ПОЧВОВЕДЕНИЕ, 2011, № 10, с. 1231-1245
^ БИОЛОГИЯ ^^^^^^^^^^^^^^^^
ПОЧВ
УДК 631.4
ПРОСТРАНСТВЕННОЕ ВАРЬИРОВАНИЕ СОДЕРЖАНИЯ УГЛЕРОДА МИКРОБНОЙ БИОМАССЫ И МИКРОБНОГО ДЫХАНИЯ ПОЧВ
ЮЖНОГО ПОДМОСКОВЬЯ
© 2011 г. Е. Г. Гавриленко1, Е. А. Сусьян1, Н. Д. Ананьева1, О. А. Макаров2
Институт физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН, 142292, Пущино,
Московской обл., ул. Институтская, 2 2Факультет почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова, 119991, Москва, Ленинские горы
е-таП: gavrilnkelena@gmail.com Поступила в редакцию 29.06.2010 г.
На территории Подольского и Серпуховского районов (1130 и 1080 км2 соответственно) Московской обл. были отобраны почвенные образцы из гумусово-аккумулятивного слоя 10 см без растительной подстилки. Для каждой точки отбора диагностированы экосистема (лес, пашня, залежь), почва (дерново-подзолистая, дерново-глеевая, болотно-подзолистая аллювиально-луговая, серая лесная и антропогенно-преобразованная: газон, промышленная зона), доминирующая растительность и рельеф (пойма, нижняя, средняя и верхняя часть водораздела, водораздел). В почвенных образцах (237 — в Серпуховском и 45 — Подольском) определяли содержание углерода микробной биомассы (С мик) методом субстрат-индуцированного дыхания, базальное (микробное) дыхание (БД), физико-химические показатели (общий органический углерод почвы — С орг, рН, гранулометрический состав), рассчитывали отношение БД/С мик = дС02 и С мик/С орг. Содержание С мик почв составило 43-1394 мкг С/г, БД - 0.06-0.25 мкг СО2-С/г/ч, ?С02 - 0.34-6.52 мкг СО2-С/мг С мик/ч и С мик/С орг - 0.19-10.65%. Выявлено, что наиболее существенными факторами, определяющими варьирование величин С мик и БД, являются параметры экосистема (50 и 80% соответственно) и почва (30 и 9% соответственно). Наибольшее варьирование С мик и БД отмечено в почве лесов (наиболее значимые факторы: гранулометрический состав (33 и 23%) и С орг (19 и 24%). Выявлено, что параметр С мик позволяет более четко дифференцировать почвы территории для ее бонитировки, мониторинга и биологической оценки по сравнению с БД и химическими почвенными показателями.
ВВЕДЕНИЕ
Пространственная оценка различных показателей почв, в том числе и микробных, давно привлекает исследователей [25, 34, 37, 44, 46, 49, 67]. При оценке вариабельности почвенных свойств принимают во внимание масштаб исследования: микролокусный (миллиметры, сантиметры), полевой (метры: поле, участок, делянка), ландшафтный (километры: экосистема, тип почвы, рельеф), региональный (десятки и сотни километров: климат, вид землепользования, растительность, рельеф) и глобальный [54]. Для микробиологических процессов в почвах отмечают высокую пространственную вариабельность [3, 5, 7, 8, 50-52, 54, 57, 59, 60, 71, 73, 74]. При этом важно понимать закономерности пространственного изменения почвенных микробных свойств не только вдоль линейной трансекты, но и на территории одной биоклиматической зоны.
Исследования микробиологических показателей почв на ландшафтном и региональном уровнях немногочисленны [51, 52, 54, 65, 72]. Показано, что пространственное распределение микробных свойств почв зависит от положения в
ландшафте [68], вида землепользования [24], времени [58] и дизайна отбора образцов [51, 52], а также обработок почвы [51]. Выявлена взаимосвязь элементов ландшафта со структурой микробного сообщества в лесных почвах [53], а в сельскохозяйственных - с содержанием углерода микробной биомассы [46]. Углерод микробной биомассы - один из чувствительных индикаторов изменения окружающей среды [18, 19, 35, 40], ценный показатель для многих экологических исследований и мониторинговых программ [26, 70].
Показано, что содержание почвенной микробной биомассы может быть полезным "инструментом" для определения критических пределов нормального (сбалансированного) функционирования почв [20, 43] и их мониторинга для разных регионов и масштабов [21, 42]. Микробная биомасса, ее активность и разнообразие микробного сообщества широко используются в международных мониторинговых программах [22, 27, 30, 31, 36, 48, 62, 66], а также в качестве индикаторов устойчивости почв к внешним воздействиям [23, 63]. В ряде зарубежных стран углерод мик-
Рис. 1. Районы исследования: Подольский — 1, Серпуховский — 2.
робной биомассы имеет статус стандартного индекса для определения качества почвы [29].
Наша работа была направлена на оценку пространственного распределения микробиологических показателей почв и факторов его определяющих для территории двух административных районов Московской обл. Основная задача исследования была связана с оптимизацией количества почвенных образцов для пространственной микробиологической оценки выбранной территории. В почвах определяли углерод микробной биомассы методом субстрат-индуциро-ванного дыхания, микробное (базальное) дыхание в нативных (необогащенных) образцах (выделение двуокиси углерода), физико-химические показатели, а также выявляли зависимости между микробиологическими, химическими свойствами почв и экологическими (экосистема, тип почвы, рельеф) факторами исследованной территории.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ
Изучены почвы Серпуховского и Подольского (1080 и 1130 км2 соответственно) районов Московской обл. Районы находятся в зоне умеренно-
го континентального климата со среднегодовым количеством осадков 540—600 мм и суммой среднесуточных температур за вегетационный период 1900—2100°С, для крайней западной части Подольского района — 1800—1900°С [10]. Районы характеризуются разной сельскохозяйственной и промышленной освоенностью. В Серпуховском районе земли сельскохозяйственных угодий, лесного фонда, поселений и промышленности (энергетики, транспорта) составляют 46.16, 50.13, 3.39 и 0.19% соответственно, а в Подольском — 14.0, 55.85, 10.84 и 18.76% [11]. Доминирующие почвы в Серпуховском районе — дерново-подзолистая, серая лесная и аллювиально-луговая, в Подольском — дерново-подзолистая и аллюви-ально-луговая.
Отбор почвенных образцов проводили осенью 2007 г. (сентябрь и октябрь) в соответствии с методикой [9]. На топографической карте предварительно выделяли условные квадраты, сторона которых составляла 2 и 5 км для Серпуховского и Подольского районов соответственно (рис. 1). Использовали топографическую (масштаб 1 : 100000) и почвенную (1 : 300000) карты Московской обл. [13], а для Серпуховского района — дополнительно почвенную карту 1 : 50000. Территория Серпу-
ховского р-на имеет более расчлененный рельеф по сравнению с Подольским и соответствует третьей и второй категориям сложности соответственно [14]. На местности в каждом намеченном квадрате выбирали ровную площадку (10 х 10 м), из пяти точек которой отбирали образцы почвы (метод "конверта") из верхнего гумусово-аккуму-лятивного слоя 10 см. Из них готовили смешанный образец. В естественных экосистемах растительную подстилку не отбирали. При отборе образцов фиксировали вид землепользования: лес, залежь, пашня, антропогенно-преобразованный (газон, городской парк, промышленная территория), доминирующую растительность, географические координаты и высоту над уровнем моря определяли по навигационной системе (GPS). Выделяли элементы рельефа: пойму, нижнюю, среднюю и верхнюю части водораздела и водораздел. Было отобрано 282 образца, из них 237 в Серпуховском и 45 — Подольском районах. Для каждой точки отбора образцов была диагностирована почва. Образцы почв естественной влажности хранили при температуре 8—10°С не более двух месяцев. До начала анализов смешанные образцы почвы просеивали через сито с диаметром ячеек 2 мм и предынкубировали.
Микробиологические методы: субстрат-инду-цированное дыхание (СИД) почвы оценивали по скорости начального максимального дыхания микроорганизмов после обогащения почвы дополнительным источником углерода и энергии — глюкозой [16, 17]. Навеску почвы (2 г, для торфяных почв 1 г) помещали во флакон (объем 15 мл), добавляли раствор глюкозы (0.2 мл/г почвы), результирующая концентрация которой составляла 10 мг/г, герметично закрывали и фиксировали время. Обогащенный глюкозой образец почвы инкубировали (3—5 ч при температуре 22°С), затем отбирали шприцем пробу газовой фазы из флакона (0.5—1 мл) и вводили в газовый хроматограф Chrom 5 (катарометр) для регистрации СО2. Время отбора газовой пробы также фиксировали. Скорость СИД выражали в мкл СО2/г почвы в час.
Углерод микробной биомассы (С мик) почвы определяли пересчетом скорости СИД по формуле: С мик (мкг С/г почвы) = СИД (мкл СО2/г почвы/ч) х 40.04 + 0.37 [17].
Базальное дыхание (БД) определяли по скорости выделения СО2 почвой за 24 ч инкубации при температуре 22°С и 60% полной влагоемкости (ПВ). Измерения БД выполняли так же, как для СИД, только вместо раствора глюкозы в почву вносили воду (0.2 мл/г почвы). Скорость базального дыхания выражали в мкг СО2—С/г почвы/ч.
Удельное дыхание микробной биомассы или микробный метаболический коэффициент рассчитывали как отношение скорости базального
дыхания к микробной биомассе: дСО2 (мкг СО2-С/мг С мик/ч) = БД/С мик.
Рассчитывали долю углерода микробной биомассы (С мик) в общем органическом углероде (С орг) почвы: С мик/С орг, %.
Предынкубация образцов. До начала измерений СИД и БД образцы почвы около (0.5 кг) увлажняли до 50-55% полной влагоемкости и инкубировали в течение 7 сут (22°С) в полиэтиленовых пакетах с воздухообменом (чтобы избежать возможного увеличения продуцирования СО2 из-за перемешивания, просеивания и дополнительного увлажнения почвы).
Содержание органического углерода в почве определяли методом бихроматного окисления, кислотность почвы - в водной суспензии (соотношение почва : вода 1 : 2.5), гранулометрический состав - весовым методом, диспергирование почвы проводили с пирофосфатом натрия [4].
Измерения СИД и БД были выполнены в четырех повторностях, данные выражены как средние величины ± стандартное отклонение, расчет выполнен на вес сухой почвы (105°С, 8 ч). Статистический анализ результатов (факторный, дисперсионный и корреляционный) проведен в программе 81аЙ8Йеа 7.0. Для оценки вклада факторов: экосистема, тип почвы и элемент рельефа -
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.