Научный журнал
Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований

ISSN 1996-3955
ИФ РИНЦ = 0,686

ИЗУЧЕНИЕ ПОЧВЕННО-БИОТИЧЕСКОГО КОМПОНЕНТА ГЕОСИСТЕМ – ВКЛАД В ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНУЮ ГЕГРАФИЮ

Напрасникова Е.В. 1
1 Институт географии им. В.Б. Сочавы СО РАН
В статье приведен анализ и итоги многолетних исследований структуры, динамики и функциональных особенностей микробиоты почв в условиях Сибири. Эколого-географический подход в работе на разных стационарах Института позволил выявить состояние почвенно-биотических ресурсов естественных и антропогенно-измененных геосистем на локальном и региональном уровнях, что считается существенным вкладом в экспериментальную географию.
Сибирь
геосистемы
микробиота
почва
биологическая активность
эксперимент
1. Аристовская Т.В. Экспресс-метод определения биологической активности почв // Почвоведение, 1989. – №11. – С. 142–147.
2. Аристовская Т.В. Численность, биомасса и продуктивность почвенных бактерий // Ресурсы биосферы (Итоги советских исследований по международной биологической программе). – Л.: Наука, 1975. – С. 241-259.
3. Баранов Ю.Б., Берлянт А.М., Кошкарев А.В. Толковый словарь по геоинформатике. – 1997. Издание на CD-ROM. ГИС-обозрение, 1998.
4. ГОСТ 17.4.02. – 84. Охрана природы. Почвы. Общие требования к отбору проб. – М.: Изд-во стандартов, 1984. – С. 4.
5. Звягинцев Д.Г. Методы почвенной микробиологии и биохимии. – М.: МГУ, 1991. – 303 с.
6. Напрасникова Е.В. Изучение экологического состояния городских почв (на примере Иркутска) // География и природ. ресурсы. – 2003. – №3. – С.57-60.
7. Напрасникова Е.В. Биодиагностика почв антропогенных геосистем // География и природ. ресурсы. – 2004. – №1. – С.55-59.
8. Никитина З.И. Микробиологический мониторинг наземных экосистем. – Новосибирск: Наука,1991. – 218 с.
9. Сочава В.Б. Введение в учение о геосистемах. – Новосибирск: Наука, 2004. – 318 с.
10. Хазиев Ф.Х. Методы почвенной энзимологии. – М.: Наука, 2005. – 252 с.

Важным фактором организации геосистем, согласно взглядам известного ученого В.Б. Сочавы, являются саморегуляция и определяемое ею стабилизирующее начало. Биота в учении о геосистемах [9] рассматривается именно как стабилизирующее начало. Данное положение относится и к почвенной микробиоте, как неотъемлемому и незаменимому компоненту любой геосистемы. Более того, микробиоту можно отнести к критическому компоненту ввиду того, что она обеспечивает метаболизм вещества и энергии, являясь ее самой реактивной частью с высокой физиологической активностью и разнообразием биохимических функций.

В настоящее время не вызывает сомнений тот факт, что деятельность микробиоты, определяемая географическими и экологическими факторами, обуславливает все функции самой почвы. Выше сказанное подчеркивает актуальность проводимых исследований.

Цель экспериментальной работы заключалась в выявлении структуры и функциональных особенностей почвенной микробиоты природных и антропогенно-измененных геосистем Сибири.

Материалы и методы исследования

Объектами детального исследования явилась почвенная микробиота, как биоиндикатор состояния различных геосистем Сибири. Работы проводились на географических стационарах, расположенных в таежных и степных условиях: Нижне-Иртышский (Западная Сибирь), Ленский (Западный Саян), Ново-Николаевский и Назаровский, Березовский (Красноярский край), Харанорский (Юго-Восточное Забайкалье). Следует подчеркнуть, что экспериментальные полигоны-трансекты, где проводились исследования, представляют репрезентативные участки исследуемой территории или модельные участки геосистемы. Южные районы Иркутской области изучались в рамках длительных маршрутов.

Отбор почвенных образцов для анализов осуществлялся с площадок размером 25м2 с глубины 0-10 см в соответствии указаний ГОСТ [4]. Из 10-15 отдельных проб готовился смешанный образец. Определение численности, биомассы микроорганизмов и определение ферментативной активности почв проводилось согласно методикам [5,10]. При идентификации различных таксономических групп использовали определители бактерий, актиномицетов, микроскопических грибов. Биологическая активность почв для картографического обеспечения выполнена экспресс-методом [1].

В настоящей работе применен метод геоинформационного картографирования. На основании полученных данных, по точечным измерениям в геоинформационной среде методом IDW Nearest Neighbors (метод ближайшего соседа) были построены изолинейные карты [3].

Результаты исследования и их обсуждение

Исследования структуры, динамики и функциональные особенности микробиоты почв на стационарах Института географии СО РАН выгодно отличались от аналогичных в других учреждениях. Во-первых, они являлись частью комплексных работ, во-вторых – носили эколого-географическую направленность, в третьих – метод комплексной ординации [9] позволил выявить особенности пространственной структуры микробоценозов различных геосистем Сибири. Кроме этого, были проведены детальные проработки по динамике численности, биомассе и продуктивности ее основных групп. Изучение функциональной роли микробиоты почв началось на примере Юго-Восточного Забайкалья (Харанорский стационар) и в пределах южных районов Иркутской области в начале 60-х годов прошлого столетия. Кроме количественного и качественного изучения микробных ассоциаций, используя «метод ферментативных реакций» была впервые показана закономерность проявления интенсивности и направленности биохимических процессов малоизученных (на тот момент) почв Сибири.

Исследованиями установлены факты увеличения активности большинства ферментов при движении от горно-таежных почв севера на юг к почвам степей Забайкалья. Это ни что иное, как подтверждение подчинения изучаемых процессов действию закона зональности. Данные исследования совпали с моментом в изучении почв, когда биохимический подход привлек внимание отечественных и зарубежных ученых.

Следует остановиться на ранних работах. Так, в 70-е годы, когда расширилась сеть стационаров Института, была продолжена работа по изучению особенностей микробиоты Сибири и ее роли в почвенных процессах, а главное в пространственно-функциональной организации геосистем. Перед сотрудниками стояли вполне конкретные и трудоемкие задачи по оценки уровня численности, размеров биомассы в режиме временных наблюдений (внутрисуточных, ежедневных, сезонных), биологического разнообразия. Значимость работ усилилась в связи с участием в Международной биологической программе (МБП). Особенно актуальным был вопрос продуктивности микроорганизмов в различных почвах разных географических зон.

Исследования показали, что наибольшие колебания численности микроорганизмов в пойменных геосистемах. В меньшей степени они отмечаются в таежных, а в относительно более стабильных степных – динамика изменения общей численности микроорганизмов выражалась сравнительно слабо. Во всех изучаемых геосистемах численность при ежедневных и сезонных наблюдениях имела сходство, выраженное в периодичности: за подъемом численности следовал ее спад. Суммарный баланс в целом за вегетационный сезон находился в пределах средней многолетней нормы.

Микробная масса, ее размеры, структура, биохимические свойства и закономерности развития – функции взаимосвязи растительных, физико-химических и гидротермических процессов. Было показано, что в южнотаежном Прииртышье в биологически активном слое почвы микробомасса колеблется в разные годы от 0,9 до 6,0 т/га. Несколько меньшие размеры зарегистрированы (на примере черноземных и бурых лесных) в районе низкогорного рельефа предгорий Западного Саяна от 0,5 до 1,8 т/га. Важно отметить, что на примере почв ландшафтно-экологического ряда Западного Саяна по результатам прямого подсчета под микроскопом было показано преобладание биомассы грибов над биомассой бактерий. Это явилось существенным коррективом о состоянии в почвах основного деструктора органических веществ. Специальные опыты выявили факт, что в условиях Сибири количество мертвых бактерий не превышает 8% . В степных почвах Юго-Восточного Забайкалья уровень биомассы составлял 0,3- 0,5 т/га, но при благоприятном водном режиме эти значения возрастали в 3-6 раз. Почвы степных экосистем Красноярского края характеризовались более стабильным уровнем биомассы и имели значения 0,3-1,1 т/га. В черноземных и серых лесных почвах размеры микробомассы в разные годы изменялись от 0,9 до 3,6 т/га.

Скорость размножения микроорганизмов в почве очень не постоянна и зависит от множества факторов среды. Так, например, число генераций бактерий за год колебалось в пойменных геосистемах от 7 до 35, таежных – от 4 до 17, степных – от 2 до 9.

Следует отметить, что результаты работ Института географии СО РАН, которые не потеряли своей ценности и в настоящее время, вошли в итоги исследований на национальном и на международном уровне. Они отражены в научных статьях авторитетных журналов, специальных сборниках. Особенно ярко было представлено в одной из итоговых международных серий «Ресурсы биосферы» [2].

Наблюдения за состоянием почвенной микробиоты в естественных геосистемах Сибири послужили основой для выявления ее изменчивости в почвах зоны промышленного освоения и урбанизации. Иными словами начался второй этап исследований.

В отличие от других «классических» сибирских географических стационаров, исследования на Назаровском и Березовском стационарах проводились на коротких сопряженных рядах топогеосистем или фациях-дублях, т.е., на удаленных друг от друга небольших участках. На основании этих материалов представилась возможность определить интенсивность и направленность процессов естественного самоочищения почв. Были заложены основы для развития идей и принципов структурно-функционального анализа разнообразных свойств почв и экологических функций.

Кроме режимных наблюдений проводилась большая работа методического характера по изучению отклика интродуцированных микробных популяций и инициированных микробных сообществ. Такие способы контроля были рекомендованы в качестве индикационных для оценки состояния изучаемых почв в зонах умеренного и сильного техногенного воздействия. Многолетние исследования коллектива в рассмотренных выше аспектах получили обобщение в монографии З.И. Никитиной [8].

В настоящее время, когда усиливается влияние не только техногенеза, но и урбанизации, стали актуальными вопросы состояния почвенного покрова городской среды. В экосистемах города разнообразие почв варьируют от естественных зональных до типичных урбаноземов. На примере индустриальных городов Восточной Сибири показано, что рН городских почв значительно смещается в щелочную сторону. Изучен щелочно-кислотный тренд биологической активности от величины рН почв, который можно считать результатом антропогенно-спровоцированных процессов [6, 7].

Биохимический потенциал почв, как индикатор их современного экологического состояния заслуживает особого внимания. Он является полифункциональной характеристикой почв, находящейся в прямой зависимости от экологических факторов и считаются информативными не только с общих экологических позиций, но и санитарных.

Впервые представлена оригинальная карта-схема (рисунок), как информационное обеспечение при современной оценке состояния городской среды.

nap1.tif

Изолинейные карты: а – значения pH, б – значения биологической активности почв г. Иркутска

Примечание. Автор благодарит к.г.н. Истомину Е.А. за помощь в составлении изолинейной карты.

Выявлено, что наиболее благоприятное течение процессов самоочищения почвы протекает в зонах с нейтральными и слабощелочными значениями рН.

Если учесть большую сложность самого объекта изучения и методическую трудоемкость исполнения, можно оценить многолетнюю работу всех ее участников, как значительный вклад в развитие экспериментальной географии.

Заключение

Таким образом, в результате многолетних экспериментальных исследований определены структурно-динамические характеристики микробоценозов, выявлена направленность сложных почвенно-биохимических процессов в условиях Сибири. Показаны возможности контроля функционирования и изменчивости микробиоты, как тонкого индикатора условий среды в режиме мониторинга. Иными словами, определены почвенно-биотические ресурсы изучаемых геосистем и их функциональные особенности в пространственно-временном аспекте. Все это является восполнением недостаточной изученности территории в данном направлении. Использование индикационных методов и выбор интегральных показателей позволил выявить ряд экологических функций почв. Это в свою очередь повышает информативность результатов выполняемых исследований не только в диагностическом плане, но и прогностическом, столь важных в период обострения экологических проблем. Располагая базой данных биогенных свойств почв, выполнено картографическое обеспечение на примере индустриального города.

Эколого-географический подход открыл новые возможности по выявлению как региональных, так и локальных, почвенно-биотических ресурсов естественных и антропогенно-измененных геосистем Сибири. Следовательно, опыт разностороннего изучения микробиоты почв и ее функциональной роли в рамках как теоретических, так и прикладных задач, можно признать значимым.

Работа выполнена в рамках проекта гранта РФФИ № 14-05-00183.


Библиографическая ссылка

Напрасникова Е.В. ИЗУЧЕНИЕ ПОЧВЕННО-БИОТИЧЕСКОГО КОМПОНЕНТА ГЕОСИСТЕМ – ВКЛАД В ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНУЮ ГЕГРАФИЮ // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2014. – № 5-2. – С. 121-124;
URL: http://applied-research.ru/ru/article/view?id=5351 (дата обращения: 25.08.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.252