Влияние переувлажнения и оглеения на биологические свойства чернозема обыкновенного на фоне застойного и застойно-промывного водного режима

ПРОМЫВНОГО ВОДНОГО РЕЖИМА

После успешного проведения серии экспериментов в 2010-2011 годах и получении некоторых результатов и выводов, в 2015 году нами была предпринята попытка повторного моделирования переувлажнения и оглеения с добавлением вариантов с застойно-промывным режимом, так как по литературным данным процесс оглеения наиболее полно реализуется именно на фоне застойно-промывного водного режима. Глеевый процесс при застойно-промывном водном режиме ведет к серьезным деградацион-ным изменениям почвы, а значит и более негативно сказывается на биологическом состоянии почв. Для расширения объектов исследования мы добавили коричневую почву в модельный опыт. Также были использованы новые биологические показатели для оценки влияния переувлажнения и оглеения, такие как фитотоксичность, активность ферриредуктазы и нитраты.

Для этого в июне 2015 года в качестве объекта исследования были отобраны чернозем обыкновенный (Ботанический сад ЮФУ, Ростов-на-Дону) и коричневая почва (база практики ЮФУ «Лиманчик», Краснодарский край).

Восстановительные процессы были смоделированы аналогично - переувлажнением с добавлением легкодоступного для микроорганизмов органического субстрата (сахарозы) для развития анаэробных процессов на фоне застойного и застойно-промывного водного режима.

Контролем служила почва с оптимальным увлажнением. Параллельно были смоделированы варианты с застойным и застойно-промывным режимом без добавления субстрата.

Длительность эксперимента составляла 39 суток. Каждый из процессов диагностировался по морфологическим показателям и контролировался измерением окислительно-восстановительного потенциала (Eh, ОВП) и температуры напочвенного раствора каждый день. На 45 сутки от начала эксперимента проводились измерения pH, активности каталазы и ферриредуктазы, содержания закиси железа, содержания гумуса и нитратов, показателя фитотоксичности с использованием тест-организма редиса, общей численности бактерий.

Следует отметить, что ОВП воды составлял 221 мВ, в то время как ОВП раствора сахарозы составлял 228 мВ.

Температура воздуха во время проведения модельного эксперимента составляла около 40 °C в дневное время, что, безусловно, повлияло на высокую скорость протекания моделируемого биохимического процесса.

Тенденция распределения значений ОВП при застойном режиме чернозема подобна застойному режиму коричневой почвы (рис. 8). В коричневой почве реализуется более низкий показатель Eh. Можно предположить, что реализуется процесс заболачивания.

Аналогичная картина распределения значений ОВП при застойнопромывном режиме чернозема (рис.9). Показатель Eh в застойно промывном варианте чернозема подобен застойно-промывному режиму коричневой почвы. Следует отметить, что в коричневой почве реализуется более низкий Eh. При застойно-промывном режиме в коричневой почве снижение ОВП происходят скачкообразно, в черноземе - плавно.

Моделирование застойного режима в черноземе обыкновенном и в

Рис. 8. Моделирование застойного режима в черноземе обыкновенном и в

Моделирование застойно-промывного режима в черноземе обыкновенном и в коричневой почве

Рис. 9. Моделирование застойно-промывного режима в черноземе обыкновенном и в коричневой почве

Тенденция распределения значений ОВП при застойном режиме с добавлением сахарозы чернозема сходна с таковой в коричневой почве, в которой реализуется, все-таки более низкий Eh к середине эксперимента и более заметны морфологические изменения почвы (рис. 10). При застойном режиме с добавлением сахарозы в коричневой почве анаэробиоз наступает быстрее и менее подвержен флуктуациям, чем в черноземе. Можно считать, что глеегенные процессы в этих вариантах развивается.

Моделирование застойного режима с добавлением субстрата в черноземе обыкновенном и в коричневой почве

Рис. 10. Моделирование застойного режима с добавлением субстрата в черноземе обыкновенном и в коричневой почве

При рассмотрении распределения значений Eh при застойнопромывном режиме с добавлением сахарозы, можно сделать вывод, что и в черноземе, и в коричневой почве наблюдается одинаковая закономерность, хотя черноземе и реализуется более низкий ОВП в связи с наибольшими флуктуациями значений. При застойно-промывном режиме с добавлением сахарозы в конце эксперимента в коричневой почве происходит попеременное изменение окислительных условий на восстановительные, в то время как в варианте с черноземом пульсация анаэробиоза достаточно слабая. Интенсивный процесс протекает в первой половине эксперимента с усиленным газообразованием и затухает во второй половине (рис.11).

При застойном и застойно-промывном режиме с добавлением субстрата запускаются глеегенные процессы, причем при застойном режиме процесс менее выражен, так как не происходит значительных физико-химических и биологических изменений.

При рассмотрении застойного и застойно-промывного режима без добавления субстрата в черноземе обыкновенном существенного различия ОВП не наблюдается (рис. 12).

-----Застойно-промывной режим + сахароза чернозем

Застойно-промывной режим + сахароза коричневая

Рис 11. Моделирование застойно-промывного режима с добавлением субстрата в черноземе обыкновенном и в коричневой почве

Моделирование переувлажнения и оглеения в черноземе обыкно

Рис. 12. Моделирование переувлажнения и оглеения в черноземе обыкно

венном

Происходит постепенное плавное снижение показателя Eh с максимумом в начале эксперимента: 261 мВ (6 сутки) для чернозема с застойным режимом и 252 мВ (3 сутки) - с застойно-промывным. Минимальный ОВП для чернозема с застойным режимом -11 мВ, для застойно-промывного -16 мВ. Средняя величина ОВП для рассматриваемых почв около 100 мВ. Наблюдается преобладание положительных значений Eh для данных режимов.При рассмотрении вариантов с добавлением субстрата в черноземе обыкновенном наблюдается резкое скачкообразное падение ОВП до минимальных значений -531 мВ в варианте с застойным режимом на 3 сутки и -542 мВ в варианте с застойно-промывным на 5 сутки (рис. 12). В черноземе с моделированием застойного режима и добавлением сахарозы максимальный ОВП составил 29 мВ, в то время как при застойно-промывном режиме с добавлением сахарозы он составил 185 мВ. Средний показатель Eh для застойного режима с сахарозой -84 мВ, причем процесс проходил резко сразу же после внесения субстрата с повышением в сторону положительных значений в конце 1 декады.

После 11 суток и в дальнейшем сохранялись анаэробные условия среды. В черноземе с добавлением субстрата на фоне застойного водного режима надпочвенный раствор и почва приобрели мутно-сизый цвет с преобладанием холодного оттенка, заметны обесструктуренность и слити-зация. В черноземе с моделированием застойно-промывного режима и добавлением сахарозы средний ОВП существенно не отличался от застойного режима и составлял -92 мВ. Однако процесс проходил более резко. Замечено, что наиболее отрицательные значения Eh были через несколько дней после сброса лизиметрических вод, просушки и внесения новой порции субстрата. В дни проведения манипуляций наблюдались положительные значения ОВП. После внесения новой порции субстрата на 26 сутки стимуляции анаэробного процесса уже не происходило, только в самом конце эксперимента лизиметрические воды имели отрицательные значения Eh. В середине эксперимента наблюдался мутно-сизый цвет с преобладанием холодного оттенка, помутнение и газообразование в надпочвенном растворе, охристые отложения красно-бурого цвета. Можно полагать, что причиной этих отложений было образование гидроокиси железа. Гидрозакись железа имеет серо-зеленый цвет и существует только в восстановительных условиях. При контакте с кислородом воздуха быстро окисляется до гидроокиси железа красно-бурого цвета, поэтому при смене окислительно-восстановительных условий появляются такие характерные железистые образования.

pH среды для почвенной вытяжки чернозема на фоне застойнопромывного режима с добавлением сахарозы сдвигается в сторону кислой реакции и составляет 5,4, в то время как для других вариантов эксперимента pH среды оставался в области нейтральной реакции. Такая картина вполне естественна при протекании глеегенных процессов.

При анализе содержания гумуса удалось выявить незначительное понижение в моделируемых вариантах с добавлением субстрата и контрольным вариантом. Это согласуется с результатами некоторых исследователей. В то время как количество нитратов в вариантах с моделированием оглеения и переувлажнения незначительно возрастает по отношению к контрольному образцу чернозема, что объясняется увеличением активности биологических процессов.

При исследовании каталазы установлено, что при застойнопромывном режиме с добавлением субстрата в черноземе ее активность ингибируется почти в 5 раз по сравнению с контрольным вариантом. В контроле этот показатель составлял 5,2 мл О2/г/мин, в то время как при сочетанном воздействии всего лишь 1,1 мл О2/г/мин. Стоит отметить, что в вариантах чернозема без добавления сахарозы с разными водными режимами активность каталазы составляла около 3,5 мл О2/г/мин, а в варианте с застойным режимом с добавлением раствора сахарозы - 4,2 мл О2/г/мин. Известно, что каталаза играет роль в окислении железа, так как при окислении органики образуется перекись водорода, которую в свою очередь и разлагает каталаза. При этом освобождается кислород, который в дальнейшем выступает окислителем двухвалентного железа. Настолько низкая активность каталазы доказывает то, что в моделируемых биокосмах преобладают восстановительные условия.

Активность ферриредуктазы во всех вариантах опыта значительно выше, чем в контрольном варианте с оптимальным увлажнением. Ранее некоторыми исследователями (Казеев и др., 2003, Стрелкова, 2006) уже было установлено, что повышение активности ферриредуктазы имеет положительную корреляцию со степенью гидроморфизма почв. В автоморфном черноземе, активность ферриредуктазы в 2-3 раза ниже, чем в гидроморфных почвах. Результаты нашего исследования показали, что активность ферриредуктазы в вариантах с моделированием оглеения в черноземах была выше в 6-8 раз, чем в контрольном варианте чернозема, что также доказывает интенсивное протекание восстановительных процессов. Также идет накопление огромного количества восстановленного железа. Если принимать количество закиси железа в контрольном варианте за 100 %, то 897 % обнаруживается в варианте с черноземом, затопленным раствором сахарозы, и 647 % - в варианте с добавлением сахарозы на фоне застойнопромывного водного режима.

В результате проведенных исследований удалось установить тот факт, что процессы переувлажнения и оглеения оказывают негативный эффект на фитотоксичность чернозема (рис. 13). Причем наиболее низкие показатели длины стеблей и корней редиса обнаруживались в варианте затопления чернозема 1 % раствором сахарозы. Все остальные варианты опыта также были ниже контрольного. Процессы переувлажнения и оглеения в черноземе оказали более негативное влияние на корневую систему редиса.

Фитотоксичность чернозема обыкновенного при переувлажнении и оглеении по отношению к редису

Рис. 13. Фитотоксичность чернозема обыкновенного при переувлажнении и оглеении по отношению к редису

Общая численность бактерий (рис. 14), определенных методом люминесцентной микроскопии, обнаруживала свой максимум в варианте с сочетанным воздействием застойно-промывного режима и добавлением субстрата и составляла 126 % по отношению к контролю (контрольный вариант принимали за 100 %). В то время как в варианте с застойным режимом этот показатель составлял 82 %. Добавление субстрата в виде сахарозы на фоне застойного режима незначительно повышало общую численность бактерий до 103%. А при застойно-промывном режиме без добавления субстрата численность микрофлоры составляла 113%.

Влияние переувлажнения и оглеения чернозема обыкновенного на общее количество бактерий (в процентном соотношении)

Рис. 14. Влияние переувлажнения и оглеения чернозема обыкновенного на общее количество бактерий (в процентном соотношении)

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >