Введение к работе
Актуальность. Почва – уникальное по гетерогенности природное образование. Эта гетерогенность проявляется на различных уровнях структурной организации почв – от элементного и вещественного до почвенно-профильного и территориального, она распространяется как на биотическую, так и косную часть почвы.
Подавляющая часть почвенных исследований традиционно связана с гетерогенностью почв на профильном уровне.
Существенно менее изучены вопросы дифференциации почв на других уровнях структурной организации, в частности, на агрегатном. В данной области основное внимание уделялось исследованию агрегатного и микроагрегатного составов почв, а также устойчивости почвенных агрегатов к воздействию факторов, приводящих к их разрушению. Исследования в данном направлении имеют исключительно важное значение для понимания и практического использования механизмов, определяющих формирование благоприятных для растений физических условий корнеобитаемого слоя почвы и её устойчивости.
Однако гетерогенность почв на агрегатном уровне проявляется еще и в различиях состава, свойств и процессов на поверхности и внутри почвенных агрегатов. На это обстоятельство обратил внимание еще В.Р. Вильямс (1939), указывая на неизбежные различия окислительно-восстановительных условий в различных частях агрегата, что, в свою очередь, приводит к различиям в составе и численности микрофлоры, условий разложения органического вещества, формирования режимов и запасов элементов питания для растений, и другим свойствам и процессам. В последующем изучение отдельных сторон этой проблемы получило определенное развитие [Н.А. Качинский (1958), Н.А. Красильников (1958), Е.В. Шеин (2005), Horn R. (1987), Kayser A.T. еt al. (1994)].
Особая роль почвенных агрегатов проявляется в условиях аэральных загрязнений почв, поскольку первичное взаимодействие и закрепление токсичных веществ происходит на поверхности агрегатов, что существенно влияет на их поведение в экосистемах и загрязнение биопродукции (А.Д. Фокин и др., 2003).
Однако нельзя не признать, что исследования в данном направлении имели отрывочный, несистемный характер.
Итак, актуальность работы обусловлена недостаточной изученностью роли поверхности почвенных агрегатов и внутрипедной массы почвы в формировании важнейших биологических свойств почвы, определяющих её биопродуктивность, условия трансформации органических остатков, поступление элементов минерального питания и загрязняющих веществ в растения.
Цель исследования – сопоставить численность, состав и активность микроорганизмов на поверхности и внутри почвенных агрегатов дерново-подзолистой и темно-серой лесной почв, а также оценить интенсивность поглощения корнями растений элементов, локализованных на поверхности и внутри почвенных агрегатов, на примере 90Sr.
Задачи:
-
Определить микробиологическую активность на поверхности и внутри почвенных агрегатов.
-
Изучить биоразнообразие поверхностной и внутрипедной массы почв.
-
Дать экологическую оценку степени устойчивости микробного сообщества на поверхности и внутри почвенных агрегатов.
-
Апробировать различные методы получения агрегатов с различным типом локализации меченых веществ (на поверхности агрегата, внутри агрегата и с равномерным распределением метки по всему объёму агрегата).
-
Провести вегетационные опыты с мечеными агрегатами для количественной оценки поглощения 90Sr, локализованного в различных частях агрегата.
На защиту выносятся следующие положения:
-
Микробиологическая активность на поверхности и внутри агрегатов дерново-подзолистой и темно-серой лесной почв различается. Метаболическая активность микроорганизмов на поверхности агрегатов выше, чем внутрипедной массе.
-
В структуре микробного комплекса обеих почв преобладают бактерии. Численность их в основном не отличается по зонам агрегатов. Численность грибов на поверхности агрегатов выше, чем во внутренней их части. Видовое разнообразие бактерий и грибов различается по зонам агрегатов.
-
Микробный ценоз внутренней части почвенных агрегатов характеризуется более стабильным состоянием и устойчивостью по сравнению с поверхностью.
-
Разработанный метод получения почвенных агрегатов с различной локализацией изотопно-меченых веществ в пространстве агрегата может быть использован для изучения дифференциации корневого питания на агрегатном уровне.
-
Поглощение 90Sr с поверхности почвенных агрегатов происходит в 2 - 3 раза интенсивнее, чем поглощение из внутрипедного пространства.
Научная новизна. Впервые показана микробиологическая дифференциация дерново-подзолистой и темно-серой лесной почв Владимирской области на агрегатном уровне. Впервые для оценки микробиологической активности поверхностной и внутрипедной массы почвы использованной показатели субстрат-индуцированного и базального дыхания.
Впервые отработана методика получения агрегатов с поверхностной и внутрипедной дифференциацией веществ путём нанесения почвенной суспензии на поверхность агрегата.
Впервые показано, что в условиях вегетационного опыта интенсивность корневого поглощения 90Sr, локализованного на поверхности агрегата, в 2 - 3 раза превосходит поглощение радионуклида из внутрипедной массы.
Практическая значимость. Результаты работы дополняют современные представления о распределении и активность микроорганизмов в почвенном агрегате. Полученные данные могут послужить основой для создания базы данных и разработки критериев экологической оценки микробиологических показателей состояния почв, которые будут полезны для целей диагностики при проведении мониторинга почвенных экосистем.
Показана неэффективность фиторемедиации почв, загрязнённых 90Sr, для очистки их от радионуклида. Разработана универсальная диаграмма, позволяющая оценить, при каких значениях коэффициентов накопления любых веществ и урожая надземной фитомассы фиторемедиация может быть эффективной.
Высокий уровень агрегированности почвенной массы и устойчивость агрегатов в условиях аэральных загрязнений благоприятствуют поступлению загрязняющих веществ в растения. Полное переагрегирование почвенной массы в 2 – 3 раза снижает поступление 90Sr в растительную биопродукцию.
Апробация и публикация результатов исследований. Материалы исследований по теме диссертации докладывались и обсуждались на заседаниях кафедры микробиологии и иммунологии факультета почвоведения, агрохимии и экологии РГАУ-МСХА им. К.А.Тимирязева (2011, 2012, 2013), Международной научной конференции молодых ученых и специалистов РГАУ-МСХА 01 - 02 июня 2011 г., 8-ом Международном почвенном конгрессе «Land degradation and challenges in sustainable soil management» (Cesma, Измир, Турция, 2012). По материалам диссертации опубликовано 3 работы, в том числе 2 статьи в журналах, рекомендуемых ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 124 страницах, иллюстрирована 39 рисунками, содержит 10 таблиц. Работа состоит из введения, 5 глав, выводов и списка использованной литературы, содержащего 91 источник, из них 43 источника на иностранном языке.
