Статья: Исследования влияния пирогенного воздействия на ферментативную активность каштановых и черноземных почв

Исследования влияния пирогенного воздействия на ферментативную активность каштановых и черноземных почв

С.Я. Семененко, Н.В. Морозова, С.С. Марченко

Федеральный научный центр агроэкологии, комплексных мелиораций и защитного лесоразведения РАН

Возгорание и пожары оказывают негативное воздействие на окружающую природную среду и ее природные компоненты. Длительные и сложные процессы восстановления происходят в почвенном покрове, так как выгорает поверхностный плодородный слой, который формировался на протяжении долгого времени. По количеству содержания ферментов в пробах почвы, отобранных на исследуемых участках, мы судили об интенсивности жизнедеятельности почвенных микроорганизмов, а, следовательно, и об интенсивности и характере процесса восстановления почвы. Полученные результаты ферментативной активности почвы разных природных зон после их возгорания сопоставлялись между собой.

Ключевые слова: ферментативная активность почвы, почвенный покров, пожары, возгорание, негативное воздействие.

Введение

Важнейший негативный экологический эффект от возникновения пожаров в природной среде - потеря органического вещества экосистемой в целом, в том числе потеря органического вещества почвы (Горбунова и др., 2014). Природные, антропогенные лесные и степные пожары, а также возгорания оказывают негативное влияние на почвенный покров (Khaninaetal., 2018; Diaz-Guerraetal., 2018; Ficken, Wright, 2017; Bartkowiak, Lemanowicz, 2017; Godwinetal., 2017; Sulwinskietal., 2017). Возгорание сухого травяного покрова и пала (горение сухой прошлогодней травы) является высоко термическим процессом, при котором пламенное горение с выделением дыма, углекислого газа, водяных паров и несгоревших газов происходит при температуре +650...1095°С (Тушение лесных пожаров ..., 2002). При такой температуре помимо растительности, подстилки (надпочвенный покров мертвого растительного вещества), ветоши (оставшиеся на корню сухие стебли и листья травянистых растений) сгорает (прокаливается) и часть органического вещества собственного верхнего слоя почвы (накопленный плодородный слой; Бондарев, Морозова, 2017). Процесс восстановления почвы достаточно долгий, т.к. скорость формирования гумусового слоя составляет до 1 мм в год максимум (Геннадиев и др., 1987). Наиболее известны и изучены природные процессы пирогенного действия для торфяно-болотных почв и мероприятия по их рекультивации (Зайдельман, 2003). Это обстоятельство создает предпосылки для изучения состояния различных типов почв после возгорания и процессов ее самовосстановления для скорейшего возврата почв в хозяйственный оборот.

Объекты и методы исследований

Определение активности в почве ферментов инвертазы и уреазы проводили по методу В.Ф. Купревича и Т.Т. Щербаковой (1966), каталазы - газометрическим методом.

Степень достоверности работы подтверждается данными натурных исследований, использованием общепринятых и стандартных методик. Расчет и обработка результатов исследования выполнялись на ЭВМ методами математической статистики с использованием программ Microsoft Excel.

В 2015 году на территории Волго-Ахтубинской поймы Волгоградской области были отобраны пробы почвы на участках, которые в различные годы подверглись пожару (табл. 1). Выбор опытных участков для исследований был основан на мониторинге информации о возникновении пожаров на территории поймы. В данном районе распространены преимущественно пойменные каштановые почвы. Опытные участки не имеют общей границы, что также согласуется с методикой ведения полевого опыта Б.А. Доспехова (1985).

Пробы почвы отбирались методом конверта из 5-7 равноудаленных конвертов на каждой исследуемой территории, тип отбираемой пробы почвы - объединенная, глубина отбора -- 0-10 и 1020 см. Отбор проб проводился в соответствии с требованиями к отбору при общих и локальных загрязнениях, согласно ГОСТ 17.4.3.01-83 «Охрана природы. Почвы. Общие требования к отбору проб»; ГОСТ 17.4.4.02-84 «Охрана природы. Почвы. Методы отбора и подготовки проб для химического, бактериологического, гельминтологического анализа». Использовались также «Методические указания по агрохимическому обследованию почв сельскохозяйственных угодий».

При исследовании биологической активности почвы на территории Волго-Ахтубинской поймы важно учитывать, наблюдалось ли половодье на исследуемых территориях. История наблюдения таких явлений (событий), как половодье и возгорание, по годам на исследуемых территориях представлена в таблице 1.

Все участки территории (за исключением контрольного - близ ерика Бирючка) за период 20132015 гг. претерпели 2-разовое подтопление в половодье и однократное возгорание в летний период, за исключением территории близ ерика Бирючка, где отмечалось 2 -разовое подтопление в половодье и отсутствовало возгорание на территории.

Таблица 1. История наблюдения явлений (событий) половодья и возгорания по годам на исследуемых территориях

Примечание к таблице 1: +* - событие (явление) имело место; --** - события (явления) не было.

Результаты и обсуждение

По результатам исследования было установлено, что пожары влияют на ферментативную активность почвы. Активность инвертазы сразу после пожара была ниже по отношению к контрольному варианту. Через один год после воздействия пожаров активность инвертазы снизилась на 16.4% в слое почвы 0-10 см, на 1.9% в слое 10-20 см по отношению к контрольному варианту. На второй год после пожара значения ее активности приближаются к контрольному варианту, за исключением слоя 10-20 см, где она снизилась на 92.2%, что может быть сопряжено с низким показателем влажности почвы - 15-22% (рис. 1).

Анализ активности фермента каталаза в почве исследуемых участков территории пой мы показал, что ее пик приходится на момент сразу после пожара, т.к. после возгорания система, согласно принципу Ле Шателье (Радкевич В.А., 1997), стремится восстановиться и пополнить свои запасы выгоревшего кислорода. Через год после возгорания отмечается снижение уровня активности фермента каталазы на 81.8% в слое почвы 0-10 см. На втором году после возгорания значения активности каталазы в слоях 0-10 и 10-20 приближаются к контрольному варианту. Поэтому можно предполагать, что на второй год после пожара в условиях ограничения антропогенной деятельности (Волго-Ахтубинская пойма является охраняемой природной территорией) начинаются естественные процессы самовосстановления почвенного покрова (рис. 2).

Рис. 1. Динамика активности фермента инвертаза на участках территории, подвергшихся пожару и возгоранию (по состоянию на 2015 г.). Условные обозначения к рис. 1-3: черный - слой почвы 010 см, серый - слой почвы 10-20 см.

Рис. 2. Динамика активности фермента каталаза на участках территории, подвергшихся пожару и возгоранию (по состоянию на 2015 г.)

Анализ активности фермента уреаза в почве исследуемых участков территории поймы показал, что ее пик приходится на слой 10-20 см сразу после пожара. Через год после возгорания отмечается снижение ее активности на 4.8% в слое почвы 0-10 см, на 6.1% в слое 10-20 см по отношению к контрольному варианту.

На второй год значения активности уреазы приближаются к контрольному варианту, что связано с началом естественного процесса восстановления почвы (рис. 3).

Полученные результаты о ферментативной активности почвы после их возгорания и пожаров на территории Волго-Ахтубинской поймы сопоставлялись с результатами, полученными на территории Задонского района Липецкой области вблизи населенного пункта Кашары, где распространен чернозем выщелоченный среднегумусный среднемощный суглинистый на покровном карбонатном суглинке. Сопоставление результатов исследований показали, что снижение активности ферментов четко прослеживается на следующий год после пожара в слое 0-10 см и составляет в среднем 34% в Волго-Ахтубинской пойме Волгоградской области и 14% в Задонском районе Липецкой области. Это связано со сгоранием гумуса (Горбунова и др., 2012) и, как следствие, отсутствием субстрата для жизнедеятельности микроорганизмов и возможной денатурацией самих белковых молекул ферментов. Спустя два года после пирогенного воздействия мы наблюдаем увеличение ферментативной активности в среднем на 94.35% в Волго-Ахтубинской пойме и на 7.53 % - в Задонском районе по сравнению с предыдущим годом на данных территориях (табл. 2-3; Бондарев, Морозова 2017; Горбунова и др., 2012).

Рис. 3. Динамика активности фермента уреаза на участках территории, подвергшихся пожару и возгоранию (по состоянию на 2015 г.)

Таблица 2. Активность почвенных ферментов каштановых почв на территории Волго-Ахтубинской поймы (ВАП) Волгоградской области (2013-2015 гг.; Бондарев, Морозова, 2017)

В техногенном ландшафте (полигон ТБО со сроком захоронения отходов 1 год) уровень ферментативной активности на порядок меньше по сравнению с почвами в Волго-Ахтубинской пойме, где после пирогенного воздействия прошел 1 год: инвертазы - на 94.04...95.02%, каталазы - до 12.46%, уреазы - на 54.38...55.78%. Можно отметить, что техногенное воздействие, как уплотнение почвы и принос в нее загрязняющих веществ, связанных с захоронением и депонированием отходов, оказывает больше негативного воздействия, чем пожары, даже спустя год для светло-каштановых почв.

Таблица 3. Активность почвенных ферментов чернозема выщелочнного под пирогенным широколиственным лесом Липецкой области (Задонский район, близ населённого пункта Кашары), 2011-2012 гг. (Горбунова и др., 2012)

Показатели активности почвенных ферментов на второй год после пожаров и возгораний приближаются к уровню ферментативной активности контрольных участков, где пожары и возгорания отсутствовали. Данные наблюдения подтверждаются исследованиями, проведенными иностранными учёными в разных географических зонах мира (Lucreciaetal., 2018; Fonsecaetal., 2017; Erkovanetal., 2018).

Заключение

экологический почва пожар фермент

Снижение ферментативной активности свидетельствует об уменьшении интенсивности метаболитических процессов у почвенных микроорганизмов, а значит , и замедляет процесс восстановления почвы.

По результатам исследования было установлено, что пожары в лияют на ферментативную активность почвы на участках, подвергшихся возгоранию: снижение активности ферментов четко прослеживается на следующий год после пожара в слое 0-10 см и составляет в среднем 34% в Волго-Ахтубинской пойме Волгоградской области и 14% в Задонском районе Липецкой области, что связано со сгоранием гумуса и, как следствие, отсутствием субстрата для жизнедеятельности микроорганизмов, а также с возможной денатурацией самих белковых молекул ферментов. Спустя два года после пирогенного воздействия мы наблюдаем увеличение ферментативной активности в среднем на 94.35% в Волго-Ахтубинской пойме и на 7.53% в Задонском районе по сравнению с предыдущим годом на данных территориях (Бондарев, Морозова, 2017; Горбунова и др., 2012).

По степени обогащенности ферментами, согласно классификации Д.Г. Звягинцева (2005), почва на участках территории Волго-Ахтубинской поймы, подвергшихся возгоранию и пожару , оценивается для фермента инвертаза как богатая (50-150 мг глюкозы на 1 г за 24 ч) и очень богатая (св. 150 мг глюкозы на 1 г за 24 ч), для фермента каталаза - как бедная (1-3 О2 см3/г за 1 мин) и средней степени обогащенности (3-10 О2см3/г за 1 мин), для фермента уреаза - как очень бедная (менее 3 мг NH4 на 1 г за 4 ч), что также замедляет процессы восстановления. Для рекультивации таких почв рекомендуются жидкие мелиоранты с содержанием азотистых оснований.

На территории Задонского района Липецкой области почва, подвергшаяся возгоранию и пожару, по степени обогащенности ферментами инвертаза и каталаза оценивается как средняя (соответственно, 15-50 мг глюкозы на 1 г за 24 ч и 3-10 О2см3/г за 1 мин), ферментом уреаза - как очень бедная (менее 3 мг NH4 на 1 г за 4 ч), что замедляет процессы восстановления. Для данной области при рекультивации почвы рекомендуются жидкие мелиоранты с содержащие в равной степени азотистые основания и органические углеводороды.