Scientific journal
International Journal of Applied and fundamental research
ISSN 1996-3955
ИФ РИНЦ = 0,593

THE STUDY OF THE SOIL-BIOTIC COMPONENT OF GEOSYSTEMS –CONTRIBUTION TO THE EXPERIMENTAL GEOGRAPHY

Naprasnikova E.V. 1
1 Institute of Geography named after V.B. Sochava SB RAS
1242 KB
The paper presents an analysis and results of the long-term research of the structure, dynamics and functional characteristics of the soil microbiota in Siberia. An ecological-geographical approach to the work at different stations of the Institute made it possible to reveal the state of soil-biotic resources of natural and anthropogenically modified geosystems at the local and regional levels, which is considered a significant contribution to the experimental geography.
Siberia
geosystems
microbiota
soils
biological activity
experiment

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.