Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 6
1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР 13
Состояние изученности микрофлоры почв Краснодарского края 13
1.1. Эколого-агрохимическая характеристика почв степной, рисовой и горной экосистем Краснодарского края
1.2. Характеристика агроландшафтов Краснодарского края степной, рисовой и горной зон
1.3. Микрофлора почв, ее особенности и биохимические показатели в агрономических и природных ландшафтах
1.4. Основы системно-экологического анализа микробиологической и биохимической активности почв для микробиологической диагностики, биологической индикации и оценки устойчивости почв к деградации в результате интенсивного антропогенного воздействия
2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 94
2.1. Почвенно-экологические и климатические условия постановки и 94 проведения исследований
2.2. Объекты исследований 98
2.3. Отбор и подготовка почвенных образцов для микробиологического и ферментативного анализов
2.4 Количественный учет микроорганизмов 99
2.5. Выделение и изучение физиолого-экологических групп микроорганизмов
2.6. Выделение ризосферной и корневой микрофлоры растений 104
2.7. Выделение чистых культур микроорганизмов и их идентификация 104
2.8. Определение биологической активности почвы 106
2.9. Определение ферментативной активносхи почвы 1
2.10. Методы изучения микробных сукцессии в почве 110
2.11. Определение показателей степени минерализации органических веществ в почве
2.12. Определение дифференцированных показателей, характеризующих пространственную структуру микробного сообщества
2.13. Изучение роли микробиологического фактора в токсичности окультуренной почвы
2.14. Методы исследования микробной деструкции нефти и смазочных добавок для бурения
2.15 Определение эффективности использования биосорбента 114
2.16. Определение агрохимических характеристик почвы, тяжелых металлов и пестицидов
2.17. Статистические методы исследований 116
3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ 119
3.1. Микрофлора почв и ее распределение в экосистемах степной, рисовой и горной зонах Краснодарского края
3.1.1. Биотические сообщества в почвах степной, рисовой и горной зонах Краснодарского края
3.1.1.1. Математический анализ зависимости микробиологических показателей почв степной, рисовой и горной экосистем
3.1.2. Количественный и качественный состав микрофлоры почв степной, рисовой и горной зон Краснодарского края
3.1.3. Микрофлора окультуренных почвенных профилей степной, рисовой и горной зон Краснодарского края
3.1.3.1. Математический анализ вертикально-ярусного распределения микроорганизмов в почвенных профилях степной, рисовой и горной зон Краснодарского края
3.1.3.2. Оценка различий между окультуренными профилями разных типов почв
3.1.4. Эколого-агрохимическая и микробиологическая оценка почв северных районов Краснодарского края (степной и рисовой зон)
3.1.4.1. Оценка различий между почвами северных районов степной и рисовой зон Краснодарского края
3.1.4.2. Математическое моделирование описания механизмов функционирования почвенных микробных комплексов и прогноза качества выращиваемого зерна
3.1.5. Изменение состава почвенных микромицетов при интенсивном антропогенном воздействии в северных районах Краснодарского края
3.1.6. Комплексная экологическая оценка состояния окультуренных почв разных типов использования степной, рисовой и горной зон Краснодарского края
3.1.6.1. Математический анализ изменчивости микробиологических и агрохимических показателей почв в различных агроценозах и природных экосистемах степной, горной и рисовой зон Краснодарского края
3.2. Биохимическая и микробиологическая активность почв природных и окультуренных экосистем
3.2.1. Ферментативная активность почв в естественных системах и агроэкосистемах
3.2.2. Влияние бессменного способа возделывания сельскохозяйственных культур на состав и активность микробных сообществ черноземов Краснодарского края
3.2.3. Изучение почвенной микрофлоры бессменного пара и севооборота
3.2.4. Взаимоотношения между сельскохозяйственными культурами в совместном и чистом посевах и микробным комплексом почвы
3.3. Действие антропогенных факторов на микрофлору черноземов Краснодарского края
3.3.1. Роль микробиологического фактора в токсичности окультуренной почвы
3.3.2. Экологическая оценка влияния сжигания стерни на микрофлору и агрохимические показатели почвы
3.3.3. Влияние сжигания стерневых остатков на вертикально-ярусное распределение микроорганизмов и экологические показатели почвы
3.3.4. Загрязнение почв нефтью и нефтепродуктами и возможности ее восстановления
ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ 273
ВЫВОДЫ 277
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 280
ПРИЛОЖЕНИЯ 3
Введение к работе
Современный этап развития общества характеризуется интенсивным вмешательством человека в природные процессы, что приводит к нарушению естественного функционирования экосистем.
Измененные хозяйственной деятельностью человека экосистемы возможно рассматривать как производные варианты или модификации естественных ландшафтов. При антропогенном воздействии в первую очередь изменяется структура растительного покрова, в которой могут произойти деградация и смена коренного ценоза, чаще неустойчивыми, но иногда и устойчивыми производными.
При антропогенном воздействии экосистема, однажды изменившись, не может сохраняться в одном и том же производном состоянии, так как природные процессы в производных модификациях имеют ту же динамическую сущность, что и в коренных структурах, заключающуюся в закономерной смене переменных состояний во времени. Смену антропогенных модификаций можно трактовать как трансформацию структуры, которая регламентируется степенью антропогенной нагрузки.
Оценивать антропогенное воздействие на экосистемы возможно на основании многих показателей, в том числе и по реакции на воздействия микроорганизмов. По современным представлениям почва — это биологическая и биохимическая система, одним из главных компонентов которой является почвенная микрофлора (Звягинцев Д.Г., 1986). Микроорганизмам принадлежит ведущая роль в разложении растительных остатков, синтезе и деструкции гумуса, формировании фитосанитарного состояния почвы, накоплении в ней биологически активных веществ, фиксации атмосферного азота.
Почвенные микроорганизмы являются неотъемлемой частью биогеоценозов, участвуют в глобальном круговороте веществ и энергии в биосфере, от развития и жизнедеятельности в значительной мере зависят плодородие почв, качество и продуктивность возделываемых растений. Жизнедеятельность микроорганизмов оказывает определяющее влияние на взаимодействие между растением и почвой, создание потенциального и эффективного плодородия почвы. В почве непрерывно происходят биологические процессы, изменяется количественный и качественный состав элементов питания растений в связи с разложением лиственного опада и отмирающих корневых систем. Для того, чтобы судить о скорости биологического круговорота химических элементов в такой системе, необходимы не только химические анализы почв, но и знание активности микробиологических процессов, определяющих динамику превращения органических веществ.
Е.Н. Мишустин (Мишустин Е.Ы., 1966) считает, что в микробонаселении разных типов почв важную роль играет географический фактор. По мере продвижения с севера на юг усиливается прогреваемость почвы, меняются ее типы, растительность, что отражается и на составе микрофлоры. В ценозах микроорганизмов южных почв усиливается роль спорообразующих бактерий и актиномицетов при увеличении общей численности микроорганизмов. Процессы минерализации органического вещества в данных почвах протекают активнее и глубже, чем в северных. На этом общем фоне проявляется влияние локально действующих экологических, имеющих место в природе, и антропогенных факторов.
Среди антропогенных воздействий - применение минеральных удобрений, пестицидов, способы обработки почвы и другие факторы. Идеальными биоиндикаторами изменений почвы являются почвенные микроорганизмы, что обусловлено их обилием, сложной структурой образуемых ими сообществ, ролью и значением в почвообразовательных процессах и высокой чувствительностью к различным повреждающим факторам.
Изучение изменения равновесного состояния в сообществах почвенных микроорганизмов под влиянием антропогенных нагрузок — актуальная проблема современности. Почва как компонент биосферы испытывает наибольшую нагрузку. Минеральные удобрения и пестициды, попадающие в почву во все возрастающих количествах, вызывают значительные изменения в комплексе почвенных микроорганизмов, которые часто имеют отрицатель-ный характер. Так, при длительном и нерациональном применении минеральных удобрений преимущественное развитие в почве получают микроорганизмы, обладающие высокой токсичностью (Мирчинк Т.Г., Гузев B.C., 1984). В этом плане важны разработка критериев и поиск тест-объектов, по которым можно было бы оценить степень воздействия антропогенных факторов.
Исследованиями установлено наличие ответной реакции почвенной мнкробиоты на антропогенные воздействия (Андреюк Е.И., 1980; Звягинцев Д.Г. и др., 1986; Зенова Г.М., Звягинцев Д.Г., 1998; Марфенина О.Е., Мирчинк Т.Г., 1988). Четко показана взаимосвязь дозы нагрузки и изменений в комплексе почвенных микроорганизмов. Однако до настоящего времени уровень наших знаний не позволяет проникнуть в суть проходящих изменений и оценить их экологическое значение. До сих пор остаются неясными направления этих изменений и определяющие их механизмы. Понимание данных происходящих изменений немыслимо без рассмотрения их с широкой экологической точки зрения. Такой подход позволил бы шире использовать информацию об изменениях в комплексе почвенных микроорганизмов для диагностики загрязненности почв и определить путь восстановления плодородия рекультивируемых земель.
Способность микроорганизмов чутко реагировать на изменение факторов внешней среды может быть использована для оценки влияния сельскохозяйственной деятельности человека на плодородие почвы. Изменение структуры микробных сообществ и почвенной биодинамики, в которой отражаются экологические условия в момент наблюдения, и состояние экосистемы в целом за весь период исследований, приобретает все большее значение в связи с интенсификацией сельского хозяйства. В этих условиях разрушение микробоценозов можно считать индикатором изменения структуры экосистемы в целом. Выявление степени допустимости антропогенного воздействия на экосистему возможно только путем сопоставления изменений ее компонентов под действием антропогенных нагрузок с изменениями, вызванными природными факторами.
В связи с вышеизложенным, при разработке научных основ агроланд-шафтного земледелия система мониторинга должна включать микробиологические параметры. Перспективность биодиапюстическнх методов при оценке состояния почвенного покрова показана в ряде работ ведущих специалистов в области почвенной биологии и почвоведения М.С. Гилярова (Гиляров М.С, 1965), Е.Н. Мишустина (Мишустин Е.Н.,1966), Локс Ори Л. (Локс Ори Л., 1977), В.Г. Добровольского (Добровольский В.Г., 1985, 1990), Ф.Х. Хазиева (Хазиев Ф.Х., 1976, 1982, 2005), А. Келлер (Келлер А., 1982), Ю.Г. Гельцера (Гельцер Ю.Г., 1986), Л.О. Карпачевского (Карпачевский Л.О.,1972, 1987), И.П. Бабьевой (Бабьева И.П., 1989), Д.Г. Звягинцева (Звягинцев Д.Г., 1992, 1994, 1999), B.C. Гузева и СВ. Левина (Гузев B.C., Левин СВ., 1991), М.В. Горленко и П.А. Кожевина (Горленко М.В., Кожевин П.А., 1994), Е.В. Благодатской и др. (Благодатская Е.В., Ананьева Н.Д., Мякишна Т.Н., 1995), О.С. Оленевой и др. (Оленева О.С, Кожевин П.А., Звягинцев Д.Г., 1995), Ю.А. Пых и И.Г. Малкиной-Пых (Пых Ю.А., Малкина-Пых И.Г., 1996), Е.И. Андреюк и Г.А. Путинской (Андреюк Е.И., Путинская Г.А., 1997), И.А. Матаруевой (Матаруева И.А., 1998), A.M. Полянского (Полянский A.M., 2002), Л.Алехиной и др. (Алехина Л., Головченко А.В., Початкова Т.Н. и др., 2002), А.В. Головченко и др. (Головченко А.В., Тихонова ЕЛО., Звягинцев Д.Г., 2007) и других.
Тем не менее, биологические методы оценки состояния почв по сравнению с традиционными (химическими, физическими и др.) используются все еще незначительно, особенно в практическом почвоведении и экологии. В то же время оценка водных сред с помощью биоиндикации в настоящее время уже заняла твердые позиции в деятельности природоохранных и санитарно-эпидемиологических служб в нашей стране и за рубежом. Практика показывает, что применение методов биологической диагностики особенно актуально, когда требуется интегральная оценка состояния почвы.
Так, в ряде случаев при обследовании почв практически невозможно заранее определить, какой набор деструктивных факторов в той или иной мере влияет на их состояние.
Состав микрофлоры и состояние биологической активности почв Краснодарского края в литературе освещено очень слабо. В данной работе сделана попытка восполнить этот пробел. Обобщены результаты многолетних микробиологических и биохимических исследований почв Краснодарского края, черноземов Ленинградского района Краснодарского края, где проведены комплексные мониторинговые исследования.
Цель настоящего исследования — изучение закономерностей изменения микрофлоры почв экосистем Краснодарского края в условиях интенсивного антропогенного воздействия.
В соответствии с поставленной целью настоящего исследования были определены следующие задачи:
- изучить структуру и функционирование сообществ микроорганизмов пахотных горизонтов и профилей почв Краснодарского края;
- провести сравнительный анализ микрофлоры профилей различных подтипов черноземов агроэкосистем;
— провести классификацию районов Краснодарского края по комплексу микробиологических и агрохимических показателей их почв;
- разработать математическую модель для описания механизмов функционирования почвенных микробных комплексов и прогноза показателей качества выращиваемого зерна;
- сопоставить микробные комплексы почв антропогенных экосистем с таковыми природных биотопов, выявить закономерные изменения в ходе сукцессии и разработать показатели комплексной оценки для диагностики их состояния; — сравнить биологическую активность чернозема выщелоченного, типичного и обыкновенного в природных и агроэкосистемах с учетом способов возделывания сельскохозяйственных культур и степени окультуренности почв;
— охарактеризовать количественный и качественный состав микробных комплексов почвы и ризосферы в совместных и чистых посевах сои и сорго;
— выяснить роль микробиологического фактора в токсичности окультуренной почвы и предложить рекомендации по ее снижению;
— оценить степень нарушения состава микрофлоры и агрохимических характеристик почвы, подвергающейся ежегодному сжиганию стерневых остатков и сорной растительности;
- экспериментально отобрать экологически безопасные, биодеграда бельные добавки к буровым растворам, а также создать комбинированный биосорбент из вторичного растительного сырья и разработать на его основе способ восстановления почв, подвергшихся нефтезагрязнениям.
В работе обосновывается гипотеза о возможности оценки состояния экосистемы и глубины ее антропогенного повреждения по составу и численности почвенных микроорганизмов, а также возможности направленного восстановления плодородия почвы путем регулирования микробиологических процессов ферментативными и агроэкологическими воздействиями, изменяющими состав и динамику развития почвенных микроорганизмов.
Впервые предложена и обоснована гипотеза об обратимости микробиологических процессов повреждения почвенных микробных комплексов по видовому разнообразию и количеству беспигментных форм микромице-тов.
Научная концепция работы заключается в теоретическом и экспериментальном обосновании использования комплекса микробиологических показателей почв для оценки состояния и уровня поврежденности экосистем Краснодарского края. Выполненное исследование позволит обоснованно осуществлять охрану почв и обеспечит экономический эффект, позволяя своевременно готовить текущие и долгосрочные рекомендации и методы проведения мелиоративных и других мероприятий, направленных на улучшение плодородия почвы, при сокращении потребности в средствах химизации.
Сохранение и обеспечение свойств почв, определяющих их высокое, устойчивое и качественное плодородие, позволит существенно ослабить разрушение и загрязнение сопряженным компонентам биосферы, а также позволит более точно учитывать особенности агроландшафтов Краснодарского края и тем самым избежать непоправимых ошибок в условиях интенсивного земледелия.
