Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Ферментативная активность мерзлотных почв 9
Глава 2. Объекты и методы исследования 17
Глава 3. Физико-географические условия формирования почв южной Якутии 20
3. 1. Рельеф и геологическое строение 20
3. 2. Климат Y. 24
3. 3. Почвообразующие породы 27
3. 4. Мерзлота 30
3. 5. Растительность 33
Глава 4. Морфологические, физико-химические и агрохимические свойства почв 37
4. 1. Подбуры 38
4. 2. Подзолистые почвы 44 ,
4. 3. Палево-бурые почвы 51
4. 4. Дерново-карбонатные почвы 57
4. 5. Перегнойно-карбонатные почвы 63
Глава 5. Ферментативная активность почв естественных ландшафтов 69
5. 1. Характеристика ферментного потенциала мерзлотных почв 69
5. 1. 1. Ферменты азотного обмена 69
5. 1.2. Ферменты углеводного обмена 86
5. 1. 3. Окислительно-восстановительные ферменты 95
5. 2. Актуальная ферментативная активность почв и ее связь с потенциальной активностью 95
5. 2. 1. Целлюлозолитическая активность почв 106
5. 2. 1. Протеолитическая активность почв 118
5. 2. 3. Сопоставление показателей потенциальной и актуальной ферментативной активности 125
5. 3. Сезонная динамика ферментативной активности 130
Глава 6. Ферментативная активность почв под воздействием антропогенных факторов 148
6. 1. Ферментативная активность почв агроценозов: влияние удобрений 148
6. 2. Ферментативная активность почв при техногенном загрязнении: влияние тяжелых металлов аэротехно генных выбросов Нерюнгринской ГРЭС 158
Выводы 168
Литература 171
- Ферментативная активность мерзлотных почв
- Перегнойно-карбонатные почвы
- Актуальная ферментативная активность почв и ее связь с потенциальной активностью
- Ферментативная активность почв при техногенном загрязнении: влияние тяжелых металлов аэротехно генных выбросов Нерюнгринской ГРЭС
Введение к работе
Актуальность. Исследования в области почвенной энзимологии в последние 50 лет показали широкую возможность применения показателей ферментативной активности при изучении различных вопросов почвоведения: генезиса почв, их плодородия, окультуривания, засоления, эродированности, загрязненности и биологической активности (Хазиев, 1982; Галстян, 1983). Выявлено также, что ферментативная активность отражает физико-географические условия формирования почв и определяет особенности процессов почвообразования в отдельных регионах (Кислицына, 1965; Козлов, 1970; Хазиев, Хабиров, 1983).
Южная Якутия характеризуется своеобразием климата и почвенного покрова. В условиях дефицита тепла и избыточного увлажнения здесь формируются почвы с контрастными генетическими свойствами и гидротермическими режимами. Биологические процессы в них протекают в короткий вегетационный период на фоне длительносезонной и многолетней мерзлоты. Криогенный характер почв несомненно накладывает отпечаток на структуру микробных и ферментных комплексов, определяет их динамику и активность, обуславливая тем самым специфику процесса трансформации веществ, являющегося ключевым звеном в почвообразовании. Несмотря на исключительно важную почвообразующую роль микроорганизмов и ферментов биологическая активность почв Южной Якутии до настоящего времени планомерно не исследовалась. Сведения о микрофлоре южноякутских почв остаются фрагментарными (Мазилкин, 1956). Изучение же ферментативной активности в них ранее вообще не проводилось, хотя по другим аспектам исследования почв (генезису, физико-химическим свойствам, приемам освоения) имеются представительные данные. Изучение ферментативной активности позволит более глубоко познать процессы, происходящие в криогенных почвах, что представляет определенный теоретический интерес.
Актуальность исследования ферментативной активности почв Южной Якутии продиктована также необходимостью решения научно-практических задач, связанных с интенсивным экономическим развитием этого региона. В настоящее время на его территории идет добыча угля, золота, платины, редких камнецветов, гранита и мрамора. Кроме того, в Южной Якутии имеются промышленные запасы железных руд, полиметаллов, слюды, апатита, лечебных вод и грязей. Продолжается строительство железной дороги Берка-кит-Томмот-Якутск (АЯМ), развивается энергетическая система. Рост промышленного потенциала и связанное с ним увеличение народонаселения в этой части республики вызывает необходимость развития сельскохозяйственного сектора производства, освоения пригодных для земледелия почвенных площадей и разработки рациональных методов их эксплуатации. Выяснение особенностей ферментативной активности почв способствует решению задач регулирования биохимических процессов, направленных на повышение их продуктивности и наиболее полной реализации почвенного плодородия.
На фоне усиления антропогенной и техногенной нагрузки и загрязнения окружающей среды возникает потребность в охране почв и ведении экологического мониторинга. В связи с этим актуален поиск чувствительных методов, диагностирующих начальные этапы загрязнения почв. Определение ферментативной активности - перспективное направление в такого рода исследованиях.
Указанные выше проблемы и полное отсутствие сведений о ферментативной активности почв Южной Якутии определили цель и задачи наших исследований.
Цель работы - выявить особенности и основные закономерности формирования и проявления ферментативной активности почв Южной Якутии в естественных условиях и под влиянием антропогенных факторов.
6 Задачи исследований.
Определить уровень и профильное распределение ферментативной активности в почвах естественных ландшафтов.
Определить роль почвенно-экологических параметров в формировании ферментативной активности почв: а) связь ферментативной активности почв с физико-химическими свойствами, мерзлотным режимом, содержанием гумуса; б) сезонную динамику ферментативной активности почв и сопряжен ность ее с гидротермическими и почвенно-экологическими параметрами.
Изучить сопряженность потенциальной и актуальной ферментативной активности почв.
Оценить влияние минеральных и органических удобрений на ферментативную активность пахотных почв.
Оценить влияние аэротехногенного загрязнения тяжелыми металлами на ферментативную активность почв и возможность использования последней в мониторинге почв.
Научная новизна. Впервые в Южной Якутии в почвах различного генезиса проведено комплексное исследование активности ферментов, относящихся к классу гидролаз и оксидоредуктаз. Выявлены особенности ферментативной активности мерзлотных почв региона: достаточно высокая потенциальная активность, сопоставимая с активностью почв немерзлотных областей; широкая вариабельность актуальной активности; отсутствие сопряженности между потенциальной и актуальной активностью. Впервые в условиях Южной Якутии показана перспективность применения показателей ферментативной активности в ранней диагностике загрязнения мерзлотных почв тяжелыми металлами, выявлены высокие индикаторные свойства окислительно-восстановительных ферментов по сравнению с гидролитическими. Показано, что эффективным приемом повышения активности ферментов и продуктивно- сти мерзлотных почв является внесение органических удобрений, особенно навоза.
Практическая значимость. Результаты исследования ферментативной активности мерзлотных почв Южной Якутии в дальнейшем могут послужить основой для разработки ферментных методов диагностики генетических типов и экологических групп почв данного региона. Полученная информация о ферментативной активности южноякутских почв может быть использована в сельскохозяйственной практике для оценки эффективности удобрений и продуктивности почв, а также при проведении экологического мониторинга.
Защищаемые положения.
В мерзлотных и длительносезонномерзлых почвах неблагоприятные экологические факторы, прежде всего дефицит тепла, обусловили формирование относительно высокой ферментативной активности только в небольшой мощности верхней части почвенного профиля (10, 20 см). Уровень ферментативной активности генетического ряда почв региона коррелирует с их агрохимическими и физико-химическими свойствами и содержанием гумуса.
Сезонная динамика ферментативной активности почв естественных ландшафтов сопряжена с изменением гидротермического режима и отражает динамику развития растительности и темпы трансформации органического вещества в почве.
Для характеристики биологических особенностей мерзлотных почв необходимо использовать широкий спектр биологических параметров, включающий показатели потенциальной и актуальной ферментативной активности.
При загрязнении тяжелыми металлами и освоении под пашню ферментативная активность мерзлотных почв понижается. Показатели ферментативной активности предлагается использовать в региональном экологическом мониторинге почв.
Апробация. Основные положения диссертации были представлены на: VII Якутской республиканской научно-практической конференции молодых ученых и специалистов (Якутск, 1988); конференции «Биологические ресурсы и проблемы экологии Сибири» (Улан-Удэ, 1990); конференции научной молодежи «Эрэл-95» (Якутск, 1995); Всероссийской конференции «Антропогенная деградация почвенного покрова и меры ее предупреждения» (М., 1998); «Лаврентьевских чтениях» Республики Саха (Якутия) (Якутск, 1999); Всероссийской конференции, посвященной 100-летию со дня рожд. акад. М.А.Лаврентьева (Томск, 2000); III съезде Докучаевского общества почвоведов (Суздаль, 2000).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, выводов, списка использованной литературы. Основной материал изложен на 192 страницах машинописного текста и включает в себя 31 таблицу, 14 рисунков, список литературы из 257 работ, в т. ч. 32 иностранных авторов.
Автор выражает глубокую благодарность за помощь, оказанную при выполнении данной работы, и постоянное внимание научному руководителю чл.-корр. АН Республики Башкортостан, д. б. н., проф. Ф.Х.Хазиеву. Автор глубоко признателен к. б. н. Я.М.Агафаровой за помощь в освоении методов определения ферментативной активности почв, д. б. н., проф. Л.Г.Еловской, д. б. н. А.К.Коноровскому, д. б. н. А.П.Чевычелову и академику АН PC (Я), д. б. н., проф. Д.Д.Саввинову за научные консультации и организационную помощь.
Ферментативная активность мерзлотных почв
Мерзлотные области (зона распространения многолетнемерзлых пород или криолитозона) охватывают четверть суши земного шара. Они занимают значительные территории на севере Евразии: арктические острова, Заполярье Западной Сибири, Среднюю Сибирь, Северо-Восток России, горы Забайкалья и Дальнего Востока, высокогорья Алтая, Саян и Монголии, а также на севере Аляски, Канады и в Гренландии. Области прерывистой и островной криоли-тозоны распространены на севере Европы и в горах умеренных широт (Гав-рилова, 1981).
Почвы зоны многолетней мерзлоты (мерзлотные) с замыкающими их профиль многолетнемерзлыми породами характеризуются своебразием генезиса, морфологического облика и режимов, отличающими их от почв немерзлотных регионов. Особый интерес для генетического и прикладного почвоведения представляют исследования, раскрывающие роль биотического фактора в почвообразовании мерзлотных почв и влияние на него мерзлотных условий и процессов.
В настоящее время накоплен определенный материал по микробиологии для некоторых регионов криолитозоны. Исследовано распределение и функционирование микробных сообществ в тундрах Таймыра (Паринкина, 1989), тундрах и северной тайге Колымской низменности (Спирина, Федоров-Давыдов, 1998), горных почвах верховий Колымы (Гришкан, 1994; 1997) и в почвах Забайкалья (Нимаева, 1992). Результаты определения численности и группового состава микрофлоры в некоторых мерзлотных почвах среднета-ежной подзоны приводятся в статьях И.А.Мазилкина (1955, 1956), В.А.Кузьмина с соавторами (1985) и Е.В.Напрасниковой с соавторами (1988). Получены данные о сохранении жизнеспособных микроорганизмов в вечной мерзлоте (вечномерзлых грунтах, погребенных почвах, иле, торфяниках) в течение тысяч и миллионов лет (Гиличинский и др., 1989; Хлебникова и др., 1990; Звягинцев, 1992). Выявлена селективная роль низких температур в формировании микробоценозов при промерзании-протаивании почв (Гили-чинский и др., 1989).
На основе разрушения тест-материалов (целлюлоза, фотопластинки) и растительного опада изучена биологическая активность мерзлотных почв. В целом выявлена тенденция ее увеличения в направлении от почв тундр к почвам средней и южной тайги (Наплекова, 1974; Керженцев, 1977; Петренко, 1978; Паринкина, 1980; Кузьмин и др., 1985; Рукосуева, Гукасян, 1985; Гриш-кан, 1997; Zamolodchikov D.G., Fedorov-Davydov D.G., in press).
В настоящее время наименее изученным в мерзлотных почвах остается один из важнейших показателей биологической активности - ферментативная активность. Информация о ней ограничивается отдельными публикациями. Нам известны лишь две работы, в которых приводятся краткие сведения о ферментативной активности почв, расположенных в зоне Арктики (Стефаник и др., 1997; Neal, 1982). Так, Г. Стефаник с соавторами (1997) установили, что потенциальная активность уреазы, каталазы, инвертазы и фосфатазы в арктических почвах острова Шпицберген, обогащенных гумусом и корнями растений, характеризуется высокими показателями, сопоставимыми с почвами умеренных широт. При этом малоразвитые слабогумусированные почвы с единичными корнями и без корней обладают низким уровнем ферментативной активности. Предполагается, что высокая каталитическая активность обусловлена ризосферным эффектом, так как при производстве анализа не представлялось возможным отделить почвенный материал от корней. Дж. Нил (Neal, 1982) также обнаружил высокую активность фосфомоноэстеразы и сульфатазы в арктических почвах и выявил, что она зависит от влажности и произрастающей на ней растительности.
Интересно, что в суровых условиях Антарктиды на незначительных по размеру площадках, где развиваются зеленые и сине-зеленые водоросли и происходит накопление даже небольших количеств органического вещества, в поверхностных отложениях обнаруживается высокая активность каталазы и инвертазы, приближающаяся по абсолютным величинам к активности торфя-но-болотных и лугово-черноземных почв (Купревич и др., 1956). Это по мнению авторов свидетельствует о наличии в них почвообразовательных процессов.
Работ, в которых приводятся данные по ферментативной активности мерзлотных почв таежной зоны, также мало. Е.В.Напрасникова с соавторами (1988) исследовала активность инвертазы, протеазы, уреазы и фосфатазы в лесной и пахотной палевой слабоосолоделой почве Центральной Якутии. Авторами установлено, что согласно шкале Д.Г.Звягинцева (1978) исследованная лесная почва по ферментативной активности оценивается как бедная, а вовлечение мерзлотной палевой слабоосолоделой почвы в сельскохозяйственное производство значительно повышает ее биологическую активность -показатели ферментативной активности возрастают в 1,9-2,6 раза.
Несколько более подробно исследована ферментативная активность мерзлотных почв Чарской котловины, близких по генезису и биоклиматическим условиям формирования к почвам Алданского нагорья Южной Якутии (Козлов и др., 1969; Кузьмин и др., 1985). К.А.Козлов с коллегами показал наличие взаимосвязи между ферментативной активностью и содержанием органического вещества в почвах. Наиболее высокой протеазной, липазной и целлюлазной активностью обладали торфяные почвы по сравнению с минеральными, при этом активность ферментов не всегда совпадала с биогенно-стью почвы, что свидетельствует о разной активности микрофлоры в почвах. На отсутствие прямой связи между численностью микроорганизмов и ферментативной активностью указывает также В.А.Кузьмин с соавторами. В их исследовании максимумом активности инвертазы, протеазы, пероксидазы, а также наибольшей интенсивностью разложения клетчатки и суммарной протеолитической активностью отличались подбур и аллювиальная слоистая почва - самые теплые и сухие из исследованных почв, но бедные органиче ским веществом и микрофлорой. Минимум же приходился на мерзлотно-таежную оглеенную почву.
Перегнойно-карбонатные почвы
Эти почвы обычно встречаются в сочетании с дерново-карбонатными, занимая нижние трети пологих склонов водоразделов и надпойменные террасы рек Лено-Алданского плато: Олекмы, Алдана, Амги и др., под пологом лиственничных и елово-лиственничных лесов с преобладанием в напочвенном покрове зеленых мхов. Реже они располагаются на выровненных участках и в микропонижениях плоских водоразделов (Коноровский, 1984; Еловская, 1987; Чевычелов и др., 1992). Почвообразующими породами для них являются продукты выветривания плотных карбонатных пород. Почвы подстилаются многолетней мерзлотой, их поверхность рассечена полигонами. Они полугидроморфны, т.к. периодически при таянии снегов и обильных дождях подвергаются влиянию надмерзлотной верховодки, стекающей с водоразделов. В условиях несвободного поверхностного и внутреннего дренажа это приводит к переувлажнению и накоплению в поверхностном слое слаборазложившегося органического вещества перегнойного и торфяно-перегнойного типа, развитию в минеральных горизонтах оглеения. Нередко в профиле этих почв фиксируется тиксотропносте
В обобщенном виде строение профиля перегнойно-карбонатных почв выражается формулой: АО - Ah - А1 (АВ) - В (ВСса) - Сса.
Почвы, формирующиеся по надпойменным террасам рек, характеризуются наиболее мощным профилем - 80 - 100 см. На этой же глубине, как правило, залегает льдистая мерзлота.
Для характеристики мерзлотных перегнойно-карбонатных почв приведем описание разреза 9-89, заложенного нами в нижней трети пологого склона (северо-восточная экспозиция) местного водораздела между п.Алексеевск и п. Укулан (Лено-Алданское плато) под лиственничным бруснично-моховым лесом. В подлеске: ива, береза, ель. Травяно-кустарниковый покров представлен голубикой, курильским чаем, багульником болотным, брусникой, осокой лесной, хвощем полевым, толокнянкой альпийской, грушанкой мясокрасной, зелеными мхами. На поверхности почв выражен полигонально-трещиноватый нанорельеф, диаметр полигонов - 0,4-0,6 м.
АО 0 - 3 см Рыхлая, слегка влажная лесная подстилка из хвои, листьев кустарников, зеленых мхов. Ah 3 - 13(19) см Темно-серый, влажный пористый, пронизан корнями растений, содержит много полуразложившихся растительных остатков, бесструктурный, среднесуглинистый, переход ясный, языками. От НС1 не вскипает. Вса 9(13)-25 см Буро-коричневый влажный, с отдельными корнями растений, тяжелосуглинистый, неясно плитчатый, содержит щебень доломитов (до 5% от объема), переход постепенный. От НС1 вскипает, кипение слабое. ВСса 25-57 см Серовато-коричневый влажный, тяжелосуглинистый, с сизыми слабовыраженными пятнами и ржавыми точками, плитчатый, содержит щебень доломитов (до 5% от объема), переход постепенный. От НС1 вскипает, кипение слабое. CDca ниже 60 см Серовато-светло-коричневый, очень влажный, содержит щебень доломитов (более 5% от объема), от НС1 вскипает, кипение слабое. Льдистая мерзлота обнаруживается на глубине 1 м.
Почва: мерзлотная перегнойно-карбонатная типичная на элюво-делювии доломитов. Данные валового анализа показывают, что алюмосиликатная часть перегнойно-карбонатных типичных почв, судя по содержанию Si02, AI2O3, ТІО2 и ЮО, мало затрагивается почвообразованием. Отмечается тенденция поверхностного накопления Са и Р в составе органического вещества почв, о чем свидетельствует повышенное содержание данных элементов в горизонте АОА1 и АО (табл. 6).
Перегнойно-карбонатные почвы характеризуются тяжелым гранулометрическим составом. Ил и физическая глина в профиле распределены равномерно, а их отношение носит неизменный характер (табл. 9). Почвы отличаются нейтральной и слабощелочной реакцией среды, незначительно увеличивающейся в нижней части профиля, насыщены основаниями. Содержание свободных карбонатов так же, как и в дерново-карбонатных почвах, увеличивается с глубиной. Вскипание обычно отмечается сразу под органо-аккумулятивным горизонтом.
Перегнойные и торфяно-перегнойные горизонты характеризуются высоким содержанием гумуса (30-50%). У наиболее гидроморфных (оторфованных) разновидностей оно может превышать это значение (Чевычелов и др., 1992). Гумус слабо насыщен азотом, что подтверждается широким соотношением C:N (табл. 8). Тип гумуса гуматно-фульватный (Сгк: Сфк = 0,6) в составе гуминовых и фульвокислот, также, как и в дерново-карбонатных почвах значительная доля принадлежит фракциям, связанным с Са. Отмечается высокая пропитанность гумусом минеральной толщи. В горизонте Вса содержание гумуса в среднем составляет 7%, в переходном горизонте ВСса - 4%. Иногда в надмерзлотном горизонте (Вса) наблюдается ретинизация гумуса, что иллюстрируется аналитическими показателями разреза 9-89 (табл. 8).
Актуальная ферментативная активность почв и ее связь с потенциальной активностью
Существенных различий между отдельными генетическими типами кислых почв не выявлено. Сравнение инвертазной активности почв Южной Якутии с некоторыми близкими к ним по генезису почвами центрально-европейской части России и Закавказья (Чундерова, 1973; Галстян, Абрамян, 1982), а также с горными почвами Южной Сибири (Рукосуева, Гукасян, 1985) показывает, что почвы западных и южных регионов уступают по этим показателям почвам исследованного региона. Согласно шкале обогащенности почв ферментами Д.Г.Звягинцева (1978) они относятся к группе средне и высоко обогащенных почв. Интерено отметить, что мерзлотные почвы областей, близких к Южной Якутии (Забайкалье, Читинская область) также характеризуются высокой инвертазной активностью (Кузьмин и др., 1985; Нимаева, 1992). Учитывая, что уровень ферментативной активности в значительной мере определяется наличием в почве специфического субстрата, можно предположить, что повышенная инвертазная активность южноякутских почв обусловлена высоким содержанием в них легкогидролизуемых углеводов в связи со слабым темпом гумификации растительных остатков. На эту взаимосвязь указывает ряд косвенных фактов. Известно, что количество углеводов и их распределение по профилю почв зависит от содержания и распределения гумуса, состава растительных остатков и скорости их разложения (Багаутдинов, 1979; Щербакова, 1979, Хазиев, Багаутдинов, 1987). По данным Орлова Д.С. и Садовниковой Л.К. (1975) общее содержание углеводов в зонально-генетическом ряду почв проявляет тенденцию к уменьшению при переходе от дерново-подзолистых почв к черноземам с последующим нарастанием в красноземах и горно-луговых повах и имеет обратную связь с интенсивностью процессов гумификации и накоплением специфического органического вещества. Наряду с этим исследованиями Пантос-Доримовой (Pantos-Derimova, 1987) в почвах лесных экосистем было показано, что инвертазная активность подстилок увеличивается в соответствии с увеличением соотношения C:N. В почвах Южной Якутии, в силу специфики биоклиматических условий, разложение растительных остатков протекает очень медленно и накапливается значительное количество грубого гумуса, характеризующегося слабой и средней степенью гумификации (Сгк х 100% / Собщ= 17-28). Гумус слабо насыщен азотом. В органогенных горизонтах АОА1 и гумусово-аккумулятивных горизонтах А соотношение C:N очень широкое и колеблется соответственно делах от 23 до 64 и от 12 до 39. Исходя из этого можно предположить, что содержание углеводов в них достаточно высокое, что в свою очередь индуцирует повышенный синтез инвертазы микроорганизмами. Это означает, что при благоприятных гидротермических условиях в мерзлотных почвах может активно протекать гидролиз Сахаров, являющихся важным энергетическим материалом и источником углерода для микроорганизмов и растений.
Известно, что гидролитическое расщепление органических веществ сменяется их окислением. Окислительно-восстановительные процессы, катализируемые комплексом ферментов оксидоредуктаз, имеют важное значение в более глубокой трансформации органическиих соединений и их гумификации (Кононова, 1963; Орлов, 1974; Щербакова, 1979; Александрова, 1980). Большую роль в почвообразовании, особенно при анаэробных условиях, играет активность анаэробной дегидрогеназы, осуществляющей передачу водорода органическим веществам типа хинонов.
Изученные нами дерново- и перегнойно-карбонатные почвы Южной Якутии обладают более высокой дегидрогеназной активностью по сравнению с подбурами, подзолистыми и палево-бурыми почвами в связи с большим содержанием в них гумуса, нейтральной и слабощелочной реакцией среды, а также благоприятными для функционирования и накопления фермента свойствами поглощающего комплекса (табл. 15). Так как дегидрогеназа является дыхательным ферментом и в почвах ассоциирована преимущественно с живыми микроорганизмами, повышенная активность ее в остаточно-карбонатных почвах обусловлена, очевидно, наряду с перечисленными факторами, более высоким содержанием в этих почвах микрофлоры (Мазилкин,1956; Иванова и др, 1999).
Зависимость дегидрогеназной активности от физико-химических и агрохимических свойств почв подтверждается данными корреляционного анализа (табл. 16). В литературе также имеются сведения о наличии положительной взаимосвязи между дегидрогеназной активностью и количеством гумуса, общего азота, рН, суммой обменных Са2+ и Mg2+, степенью насыщенности основаниями и гранулометрическим составом, а также численностью актиномицетов, грибов, бактерий и некоторыми другими показателями биогенности почв - активностью протеолиза, интенсивностью дыхания и нитрификации (Козлов, Михайлова, 1965; Галстян, 1968; Козлов, 1970; Самосова и др., 1974; Хабиров, 1976; Камара и др.,1986; Scujins,1974; Vekemans et al., 1989).
Профильное распределение дегидрогеназной активности существенно отличается от такового для гидролитических ферментов и отражает специфику трансформации органического вещества в почвах.
Как уже было показано выше, активность гидролаз азотного и углеводного обмена максимальна в подстилках, где наиболее интенсивно протекают начальные гидролитические процессы превращения высокомолекулярных продуктов распада органических остатков, и постепенно снижается с глубиной. В ферментном комплексе подстилок доля дегидрогеназы невелика, а в ряде случаев ее активность вообще не обнаруживается (табл. 15).
Ферментативная активность почв при техногенном загрязнении: влияние тяжелых металлов аэротехно генных выбросов Нерюнгринской ГРЭС
Проблема загрязнения почв тяжелыми металлами - одна из актуальных в экологии и охране окружающей среды (Важенин, 1982; Воробейчик и др., 1994; Ильин, 1991). Тяжелые металлы входят в состав множества отходов промышленного производства - сточных вод и аэротехногенных выбросов металлургических заводов и предприятий электроэнергетики, выхлопных газов автомобилей и т.д.
Попадая на поверхность почвы тяжелые металлы способны адсорбироваться и накапливаться в ней. Достигая определенных концентраций они губительно действуют на почву: подавляют жизнедеятельность почвенной биоты, ингибируют почвенные ферменты; отрицательно влияют на растения и нарушают почвенный гомеостаз (Левин и др., 1989; Раськова и др., 1983; Черных, 1991). Северные экосистемы, в т.ч. и мерзлотные почвы, характеризуются пониженной буферностью, т.е. способностью нейтрализовать действие отрицательных факторов и возвращаться в устойчивое исходное состояние.
В этой связи актуален поиск методов диагностики начальных этапов загрязнения, когда основные физико-химические свойства почв не претерпели существенных и необратимых изменений.
Определение ферментативной активности - достаточно точный метод, выявляющий разную степень загрязнения почв (Долгова, 1981; Григорян, Гал-стян, 1986).
В настоящей работе впервые предпринята попытка индикации характера и степени загрязнения мерзлотных почв тяжелыми металлами на основе показателей их ферментативной активности. Нами проводилось определение активности двух окислительно-восстановительных ферментов: каталазы и поли-фенолоксидазы и двух гидролитических ферментов: уреазы и инвертазы. Выбор ферментов был обусловлен двумя обстоятельствами: высокой чувствительностью к действию токсикантов и их значением в трансформации органического вещества почв.
Исследование проводили в августе 1993 г. в окрестностях Нерюнгрин-ской ГРЭС (п.Серебряный Бор, Нерюнгринский улус). В районе работ для характеристики почвенного покрова в юго-восточном и восточном направлениях (в соответствии с преобладающим направлением ветров) было заложено 10 почвенных разрезов, удаленных от источника загрязнения на 1,5; 3,0; 3,5; 4,5; 6,0, 7,0 и 10,0 км. Зоны исследования приурочены к одинаковым элементам рельефа. В случае палево-бурых почв - это нижние части склонов, в случае подзолистых почв - верхние части склонов водоразделов. На палево-бурых почвах представлены сосново-лиственничные древостой с примесью кедрового стланика и березки Миддендорфа; на подзолистых - лиственнично-сосновый лес. Для определения ферментативной активности и содержания тяжелых металлов в разрезах были отобраны смешанные образцы подстилок и верхних гуму совоаккумулятивных горизонтов почв. Территория, удаленная от ГРЭС на 10 км была принята в качестве контрольной (фон). Дополнительным контролем служили пробы, собранные на территории заказника "Унгра", примерно в 70 км к северо-западу от ГРЭС.
Нерюнгринская ГРЭС, работающая на каменном угле Нерюнгринского угольного разреза, является постоянным источником техногенного поступления тяжелых металлов в окружающую среду. Станция обладает мощностью 570 мВт и вырабатывает 2240 млн. кВт в год. Она снабжена фильтром типа ЭГА-2-88-12-6-4у, улавливающим 98% золы дымовых газов. Тем не менее расчеты, проведенные нами, показали, что ежегодный выброс золы в атмосферу составляет 4058 т. В ней обнаружено содержание Сг - 33, Ni - 33, V - 67, Со - 10, Zr -300, Sn - 7, Pb - 46, Zn - 50, Си - 34 мг/кг. Следует отметить, что все изученные элементы относятся к категории опасных для живых организмов. Причем, концентрация Pb, Zr и V в золе достигает ПДК для почв, исходя из чего можно ожидать накопления в почвах прежде всего этих элементов.
Содержание тяжелых металлов в верхних горизонтах палево-бурых и подзолистых почв контрольных вариантов одинаково (табл. 30) и входит в диапазон фоновых концентраций, определенных для почв Западной Сибири (Ильин, 1987). Исключение составляют Сг и Pb. Уровни их концентраций в исследованных нами почвах понижены. Вероятно, это связано с обедненностью материнских пород данными элементами. Валовое содержание Си, Со и Zn в почвах естественных ландшафтов Южной Якутии ранее изучено Д.Р.Шиндлер и А.П.Чевычеловым (1992). Концентрации указанных тяжелых металлов, приводимые данными авторами, выше значений, полученных нами. Эти различия обусловлены высокой изменчивостью содержания данных элементов в пределах одного генетического типа почвы. В интерпретации наших результатов мы считаем целесообразным использовать фоновые значения содержания тяжелых металлов, определенные нами.
В зоне предполагаемого загрязнения (1,5-7 км от ГРЭС) концентрации тяжелых металлов в верхних почвенных горизонтах изменяются в широких пределах (табл. 30). Расчлененность рельефа усиливает неравномерность распределения аэротехногенных выбросов на поверхность почвы и повышает вариабельность содержания в них микроэлементов. Этот факт подтверждается тем, что по мере удаления от источника загрязнения, коэффициенты вариаций, характеризующие распределение элементов в зонах 1,5-3, 3-4,5 и 6-7 км снижаются. Сопоставление средних арифметических позволило обнаружить накопление тяжелых металлов в зоне, удаленной от ГРЭС на 3-4,5 км (зона II). Концентрация V превышала фоновую в 3 раза и была равна 1 ПДК. Концентрации Cr, Со, Zr, Sn, РЬ и Ni превышали фоновые в 2 раза. При этом на участке, удаленном от ГРЭС на 3,5 км концентрация Zr достигала 330 мг/кг, что соответствует 1 ПДК. По данным статистического вариационного анализа повышение содержания тяжелых металлов в зоне II по сравнению с фоном достоверно. Различия в содержании тяжелых металлов в верхних гумусовых горизонтах почв в зонах I, III и контрольной зоны статистически недостоверны. Тем не менее, тенденция к накоплению этих элементов имеет место.
