризовать почвенный профиль. Для каждой точки и глубины отбора готовили смешанный образец. Всего отобран (осень 2011 г.) 201 почвенный образец, из них — 104 из слоя 0—10 см. При отборе образцов определяли доминирующую растительность, местоположение по GPS и почву. Доставленные в лабораторию образцы хранили при естественной влажности с воздухообменом (8— 10°С) не более четырех недель до использования в экспериментах.
Физико-химические показатели. В почве определяли содержание органического углерода (С орг, бихроматное окисление), аммиачного (калориметрия с реактивом Несслера) и нитратного (Грандваль-Ляжу) азота, калия (пла-
Таблица 1. Локализация отбора образцов почв в разных экосистемах и функциональных зонах районов Московской обл.
Район* Э/ФЗ** Локализация, с. ш./в. д. (система координат WGS 84) Почва*** ДР****
градус минута ( ), секунда
СПа Лес 56/38 13 '48.5/3 '49.5; 23'60.1/66'30.1; 23'10.6/6'33.7; 16'9.9/21'38.0 Дп ХЛ
Луг 13 ' 45.8/3 ' 43.2; 23'26.7/6'28.6; 23'13.6/6'31.7; 16 '50.7/23'24.3; 16'6.6/21'55.9 Дп РТ
Пашня 17 ' 25.5/5 ' 49.8; 17' 25.1/5 ' 57.1; 16' 51.3/23' 20.4; 16 ' 6.6/22 '15.5 Дп Пш, Кз
Р 18 '30.6/8 ' 3.3; 18' 29.6/7 ' 53.6; 19 '0.3/8 ' 5.1; 19 ' 9.9/8' 8.7; 17'20.0/8 ' 59.4 Дп, У, Ад ГС, РТ, Г
С 18 ' 57.2/8 ' 44.9; 18 '12.5/10 ' 46.7; 17' 36.8/8' 34.7; 18 '3.8/8' 46.3; 18'3.4/8' 34.2 У Г
П 16 '13.9/7 '28.1; 26' 54.3/6'18; 26 ' 57.5/6 '18.8; 18 ' 59.4/8 ' 37.7; 19'22.4/13 '43.8 У, Дп ГС, РТ
Ш Лес 55/39 12' 34.1/28' 50.2; 34'46.6/26'19.9; 34'28.8/24'57.7; 34' 51.9/39'3.9; 34' 54.6/33'10.8 БП ПП бал ХЛ, СЛ, Б
Луг 35' 6.8/41' 58.5; 35 '3.9/41' 55.1; 34'43/41'10.8; 34' 41.1/25' 4.6; 34'45.4/25'2.9 Бп, Пп, Т РТ
Пашня 34' 36.3/22 ' 41.1; 34'42.3/22'44.8; 34'33.4/25'14.5; 33 '19.6/36 '15; 33 '22/36'18 Пп Пш, Кз, Ка
Р 35 ' 2.9/32'23.9; 35' 0.6/32'36.8; 34'40.6/32' 38.9; 34' 32.4/31 '6.5; 34'55.6/32'13.2 У, Ал Г, РТ
С 34'27.1/32' 38.3; 34'37/31' 47.6; 34'47.6/31' 31.3; 34'49.7/32'26.6; 34' 45.6/31'1.9 У Г
П 34' 28.6/31' 28.7; 34 '24.1/31' 27.4; 35'0.2/33'27.2; 34'23.9/33'17.3; 34'16.4/32' 55.5 У ГС
СР Лес 54/37 48 ' 23.9/31' 48.0; 48'56/30' 50.0; 48'53.4/30'31.0; 49 0.8/30 29.0 Сд Е, Б
Луг 49 43.3/30 40.0; 49 30.8/33 54.0; 49 44.4/33 48.0 Сд РТ
Пашня 48 ' 37.5/31'33.0; 49 '44.5/35'31.0; 49' 41.3/31'31.0; 49 ' 45.6/30' 55.0; 49 '43.1/30'25.0 Сд Пш
Р 49 ' 55.0/36' 40.0; 49 '55.4/36'30.0; 49'53.7/37'19.0 Сд РТ
С 50' 6.0/36 ' 46.0; 50 ' 1.5/37 ' 42.0; 49'52.7/36'25.0; 49 ' 53.1/36' 53.0; 49'48.4/37'18.0 Сд, У Г
П 49' 53.0/35' 59.0; 50 '24.1/37' 56.0; 50'19.1/37' 56.0; 50' 3.2/38 '19.0 У, Сд ГС, Г
СП Луг 54/38 27' 32.6/40'20.2; 27' 39.6/40'12.4; 28'24.0/33' 23.2; 28 9.7/33 25.1 Чв РТ
Пашня 28 '54.3/42' 46.6; 28 ' 51.6/42'3
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.