Введение к работе
Актуальность проблемы. В настоящее время не вызывает сомнения начимость биологических факторов в динамике почвенных процессов. Гем не менее, биологические методы характеристики почв по сравнению : традиционными (химическими, физическими и др.) используются незна-іительно, что связано с отсутствием методов экспрессного определения іиологической активности, пригодных для полевых и лабораторных 'словий и не требующих от исследователя большой специальной подго-овки. Современные приемы биодиагностики почв многочисленны и тзнообразны, однако, интерпретация полученных данных трудоемка1 и в іяде случаев более приемлема для теоретических целей, чем для практи-іеских.
Диагностика почв по особенностям строения почвенного профиля, іинералогическом составу, их физическим и химическим свойствам ха-іактеризует, как правило, относительно консервативные, накопившиеся іризнаки и свойства почвы. Характерные для разных почв комплексы іеспозвоночньїх, состав микрофлоры и продукты ее жизнедеятельности шкробные метаболиты отражают динамичные свойства среды обитания і представляют индикаторы современных процессов почвообразования, вляясь вполне объективными синтетическими показателями современ-юго режима жизни почв. Живые организмы и их метаболиты в ряде слу-іаев могут быть более чуткими показателями по сравнению с данными ;имических и физических анализов почвенного образца и позволяют іроводить раннюю диагностику любых негативных и позитивных изме-іений окружающей среды. Очевидно, необходимо параллельно прово-[ить физические, химические и биологические анализы, определяя дина-шку проявления тех или иных свойств почвы, что особенно важно при ірогнозировании изменений окружающей среды под воздействием при-юдных и антропогенных факторов.
Методы биологических исследований привлекаются для решения вопросов общего и прикладного почвоведения в тех случаях, когда классические подходы в изучении почв - морфологические, химические, физические - не дают ответа на вопрос о возможной реакции экосистемы на те или иные воздействия, либо не показывают достоверных различий сравниваемых почв и протекающих в них процессов, или применение их затруднено и нерентабельно (Гельцер, 1986; Константинов, 1986). Особенно убедительно их применение, когда требуется интегральная оценка качества среды. Для решения этих задач при всей важности различных подходов, включая физические, химические и др., приоритетной представляется именно биологическая оценка. Количество факторов, воздействующих на среду, может быть бесконечно большим, учитывая еще и кумулятивный эффект этого воздействия. В таком случае полевая или лабораторная оценка всего многообразия сочетаний различных воздействий становится практически невозможной. В этой ситуации получение интегральной информации о качестве среды достижимо посредством оценки состояния живых существ (биотестирования).
Комплекс применяемых биоиндикаторов (содержание нингидрин-положительных веществ, целлюлазная и протеазная активность, дыхание почвы, водоросли и животное население) - объективный показатель биологической активности почв. Одними из экологически чувствительных организмов, но недостаточно изученными для почвенно-инди-кационных целей являются раковинные амебы (Protozoa, Testacida) и инфузории (Colpoda). Исследование раковинных амеб, водорослей и инфузорий как индикатора почвенных условий основывается на избирательности некоторых видов и изменении структуры их населения в зависимости от внешней среды (Гиляров, 1955, 1965; Корганова, 1979; Гельцер, 1989; Штина, 1990). Работа с комплексом указанных биоиндикаторов наиболее успешна при применении метода микрокосмов, предполагающего единовременный анализ широкого набора почвенных показателей при благоприятных для почвенной биоты константных значениях темпе-
емпературы и влажности.
Оценка состояния обитающих в почве организмов, их биоразнооб-азия может служить решению ряда задач природоохранной практики: ыделение зон экологического неблагополучия, расчет ущерба, нанесеного биогеоценозу деятельностью человека, определение временной ггойчивости "резистентности" экосистемы к воздействию тех или пых антропогенных факторов.
Цель работы: выяснить возможность применения комплекса био-эгических показателей для целей биологической диагностики состояния глинных и антропогенно-измененных почв и почвенных процессов.
Задачи исследования: разработать новые и усовершенствовать су-ествующие методы изучения общей биологической активности (содер-ание нингидринположительных веществ, протеазная и целлюлазная ак-шность, содержание С02 в почвенном воздухе); частной биологической :тивности почв и почвенных растворов (почвенные простейшие - ракетные амебы, инфузории, водоросли); определить биодиагностическую ачимость каждого из методов для оценки состояния антропогенно-мененных почв; определить общую биологическую активность и ак-вность почвенных простейших - раковинных амеб в ряду дерново-ідзолистьіх почв разной степени заболоченности и окультуренности, в не действия металлургических комбинатов и в пределах городских тер-іторий; выявить коррелятивные связи между рассматриваемыми биотическими показателями, физическими и химическими свойствами чв, а также изменение этих показателей в пространственной и времен-й динамике; с помощью модельных опытов уточнить влияние различ-й степени увлажнения, загрязнения тяжелыми металлами и кислотны-[ осадками на общую биологическую активность и состояние фауны ковинных амеб, инфузорий и водорослей, при этом проанализировать учаи раздельного и совместного воздействия изучаемых факторов на ологичсскую активность почв и почвенный раствор; рассмотреть поч-
почвенный раствор как среду обитания "почвенных гидробионтов" (почвенных простейших и водорослей) с использованием их *в качестве биоиндикаторов состояния почв опосредованно через почвенный раствор; выявить возможность практического применения биологических методов для целей диагностики свойств почв, подверженных различным формам антропогенной деградации.
Место проведения работы. Изложены результаты многолетних исследований биологической активности почв, проведенных автором в целинных и окультуренных дерново-подзолистых почвах Московской области: на Рузском мелиоративном почвенно-гидрологическом стационаре Мосгипроводхоза (Рузский район), на агробиологической станции Московского университета в Чашниково (Солнечногорский район); целинные лесные почвы автором изучались на Малинской экологической станции ИЭМЭЖ имени А.Н. Северцева АН СССР. Лабораторные опыты по изучению биологической активности в почвах разной степени заболоченности, загрязненности тяжелыми металлами и кислотными осадками, а также разработке новых методов исследования в области микрокосмов и почвенного раствора были проведены на кафедре географии почв. Работы проводились под руководством академика Г.В. Добровольского, профессора Ю.Г. Гельцера.
Полевые наблюдения почв, загрязненных тяжелыми металлами и кислотными осадками, были выполнены автором в составе комплексной экспедиции кафедр химии, географии, биологии почв факультета почвоведения МГУ под руководством профессора Н.Г. Зырина. Исследования проводили на территориях, прилегающих к предприятиям цветной металлургии: на Среднем Урале (г. Ревда), в Закарпатье (г. Хуст), в Киргизии (пос. Хайдаркен), в Сибири (г. Норильск). Городские почвы г. Москвы автор изучал в составе экспедиции кафедры географии почв (руководитель экспедиции доц. М.Н. Строганова). Полевые исследования почв речных пойм выполнены в составе экспедиций той же кафедры по изучению почв речных долин (руководители - академик Г.В. Добро-
Вольский, профессор П.Н. Балабко). Всем вышепоименованным коллегам автор приносит искреннюю благодарность. Особую признательность за постоянную поддержку и помощь в работе автор выражает академику Г.В. Добровольскому, профессору Ю.Г. Гельцеру, профессору С.А. Шо-бе.
Автор благодарен так же коллегам, оказавшим большую помощь в выполнении научно - исследовательской работы: Г.А. Коргановой, А.А. Боброву, Д.А. Алексееву, Г.М. Зеновой, СМ. Решетникову, И.С. Макаровой, Л.О. Егоровой, С.А. Грачевой, Е.Н. Горяченковой, М.Е. Борисовой, Е.Г. Селиверстовой, Н.Н. Ивановой, а также всему коллективу кафедры географии почв факультета почвоведения МГУ имени М.В. Ломоносова.
Защищаемые положения. Разрабатывается научная концепция приоритетности показателей биологической активности почв и почвенных растворов для комплексной (интегральной) оценки экологического состояния почв.
-
Биологическая активность почв, подвергшихся антропогенному воздействию, существенно отличается от таковой на ненарушенных фоновых территориях. Автором установлено, что методы биотестирования почв позволяют зафиксировать негативное воздействие стрессирующих факторов на почвенные биосистемы с большей надежностью и раньше, чем многие традиционные методы анализа состояния почв. При этом они не исключают необходимость применения других аналитических подходов, в частности, химических, физических и пр., для оценки и углубленного изучения влияющих на почвенный покров факторов.
-
В зависимости от длительности и глубины внешних воздействий реакция почвенной биосистемы может рассматриваться в 2-х аспектах: j) к 1-му относятся изменения, характеризующиеся относительно быст-эым ее возвратом в исходное состояние -"функциональные изменения";
5) ко 2-му - глубинными, необратимыми преобразованиями почвенных
зованиями почвенных свойств и почвенной биоты, возникающими при постоянном (хроническом) воздействии на почвенный покров -"структурные изменения".
-
Автором обнаружены как функциональные, так и структурные изменения фауны простейших раковинных амеб в зависимости от степени заболоченности, окультуренности, уплотнения, физической турбации и загрязнения почв; определены наиболее ценные в биодиагностическом отношении генетические горизонты почв; выделены также группы простейших, динамично реагирующих на указанные воздействия, на основании чего разработаны количественные критерии, отражающие соответствующие изменения в состоянии почв.
-
Найден оригинальный способ комплексной диагностики физического, химического и биологического состояния почв с помощью почвенных микрокосмов. Этот метод позволяет проводить как суммарное, так и раздельное определение действия на почвенную биоту группы стрессирующих факторов.
-
Автором предложен специальный метод биодиагностики почвенного раствора с использованием в качестве биоиндикатора "почвенных гидробионтов" (инфузории, водоросли), позволяющий, в конечном счете, непосредственно для целей биодиагностики почв применять отдельные широко известные в гидробиологии методы биодиагностики водных сред.
Научная новизна. Развивается концепция биологической диагностики состояния почв на основании комплексного изучения их биологической активности на фоне физических и химических свойств.
Под биологической диагностикой почв мы понимаем, с одной сто роны, биоиндикацию свойственных почве признаков, т. е. - распознан» состояния почвы по ее биологическим свойствам, с другой стороны прогнозирование динамично развивающихся в ней процессов с опреде лением, как долевого, так и суммарного эффекта воздействия на почвен
ную экосистему факторов естественного и антропогенного происхождения. Такое определение биологической диагностики почв вполне согла-:уется с традиционно принятым в биологии и медицине, где оно изначально зародилось, и раскрывает широкие методические возможности іля решения проблем в области теоретического и практического почво-зедения, и экологии почв.
Из всего многообразия методов диагностики состояния почв при-эритет отдается биологическим подходам. Основанием служит то, что лироко известные химические и физические характеристики почв при зсей их надежности и легкости выявления не дают непосредственного угвета относительно возможной реакции почвенной экосистемы на то їли иное внешнее воздействие. Эта точка зрения нашла подтверждение в іаших исследованиях при оценке эффекта суммарного воздействия на гочвенную экосистему нескольких одновременно действующих антропо-енных факторов: загрязнения почв тяжелыми металлами, кислотными >садками, переуплотнения, турбации почвенного покрова. Каждый из тих факторов может быть оценен с помощью физических и химических іетодов, тем не менее на основании этого невозможно дать определений ответ - как поведет себя почвенная экосистема в целом при их инди-идуальном и одновременном влиянии. Необходимо отметить, что в естественных условиях совместный (одновременный) тип влияния антро-югенных факторов на почвенный покров становится преобладающим, оответственно биологическая активность почв служит незаменимым [нтегральным показателем этого воздействия.
С целью комплексной диагностики биологического, химического, шзического состояния почв предложен оригинальный метод почвенных шкрокосмов. С применением этого метода стала возможной оценка оздействия стрессирующих факторов на почвенный покров при их ин-ивидуальном и совместном действии, что позволяет вести диагностиче-кий и прогностический мониторинг за состоянием почвенного покрова, рименительно к конкретным типам антропогенного влияния.
Почвенный раствор изучался как среда обитания отдельных почвенных простейших и водорослей. Разработан метод биологической диагностики почвенного раствора. В качестве количественного критерия степени загрязненности почвенного раствора использовали показатель интенсивности размножения "почвенных гидробионтов" (почвенные инфузории, водоросли). Доказывается возможность применения для целей биодиагностики почв широко известных в гидробиологии методов тестирования природных вод. Прослеживается тесная взаимосвязь между интенсивностью перехода загрязняющих веществ из твердой в жидкую фазу почвы и состоянием "почвенных гидробионтов".
Разработана серия модельных опытов по изучению влияния различного увлажнения почв, их загрязнения тяжелыми металлами и кислотными осадками на биологическую активность почв с определением суммарного и долевого воздействия указанных факторов. На основании большого экспериментального материала использован статистический метод определения протеолитической активности.
Определен видовой и количественный состав раковинных амеб в неоглеенных и оглеенных дерново-подзолистых почвах, а также для почв города Москвы и техногенных территорий, прилегающих к предприятиям цветной металлургии. Выведен показатель "эдафичпости" раковинных амеб, характеризующий степень их приспособленности к наиболее жестким почвенным условиям.
Практическая ценность и реализация работы. Комплекс показателей биологической активности ненарушенных и антропогенно измененных почв представляет определенный практический интерес в целях диагностики их состояния, экологического нормирования и мониторинга. Разработанные приемы оценки общей биологической активности могут быть использованы для диагностики свойств и режимов неоглеенных и оглеенных дерново-подзолистых и болотно-подзолистых почв. Четкая реакция свободноживущих простейших - раковинных амеб на изме-
няющиеся внешние условия дает возможность применить сведения о видовом составе, обилии и биомассе клеток, а также сочетании экоморфо-типов при вертикальном и горизонтальном распределении организмов по профилю почв в качестве надежных почвенно-диагностических показателей.
Наиболее важный аспект применения методов биологической ди-ігностики - получение интегральной информации о состоянии почвен-юго покрова при всем многообразии воздействия на него факторов ан-гропогенного и естественного происхождения. Особенную ценность име-гг информация, полученная с помощью комплекса биологических пока-;ателей как общего, преимущественно биохимического, так и частного войства, определяемых по состоянию отдельных групп почвенных про-тейших и водорослей на фоне анализа основных физических и химиче-ких свойств почв.
Предложенный нами метод почвенных микрокосмов предполагает зучение комплекса биологических показателей и позволяет решить эту адачу с выходом на определение суммарного антропогенного воздейст-ия и выявление влияния составляющих его отдельных факторов. Так, далось зафиксировать с помощью предложенных нами показателей аздельное и совместное влияние на почвенную экосистему: загрязнения очв тяжелыми металлами, кислотными осадками, а также функцио-альные и структурные изменения почвенной биты, вызванные этими эздействиями. В практическом плане это позволяет проводить исследо-іния в области прогностического и диагностического мониторинга ок-/жающей среды с выходом на определение параметров экологического армирования, что дает возможность в свою очередь применить их в це-[х экологического контроля и экологической экспертизы.
Одна из составляющих комплекса биодиагностических методов -ггод биотестирования почвенного раствора с помощью почвенных юстейших и водорослей (почвенных гидробионтов). Этот метод может ,іть применен в природоохранной практике при биодиагностике за-язненных почвенных растворов.
Оценка реакции почвенной биоты на разовое (аварийное) загрязнение почв высокими концентрациями тяжелых металлов и кислотными выбросами показьшает, что почвенная биота как индикатор, в отличие от ряда традиционных физико-химических показателей, с одной стороны, дает опережающую информацию о начале действия стрессирующего фактора, с другой - демонстрирует определенную временную устойчивость (резистентность) к стрессу, т. е. с помощью биометода определяется период временной устойчивости экосистемы, который, если не освободить почвенную биоту от стресса, оканчивается частичной деградацией или полной гибелью населяющих почву организмов. Длительность этого периода может быть выявлена экспериментальным путем с помощью биотестирования почв и почвенных растворов и использована в практике природопользования как отрезок времени, отпущенный для принятия решений относительно сроков и методов снятия стрессовой ситуации, т.е. рекультивации загрязненной территории.
Материалы исследований использованы в разработке ряда нормативно-методических документов Минприроды России по определению уровней допустимой антропогенной нагрузки на почвенный покров, а также в практическом руководстве "Биологическая диагностика почвы" в спецкурсах: "Биологическая диагностика и индикация почв", "Антропогенная деградация и мониторинг почв" на факультете почвоведения МГУ, в лекциях для слушателей факультета повышения квалификации при МГУ им. М.В.Ломоносова.
Апробация работы. По материалам диссертации автором было сделано 28 докладов на Всесоюзных, Республиканских и Международных съездах и конференциях, в том числе: на Всесоюзном совещании "Проблемы и методы биологической диагностики и индикации почв" (1976), Совещаниях и конференциях, посвященных вопросам почвоведения, биогеоценологии и современным методам исследования почв (1978, 1979, 1983, 1984, 1986, 1988, 1990, 1995), почвенной зоологии и микробиологии (1978, 1981, 1982, 1983, 1984, 1987), VII Делегатском съезде
Общества почвоведов СССР (1985), II съезде Общества почвоведов России (1996), IX Международном коллоквиуме по почвенной зоологии (1985), Международных совещаниях по охране почв от загрязнения (1990, 1995) и
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав и выводов; она включаетS36 страниц машинописного текста, ^2. эисунков и 35~ таблиц. Список литературы насчитывает ^оработ, из них ^.Сна иностранных языках.
Автору принадлежат: составление программ исследований, разра-їотка новых и модификация известных методов биологической диагнос-ики почв, сбор значительной части полевого материала и выполнение існоБной части экспериментальных работ, обобщение литературных дан-[ых, теоретическое обобщение полученной информации и выводы рабо-ы. В работе использовались материалы, полученные лично автором, а акже материалы некоторых работ, выполненных под его руководством ли при непосредственном участии.