БИОЛОГИЯ ПОЧВ
УДК 631.466.1(470.311.2)
ИЗМЕНЕНИЕ ЦЕЛЛЮЛОЗОЛИТИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ ГОРОДСКИХ ПОЧВ В СВЯЗИ С ИЗЪЯТИЕМ РАСТИТЕЛЬНОГО ОПАДА (НА ПРИМЕРЕ МОСКВЫ)
© 2015 г. А. Е. Иванова, В. В. Николаева, О. Е. Марфенина
Факультет почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова, 119991, Москва, Ленинские горы, 1
e-mail: ivanovaane@gmail.com Поступила в редакцию 14.02.2014 г.
Выявлены различия показателей биологической активности верхних горизонтов городского урба-нозема (г. Москва, СЗАО, р-н Тушино), где опад регулярно изымается и подстилка отсутствует, и фоновой ненарушенной дерново-подзолистой почвы с подстилкой. В исследованных почвах уровни и динамика ферментативной целлюлазной активности были сопоставимы, значения возрастали от весны к осени, что было более резко выражено в урбаноземе осенью во время листопада. Сезонная динамика эмиссии СО2 при увлажнении в урбаноземе была сходна с фоновой почвой, но абсолютные значения существенно меньше в летний и осенний периоды. Методом субстрат-индуциро-ванного дыхания выявлен отклик на внесение целлюлозы в обеих почвах, однако в урбаноземе возрастание эмиссии CO2 было в 1.5—2 раза меньше. При внесении опада липы (Tilia cordata Mill.) в контактном с опадом слое почвы (0.5 см) целлюлазная активность возрастала, но в урбаноземе эта реакция была менее выражена, чем в дерново-подзолистой почве. Увеличение эмиссии СО2 при добавлении целлюлозы в контактном с опадом слое, наоборот, было более выражено в урбаноземе и дольше сохранялось.
Ключевые слова: городские почвы, биологическая активность, разложение опада, ферментативная целлюлазная активность, эмиссия СО2, субстрат-индуцированное дыхание.
DOI: 10.7868/S0032180X15030053
ВВЕДЕНИЕ
В современном мире площади урбанизированных территорий постоянно увеличиваются. По данным на 2013 г. в мире в городах проживает более 3.69 млрд человек, что составляет 53% мирового населения [32]. Городские территории занимают примерно 3% поверхности суши, хотя фактически площадь может варьировать в зависимости от определения городских территорий [27].
Рост городов является глобальным фактором изменения землепользования и обезлесения [27]. В городских экосистемах почвенный покров трансформируется, изменяются факторы почвообразования, функционирование почвенной биоты [6, 20]. Естественные растительные сообщества на городских территориях деградируют и уничтожаются, их часто искусственно заменяют монодоминантными посадками древесных пород и газонных травяных смесей. Это может повлечь за собой кардинальное изменение условий и скоростей трансформации наиболее широко распространенного природного полимера — целлюлозы — в почвах урбанизированных территорий.
Современные технологии содержания городских территорий часто направлены на изъятие
растительных остатков и подстилки. Это отчасти обусловлено правилами содержания газонов и санитарными требованиями, однако постепенно может приводить к истощению органического вещества почв и исчезновению значительной части обитателей подстилочного яруса, например, беспозвоночных и грибов [13, 20]. В Москве согласно действующим нормативным документам предписано регулярно скашивать газонную траву и дважды в год (осенью и весной, после снеготаяния) вывозить осенний листовой опад с территорий бордюрных и партерных газонов вдоль автодорог и жилых домов за пределы города [18, 19, 21, 22]. Внедряемые в последнее десятилетие технологии подсыпок торфокомпостных смесей для обогащения городских почв недостаточно пополняют почвы органическими веществами, которые к тому же быстро, в течение 3—4 лет, минерализуются [10]. Как в этих условиях функционирует почвенная биота, осуществляющая трансформацию растительных остатков в почвах урбанизированных территорий, до сих пор не исследовано.
Целью работы была характеристика биологической активности сообществ целлюлозолитических микроорганизмов в городских почвах при изъятии растительного опада (на примере Москвы).
Таблица 1. Химические свойства почв района Тушино (по [24])
Показатель Урбанозем маломощный среднесугли-нистый на покровных суглинках Дерново-подзолистая среднемощная неглубокоосветленная глубокооглее-ная пылевато-легкосуглинистая на покровных суглинках
Растительность Разные посадки 30-40-летние липы, Сосново-широколиственный лес, ку-
березы, рябины, клен. Травяной по- старниковый ярус — орешник и ольха
кров развит слабо
Особенности участка Типичный современный регулярно Присутствует горизонт лесной под-
убираемый дворовый участок. Под- стилки («2 см), представлены подгор. L
стилка практически отсутствует и F
Рекреационная нагрузка Сильная Слабая
Загрязнения тяжелыми металлами Нет Нет
Содержание гумуса, % 2.75 2.1
Са2+ + М^2+, смоль(экв)/кг 5.9 6.8
Р205, мг/100 г 18.38 4.54
СаС03, % 0.12 Нет
Таблица 2. Показатели температуры, влажности и рН исследуемых почв в разные сроки отбора
Год Срок отбора Дерново-подзолистая Урбанозем
температура, °C влажность, % pH температура, ° C влажность, % pH
2009 Начало зимы 3.0 57.2 ± 5.6 4.8 1.5 34.4 ± 3.8 6.0
2010 Начало весны 2.0 36.5 ± 3.0 4.7 6.0 42.1 ± 3.6 6.1
Начало лета 7.0 42.9 ± 1.7 4.9 8.0 38.6 ± 3.3 6.0
Начало осени 13.0 16.5 ± 1.8 4.9 14.3 28.0 ± 3.1 6.1
Начало зимы 2.9 25.6 ± 0.01 4.6 2.0 51.6 ± 0.2 6.1
2011 Начало весны 3.0 42.5 ± 2.0 4.7 5.0 34.4 ± 2.7 6.1
Начало лета 5.0 39.9 ± 1.3 4.9 8.0 32.0 ± 1.9 6.0
Начало осени 14.0 20.4 ± 1.5 4.9 12.0 45.1 ± 1.1 6.1
2012 Начало весны 3.7 38.8 ± 3.2 4.7 5.4 49.1 ± 2.1 6.1
Начало лета 7.3 39.9 ± 2.6 4.9 9.0 34.6 ± 3.3 6.0
Начало осени 13 19.8 ± 1.9 4.9 15.1 29.0 ± 4.1 6.1
Начало зимы 3.5 29.7 ± 1.3 4.6 2.0 43.5 ± 2.5 6.1
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ
Исследование проводили на площадках в микрорайоне 40-летнего возраста застройки (г. Москва, СЗАО, р-н Тушино), на которых сотрудниками факультета почвоведения МГУ ведутся многолетние исследования по оценке состояния городских почв (табл. 1) [10, 11, 24]. Работы осуществляли в течение трех лет с 2009 по 2012 гг. Почвенные образцы отбирали в разные сезоны: в конце осени после листопада (ноябрь); в начале весны после снеготаяния (март—апрель); в начале лета (июнь); в начале осени до начала листопада (сентябрь). При отборе измеряли влажность, температуру и рН водной вытяжки почв [5] (табл. 2).
Для оценки изменений биологической активности при разложении опада применяли метод изоляции [23, 33], для чего в верхние (0—10 см) слои почв (гор. U урбанозема и гор. А дерново-подзолистой почвы под подстилкой) помещали нестерильный опад липы (Tilia cordata Mill.) в капроновых мешочках по 1 г воздушно-сухой массы неизмельченной листвы. Было два варианта — в одном предполагалось участие фауны в разложении растительного опада, для чего использовали мешочки с диаметром пор 2 мм, другой — без участия фауны, где использовали мешочки с диаметром пор 0.1 мм. Размер мешочков 10 х 10 см. Изначально было заложено по 70 шт. в каждом варианте (70 с участием и 70 без участия животных)
для каждой почвы. Отбор образцов почвы проводили из прилегающего к листовому опаду "контактного слоя почвы" (0.5 см от мешочка) и контрольной почвы на удалении более 1—3 м от мешочков. Повторность контрольных образцов трехкратная в каждом сроке в течение трех лет исследований, образцов из контактного слоя почвы — шестикратная. Анализ образцов из контактного слоя почвы проводили в течение двух лет до окончания разложения опада.
Ферментативную целлюлазную активность почв определяли наиболее распространенным фотоколориметрическим методом Баганюк, Щетинской [15], основанном на определении количества глюкозы, образующейся при гидролизе целлюлозы в почве. Согласно "Методическим рекомендациям по гигиеническому обоснованию ПДК химических веществ в почве" для характеристики состояния городских почв при определении ряда важнейших почвенных ферментов по методикам отечественных авторов, выбор методики оставлен на усмотрение исследователя [16]. В наших исследованиях к 10 г почвы в колбе объемом 50 мл, добавляли 1.5 мл толуола, затем 5 мл ацетатного буфера (pH 5.5) и 5 мл 1%-ого водного раствора КМЦ; перемешивали, закрывали и инкубировали при 36°С 72 ч; после добавляли 0.3 г алюмокалиевых квасцов; фильтровали через бумажный фильтр "белая лента" в колбы по 50 мл и объем фильтрата доводили до 50 мл водой. Повторность колб — двухкратная. В качестве контролей использовали почву без внесения субстрата и реактивы без внесения почвы. Для оценки количества глюкозы, образовавшейся при расщеплении целлюлозы, применяли реактив Фелинга: к 6 мл фильтрата в термостойких пробирках объемом 50 мл добавляли 3 мл CuS04 и 3 мл реактива Фелинга, перемешивали, нагревали на водяной бане при 100°С 10 мин, затем отстаивали 10—15 мин, после чего надосадочный раствор колометрирова-ли при красном светофильтре при длине волны 630 нм. Измерение оптической плотности калибровочных и испытуемых растворов проводили на приборе ФЭК-56М-У42.
Интенсивность выделения СО2 из образцов почв (контрольных, без внесения листвы, и из контактной зоны) при увлажнении измеряли методом Макарова в модификации Ананьевой [1, 14, 25], для чего в пенициллиновые флаконы помещали 2 г воздушно-сухой почвы, просеянной через сито с отверстиями 2 мм, и добавляли по 0.5 мл воды. Интенсивность выделения СО2 из образцов почв (контроля и контактной зоны) при внесении субстрата целлюлозы оценивали методом СИД при дополнительном внесении по 0.5 мл раствора микрокристаллической целлюлозы (Merck) в воде в концентрации 20 мг/л [26],
предварительно обработанного на УЗДН-1 в течение 10 мин. Для оценки вклада в суммарную эмиссию СО2 отдельно грибной и бактериальной частей пула почвенных микроорганизмов измерения проводили с внесением антибиотиков [3]: в часть подготовленных с почвенными образцами флаконов дополнительно вносили, соответственно, стрептомицин (15 мг/1 г почвы) и циклогек-симид (20 мг/1 г почвы). Для выявления неинги-бируемого остатка пула микроорганизмов использовали также вариант с одновременным добавлением стрептомицина и циклогексимида. Для равномерного распределения в почвенном образце плохо растворимого циклогексимида пров
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.