Изменение биологических свойств чернозема обыкновенного при глеевом процессе (модельный опыт)
Анализ результатов лабораторного эксперимента по моделированию процесса оглеения на фоне застойного водного режима в черноземе обыкновенном. Изучение влияния восстановительных процессов на эколого-биологические показатели чернозема обыкновенного.
Рубрика | Биология и естествознание |
Вид | статья |
Язык | русский |
Дата добавления | 20.05.2017 |
Размер файла | 117,1 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Южный федеральный университет
Изменение биологических свойств чернозема обыкновенного при глеевом процессе (модельный опыт)
Кандашова Карина Андреевна, аспирант
Казеев Камиль Шагидуллович, д.г.н., профессор
Колесников Сергей Ильич, д.с.-х.н, профессор
Аннотация
Представлены результаты лабороторного эксперимента по моделированию процесса оглеения на фоне застойного водного режима в черноземе обыкновенном и влиянию его на биологические свойства почв. Оглеение - сложный биохимический восстановительный процесс. Глеевый процесс реализуется при участии анаэробных микроорганизмов, наличии органического вещества и постоянном или длительном затоплении отдельных горизонтов или всего профиля почвы. В результате ряда модельных экспериментов было выявлено, что процесс глееобразования стимулирует общую численность бактерий и подавляет численность актиномицетов, микромицетов и длину грибного мицелия. Глеевый процесс понижает активность оксидоредуктаз и повышает активность гидролаз. Кроме того незначительно повышается содержание гумуса и показатель рн сдвигается в сторону нейтральной реакции среды. Происходит накопление большого количества оксида железа (II).
Ключевые слова: глеевый процесс, модельный опыт, переувлажнение, микрофлора, ферментативная активность, чернозем обыкновенный, застойный водный режим, биологические свойства почв.
Введение
Одним из важных экологических факторов, оказывающих влияние на биологическую активность почв, является переувлажнение. В степной зоне на черноземах при усилении гидроморфности и возникновении застойно-промывного режима возможно проявление глееобразования, с последующими деградационными изменениями почв, с эволюцией их в сторону почв, принципиально отличающихся от черноземов [8].
Реализация процесса глееобразования проходит на фоне двух различных форм гидрологического режима - застойно-промывного и застойного. Застойно-промывной режим оказывает негативное влияние на почвенный покров. Наблюдается развитие активного процесса деградации почвенного покрова, в результате которого почвы частично или полностью утрачивают свое плодородие. В то время как в условиях застойного режима существенных деградационных изменений почвообразующих пород не происходит. Глеевый процесс принадлежит к группе элементарных почвенных процессов. Оглеение - сложный биохимический восстановительный процесс, протекающий при переувлажнении почв в анаэробных условиях при непременном наличии органического вещества и участии анаэробных микроорганизмов.
Термины «глей» и «глееобразование» были введены в научную терминологию Г.Н. Высоцким в 1905 году [2] для обозначения «более или менее плотной породы серого цвета с зеленоватым оттенком, формирующейся в условиях длительного переувлажнения». Он впервые указал на биохимическую природу глееобразования, установил роль превращения окисной формы железа в закисную в условиях недостатка кислорода при участии анаэробных микроорганизмов. Изменение водного режима почв, их переувлажнение (даже кратковременное), создание условий анаэробиоза в почвах неизбежно активизирует процессы восстановления железа, нарушает соотношение окисленных и восстановленных форм, которые существенно различаются по своим функциональным особенностям, роли в процессах почвообразования.
Железо в почвах черноземного ряда является малоподвижным, достаточно инертным и устойчивым элементом, что определяется геохимическими, гидрологическими и климатическими особенностями степной зоны и свойствами самих почв. Присущий почвам степей водно-воздушный режим обусловливает господство в почвах окислительной обстановки. В этих условиях преобладающей формой железа является трехвалентная. Повышению устойчивости железа в данном случае способствуют также нейтральная и слабощелочная реакция среды и присутствие в почвах карбонатов [11].
Можно считать, что устойчивость железа в черноземах, его инертность и малая подвижность определяются в первую очередь автоморфностью экосистемы. Однако в настоящее время в степных ландшафтах отмечается увеличение обводненности почвенной толщи в силу ряда причин антропогенного и природного характера [1].
В результате в степной зоне практически повсеместно отмечается подъем уровня грунтовых вод, что ведет к появлению здесь внепойменных западин (мочаров), которые, однажды возникнув, уже никогда не исчезают бесследно.
Объекты и методы
Было изучено влияние восстановительных процессов на эколого-биологические показатели чернозема обыкновенного.
Исследование выполнено в условиях лабораторного моделирования длительного затопления почв.
В качестве объекта исследования был выбран чернозем обыкновенный карбонатный южно-европейской фации среднемощный малогумусный на желто-бурых лессовидных суглинках. Отбор почвы производился на территории Ботанического сада ЮФУ.
Восстановительные процессы в черноземе были смоделированы переувлажнением с добавлением легкодоступного для микроорганизмов органического субстрата (сахарозы) для развития анаэробных процессов.
Ранее было выявлено, что простое затопление даже на очень продолжительное время не приводило к развитию оглеения в черноземах [3, 8]. Для развития анаэробных процессов необходимо дополнительное внесение органического субстрата для создания условий кислородного дефицита [2].
Контролем служил чернозем с оптимальным увлажнением (60%). Параллельно были смоделированы варианты с затоплением и оптимальным увлажнением с добавлением 1 % раствора сахарозы.
Для постановки опыта были подобраны специальные условия и сконструированы лизиметры.
Исследования эколого-биологических показателей проводили на 100 сутки от начала эксперимента. Изменения диагностировались по морфологическим показателям (окраска, структура) и контролировались измерением рН, количества солей и карбонатов и содержанием гумуса. Выявлено интенсивное изменение в почве с добавлением стимулятора в виде сахарозы, по сравнению с контрольными образцами. Уже через месяц появились сизые пятна на поверхности почвы с застойным водным режимом и добавлением сахарозы. Надпочвенный раствор приобрел рыжевато-оранжевую окраску за счет перехода в него гидроокиси железа.
При получении аналитических данных, используемых в настоящей работе, применялась разработанная и апробированная методология исследования биологической активности [4, 5] с использованием общепринятых в почвоведении и биологии методов [4, 5, 11, 12].
Численность бактерий, актиномицетов и микроскопических грибов учитывали методом посева почвенной суспензии на плотные питательные среды. На МПА (мясо-пептонный агар) выделяли бактерии, использующие органический азот, на КАА (крахмало-аммиачный агар) -- бактерии, использующие минеральный азот, и актиномицеты. Обилие азотфиксаторов учитывали путем посева на среду Эшби. Численность грибов и сахаролитических бактерий учитывали на кислой среде Чапека.
рН почвы определяли в почвенной суспензии (почва / вода в соотношении 1/2,5) потенциометрически на иономере [4, 5]. Количество легкорастворимых солей определяли кондуктометрическим методом.
Концентрацию оксида железа (II) определяли фотометрическим методом с использованием фенонтралина.
Валовое содержание оксидов металлов и неметаллов определяли рентгенфлюорисцентным на приборе «Спектроскан Макс-GV».
Общая численность бактерий, одноклеточных водорослей и длина грибного мицелия определялись люминесцентно-микроскопическим методом на микроскопе Микмед 2, окрашиванием бактерий акридином оранжевым, а грибного мицелия - калькофлуором белым.
О ферментативной активности почв судили по активности ферментов разных классов: оксидоредуктаз - каталаза, дегидрогеназа; и гидролаз - -фруктофуранозидаза (фосфатаза). Определение ферментативной активности почв основано на учете количества переработанного в процессе реакции субстрата или образования продукта реакции в оптимальных условиях температуры, рН среды, концентрации субстрата и навески почвы.
Содержание гумуса определяли по его окисляемости хромовой смесью [4, 5].
Исследования эколого-биологических показателей проводились на 100 сутки от начала эксперимента. Каждый из процессов постоянно диагностировался по морфологическим показателям. В варианте с моделированием оглеения надпочвенный раствор приобрел оранжевую окраску за счет перехода в него гидроокиси железа, а у поверхности обнаруживались отдельные сизые пятна.
Изменение элементного состава чернозема под влиянием глееобразования в условиях застойного водного режима проявляется весьма незначительно. Происходит уменьшение доли оксида марганца в варианте с затоплением (808 мг/кг) и сочетанным воздействием затопления и сахарозы - (797 мг/кг) по сравнению с контрольным вариантом. В целом существенных систематических изменений валового состава относительно контрольного образца не обнаружено (табл.1).
Таблица 1 - Содержание оксидов металлов и неметаллов при моделировании глеевого процесса
Вариант |
TiO2 % |
MnO мг/кг |
Fe2O3 % |
CaO % |
Al2O3 % |
SiO2 % |
P2O5 % |
K2O % |
MgO % |
|
Контроль |
0,8 |
836 |
4,7 |
1,8 |
11,6 |
66,7 |
0,15 |
2,1 |
1,3 |
|
Затопление |
0,9 |
808 |
4,7 |
1,8 |
11,6 |
66,4 |
0,15 |
2,1 |
1,3 |
|
1% сахароза |
0,8 |
840 |
4,6 |
1,9 |
11,4 |
66,0 |
0,15 |
2,1 |
1,3 |
|
1% сахароза + затопление |
0,8 |
797 |
4,6 |
1,7 |
11,5 |
66,5 |
0,15 |
2,1 |
1,2 |
При оглеении наблюдалось незначительное повышение содержания гумуса на 0,3 % по сравнению с контрольным вариантом. Повышение гумусированности почв при оглеении объясняется увеличением активности биологических процессов.
Было установлено, что добавление органического субстрата приводит к подкислению среды. рН в контрольном образце почвы составлял 8,2, в варианте с оглеением снизился до 7,7. Для естественных глеевых горизонтов характерна слабокислая или нейтральная реакция среды [1].
Концентрация восстановленного железа в варианте с сочетанным затоплением и добавлением сахарозы достигало 1800 мг/100 г почвы, что в 15 раз превышало концентрацию оксида железа (II) в контрольном образце. Простое затопление почвы приводило к повышению концентрации оксида железа до 800 мг, а внесение субстрата без затопления - до 1200 мг.
Рисунок 1. Концентрация FeO в черноземе обыкновенном при моделировании процесса оглеения
Численность аммонифицирующих бактерий значительно увеличилась в сочетанном варианте и составляла 172 млн/г, что в пять раз больше, чем в контрольном варианте.
Численность микромицетов значительно подавлялась в варианте с затоплением и составляла 27 тыс/г. В варианте с сочетанным воздействием количество микроскопических грибов уменьшилось более чем в 40 раз по сравнению с контролем. оглеение чернозем биологический
Длина грибного мицелия варьировала от 0,014 км/г почвы в контрольном варианте и ингибировалась до 0,008 км/г почвы при оглеении.
Простое затопление практически полностью подавило численность актиномицетов, в свою очередь в варианте с затоплением раствором сахарозы актиномицеты выявлены не были.
Общая численность бактерий, определенных методом люминесцентной микроскопии, обнаруживала свой максимум в варианте с оглеением и составляла 23 млрд/г почвы.
Микроскопические водоросли незначительно подавлялись сочетанным воздействием с численностью 10,5 тыс/г. В то время как в контрольном варианте этот показатель составлял 11,4 тыс/г почвы.
Обилие азотфиксаторов, амилолитиков и сахаролитиков существенно не изменялось.
Таким образом, основная тенденция связана с выраженным снижением численности грибов и актиномицетов и повышением численности бактерий. Можно предположить, что бактерии выступают в виде дублеров засухоустойчивых мицелярных организмов.
При исследовании ферментативной активности удалось установить, что оглеение в значительной мере подавило активность каталазы с минимумом 2,8 мл О2/г/мин в варианте с оглеением, что почти в два раза меньше по сравнению с контрольным вариантом.
Похожая тенденция выявлена и для активности дегидрогеназы. Следует отметить, что в варианте с добавлением сахарозы и оптимальным увлажнением наблюдалась повышенная активность этих ферментов.
При исследовании активности гидролаз была замечена обратная тенденция. Активность фосфатазы увеличивалась и при простом затоплении, и при сочетанном воздействии с максимумом 0,45 мг Р2О5/г/ч. Повышение активности гидролаз связано с обогащением гидроморфных почв органическим веществом.
Для суждения о биологической активности и эколого-биологическом состоянии почвы недостаточно какого-либо одного показателя, так как каждый из них отражает лишь какую-то одну сторону биологических процессов в почве. Поэтому необходимо использовать широкий набор показателей состояния почвы. Для их объединения была применена методика определения интегрального показателя биологического состояния почвы (ИПБС) [4,5]. Данная методика позволяет оценить совокупность биологических показателей почвы. Для этого показатели контрольного варианта принимают за 100 % и по отношению к нему в процентах выражается значение этого же показателя в остальных образцах.
При исследовании глеевого процесса было установлено, что максимальная микробиологическая активность наблюдается в варианте с сочетанным воздействием затопления и сахарозы, минимальная - вариант с затоплением без сахарозы.
Максимальная ферментативная активность наблюдается в варианте с сахарозой и оптимальным увлажнением, минимальная - вариант с затоплением (рис.2).
Рисунок 2. Интегральный показатель биологического состояния чернозема
При рассмотрении интегрального показателя биологической активности чернозема при глееобразовании выявлено понижение ферментативной активности при увеличении численности микроорганизмов.
Выводы
Таким образом, в результате ряда модельных экспериментов было выявлено, что процесс глееобразования стимулирует общую численность бактерий, аммонификаторов и подавляет численность актиномицетов, микромицетов и длину грибного мицелия.
Глеевый процесс понижает активность оксидоредуктаз и повышает активность гидролаз. Также незначительно повышается концентрация гумуса и показатель рН сдвигается в сторону нейтральной реакции среды, происходит накопление большого количества оксида железа (II).
Литература
1. Ачканов А.Я., Николаева С.А. Вторичный гидроморфизм почв степных ландшафтов Западного Предкавказья // Почвоведение. 1999. № 12.С. 1424-1432.
2. Вальков В.Ф., Уманская (Назаренко) О.Г. Изменение минеральной части южного чернозема при глеевом процессе (модельный опыт) // Почвоведение, 1982, № 7. С. 99-106.
3. Зайдельман Ф.Р., Тюльпанов В.И., Ангелов Е.Н., Давыдов А.И. Почвы мочарных ландшафтов - формирование, агроэкология и мелиорация. - М.: Изд-во МГУ. 1998. 160 с.
4. Казеев К.Ш., Колесников С.И., Вальков В.Ф. Биологическая диагностика и индикация почв: методология и методы исследований. Ростов н/Д: Изд-во РГУ, 2003. 204 с.
5. Казеев К.Ш., Колесников С.И Биодиагностика почв: методология и методы исследований. Ростов-на-Дону, 2012.
6. Казеев К.Ш., Колесников С.И., Вальков В.Ф. Биология почв Юга России. Ростов н/Д, 2004.
7. Казеев К.Ш., Кутровский М.А., Даденко Е.В., Везденеева Л.С., Колесников С.И., Вальков В.Ф. Влияние карбонатности пород на биологические свойства горных почв Северо-Западного Кавказа // Почвоведение. 2012. № 3. С. 327.
8. Казеев К.Ш., Стрелкова В.И., Тищенко С.А. Влияние переувлажнения на биоту и свойства почв Юга России. Ростов н/Д: Ростиздат, 2006. 143 с.
9. Казеев К.Ш., Фомин С.Е., Колесников С.И., Вальков В.Ф. Биологические особенности локально-гидроморфных почв Ростовской области // Почвоведение, 2004, № 3, С. 361-372.
10. Методы почвенной микробиологии и биохимии // Под ред. Д.Г. Звягинцева. М.; Изд-во МГУ. 1991. 304 с.
11. Николаева С. А., Еремина А. М. Трансформация соединений железа в черноземах в условиях повышенной увлажненности почв // Почвоведение, 2001, № 8, С. 963-969
12. Хазиев Ф.Х. Методы почвенной энзимологии. М.: Наука. 1990. 189 с.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Изучение физико-химических и биологических процессов почвообразования, пространственно-временной организации почв. Методы определения микробной биомассы почвы. Оценка содержания микробной биомассы и газопродукционной активности чернозема разных экосистем.
отчет по практике [3,6 M], добавлен 16.05.2016Знакомство с основными особенностями Конского каштана обыкновенного, декоративные формы. Анализ корневой системы дерева, способы распространения. Общая характеристика сфер применения Конского каштана обыкновенного, рассмотрение интересных фактов.
реферат [3,1 M], добавлен 12.02.2014Барсук обыкновенный как редкий вид млекопитающих, его общее описание и территории распространения. Этапы исследования данного животного, образа его жизни. Биология и годовой цикл барсука обыкновенного, плотность его популяции в Дембровском лесничестве.
научная работа [23,9 K], добавлен 20.05.2011Литературный обзор: систематика и область распространения, морфологические признаки, экология, размножение и развитие, питание, физиология и хозяйственное значение. Описание района и методы исследований. Биологическая характеристика окуня обыкновенного.
курсовая работа [57,6 K], добавлен 11.12.2010Исследование ботанической классификации и биологических особенностей рода абрикос. Обзор происхождения и распространения культуры, морфологии надземной части и корневой системы. Анализ химического состава, применения в медицине, видов и сортов абрикоса.
курсовая работа [434,0 K], добавлен 08.02.2012Понятие биоритмов биологических процессов в организме, их физиологические и экологические формы. Процессы, контролирующие фиксацию меди в почве. Биологические функции меди в растениях и организме человека. Оценка биологических особенностей меди и селена.
доклад [19,4 K], добавлен 15.12.2009Изучение биологических свойств Bordetella pertussis и проведение анализа распространения коклюша в РФ и Республике Татарстан. Эпидемиологический анализ распространения данного заболевания в исследуемый период. Характеристика возбудителя и патогенности.
презентация [758,4 K], добавлен 12.06.2016Биологические ритмы - периодические повторяющиеся изменения характера и интенсивности биологических процессов и явлений. Рациональная регламентация жизненного распорядка человека, ее значение для сохранения работоспособности и хорошего самочувствия.
доклад [19,7 K], добавлен 26.04.2011Периодически повторяющиеся изменения в ходе биологических процессов в организме или явлений природы. Эндогенные, экологические, физиологические, циркадианные, приливные, лунные и низкочастотные ритмы. Значение биологических часов в жизни живых существ.
презентация [4,4 M], добавлен 14.03.2011Место обитания и основной рацион питания ужа обыкновенного. Изучение подвижности, маневренности и продолжительности рептилий. Исследование образа жизни животного, его брачного периода и размножения, инкубации яиц змеи. Отличие ужа от других змей.
презентация [329,0 K], добавлен 27.10.2015Общая характеристика биологических ритмов, их роль в существовании растений. Влияние биоритмов на жизнь животных, биологические ритмы человека. Доказательства в лабораторных условиях существования биологических часов. Биоритмы кислицы и ветки сирени.
творческая работа [1,6 M], добавлен 17.02.2013Анализ закономерностей динамики численности отдельных физиологических групп почвенных микроорганизмов в зависимости от антропогенной нагрузки на примере серой лесной почвы и чернозема выщелоченного. Определение соотношения аэробных и анаэробных бактерий.
курсовая работа [452,1 K], добавлен 23.01.2011Механизм воздействия прокариотических микроорганизмов на спав и липазу. Щелочные протеиназы рода Bacillus. Методика выделения, изучение свойств концентрированного ферментного препарата и порядок его применения в процессе обезжиривания меховой овчины.
дипломная работа [169,7 K], добавлен 27.11.2010Характеристика зависимости биологических свойств активированной воды от вещества матрицы. Анализ долгосрочного сохранения памяти о проведенной активации водного вещества после ее кипячения. Факторы, определяющие макроструктурные преобразования кипятка.
контрольная работа [509,5 K], добавлен 24.01.2018Изучение особенностей герпетофауны Новосибирской области. Предубежденное отношение людей к амфибиям и рептилиям. Места обитания представителей класса Пресмыкающиеся: прыткой и живородящей ящериц, узорчатого полоза, обыкновенного ужа, щитомордника, гадюки.
презентация [1,5 M], добавлен 21.12.2013Обзор классификации, свойств и биологической роли витаминов, анализ их основных природных источников и антагонистов. Изучение липидов, процесса брожения и его типов. Характеристика физико-химических свойств белков и уровней организации белковых молекул.
шпаргалка [53,8 K], добавлен 16.05.2010Понятие ареала, его значение в процессе интродукции растений и экономическая эффективность внедрения. Эколого-биологические основы акклиматизации древесных растений в Республике Беларусь. Комплексный анализ интродуцентов и экзотов Пружанского района.
курсовая работа [48,5 K], добавлен 09.07.2015Гидролиз жировых оболочек молока (прогоркание) - нарушение структуры под действием нативных и бактериальных липаз при хранении и транспортировке. Изменение структуры и свойств белков молока в процессе гомогенизации при механической и тепловой обработке.
реферат [19,2 K], добавлен 13.02.2012Характеристика биологических особенностей приматов, строение, питание и образ жизни представителей отряда, их охрана. Классификация современных приматов. Взаимоотношения в сообществах приматов, социальная кооперация и интеллектуальные особенности.
курсовая работа [3,0 M], добавлен 14.07.2012Характеристика и природа важнейших механических свойств биологических тканей, благодаря которым осуществляются разнообразные механические явления. Структура кожи и особенности ее механических свойств. Эластические и химические свойства сосудов, крови.
реферат [29,1 K], добавлен 18.01.2010