CC BY
57
12 1 3
М.В. Якутии ’ , А.Г. Шарикалов , А.И. Шепелев 1СГГА, Новосибирск 2ИПА СО РАН, Новосибирск 3СурГу ХМАО-Югры, Сугрут
БИОМАССА ПОЧВЕННЫХ МИКРООРГАНИЗМОВ В МОНИТОРИНГЕ ЭКОСИСТЕМ СЕВЕРНОЙ ТАЙГИ, НАРУШЕННЫХ В ПРОЦЕССЕ ГАЗОДОБЫЧИ
Оценивается возможность использования современных почвенно-микробиологических показателей для целей мониторинга экосистем северной тайги, нарушенных в результате газодобычи.
M.V. Yakutin1’2 A.G. Sharikalovl’ A.I. Shepelev3 1Siberian State Academy of Geodesy (SSGA)
10 Plakhotnogo St., Novosibirsk, 630108, Russian Federation 2Institute of Soil Science and Agrochemistry (ISSA)
18 Sovetskaya St., Novosibirsk, 630099, Russian Federation 3Surgut State University (SurSU)
14 Energeticov St., Surgut, 628400, Russian Federation
BIOMASS OF SOIL MICROORGANISMS IN MONITORING OF NORTHERN TAIGA ECOSYSTEMS DISTURBED DURING OF GAS RECOVERY
The possibility of using of modern soil-microbial parameters for the purposes of ecosystem's monitoring of northern taiga disturbed in outcome during of gas recovery estimates.
Таежно-лесная зона занимает большую часть бореального пояса. Наиболее распространенными здесь являются почвы подзолистого ряда, образующиеся в результате развития подзолообразовательного процесса [1].
Отмирающие части древесной и мохово-лишайниковой таежной растительности накапливаются преимущественно на поверхности почвы в виде лесной подстилки. При этом в северной тайге возраст подстилок и, соответственно, время их обновления составляет сотни лет [2].
Специфические почвенно-климатические условия и характер растительного опада накладывают свой отпечаток на характер микробного населения подзолистых почв и на особенности деструкционных процессов. Основными факторами, обуславливающими интенсивность
микробиологических процессов, являются влажность и температура, причем, в сильноподзолистых почвах высокая влажность является стимулирующим фактором, а низкие температуры фактором лимитирующим [3]. В развитии микробиологических процессов также важную роль играют низкие значения окислительно-восстановительного потенциала, высокое содержание бактерицидных веществ в растительном опаде, бедность почв доступным органическим веществом [4] и постоянный дефицит элементов зольного питания [5].
Практически все микробное население подзолистых почв сосредоточено в верхнем 30-35-сантиметровом слое. Подавляющее большинство
микроорганизмов обитает в лесной подстилке (А0) и в горизонте А1, а в подзолистом горизонте численность микроорганизмов резко снижена. Автохтонная бактериальная флора сильноподзолистых почв характеризуется выраженной психрофильностью. Среди бактерий преобладают олигонитрофилы. Основная масса грибов сосредоточена в слое 0-15 см. Грибы представлены как мезофильными, так и психрофильными формами. Актиномицеты и споровые бактерии находятся в активном состоянии лишь при температуре +8 оС. Заметная дыхательная активность отмечается только до глубины 35 см, а наибольшая дыхательная активность отмечается в подстилке [3, 6, 7, 8]. Причем основным фактором, определяющим интенсивность выделения СО2 из почвы, является температура [9]. Вследствие пониженной биологической активности в подзолистых почвах глубокого распада растительных остатков не происходит [2].
Масса микроорганизмов в таежных экосистемах представлена в основном грибным мицелием. Доля биомассы микромицетов, как правило, составляет более 90 % от общей микробной биомассы [10, 11, 12, 13]. При этом соотношение грибов и бактерий в общей биомассе меняется по сезонам года: наибольшая доля грибов отмечается летом. Весной, когда почвы были обеспечены достаточным количеством легкомобилизуемого воднорастворимого органического вещества, в биомассе преобладали бактерии [5, 14]. В исследованиях, выполненных в подзолисто-глеевых оторфованных почвах, показано, что масса грибного мицелия увеличивается от весны к лету в 3-4 раза, а от лета к осени - в 2-6 раз [15]. Пик численности микроорганизмов в подзолистых почвах (чашечный метод) отмечается ранним летом, к осени численность микроорганизмов постепенно снижается [6].
Почвообразующие породы в таежной зоне Западной Сибири выходят на дневную поверхность в настоящее время в основном благодаря хозяйственной деятельности человека. Высокая степень заболоченности территории делает необходимой отсыпку грунтом оснований кустовых площадок, дорожных дамб и других объектов. Для добычи грунта (песка) на территориях месторождений разрабатываются карьеры, которые после окончания отсыпки забрасываются. Отсыпанные поверхности и заброшенные карьеры являются объектами, на которых начинается первичная сукцессия с образованием новых биологических сообществ зонального ряда. На новообразованных местообитаниях возобновление древесных пород наблюдается на том же уровне, что и под пологом леса, но в среднем менее обильно, чем на нарушенных местообитаниях суходольных лесов. В составе древостоев доминируют осина и береза [16].
Первичные лесные сукцессии на кварцевых песках изучены к настоящему времени достаточно хорошо, и все авторы сходятся во мнении, что такие сукцессии имеют долгосрочный характер, постепенно происходит увеличение биомассы экосистемы в целом и накопление запасов почвенного органического вещества. Длительность первичной сукцессии, например, в условиях Подмосковья оценивается в 650-950 лет [17], в условиях лесной зоны Урала -более 200 лет [18], а в окрестностях Великих озер США - примерно 300 лет (145-400) [19].
Цель данной работы состояла в оценки применимости почвенномикробиологических показателей в мониторинге экосистем северной тайги, нарушенных в процессе газодобычи. Нарушения сводились к вырубке леса или к засыпанию песком низинного болота.
Исследования были проведены на севере Западно-Сибирской равнины в Ямало-Ненецком автономном округе в окрестностях г. Тарко-Сале. Рельеф территории представляет собой плоскую, полого-наклонную, озерноледниковую равнину с абсолютными высотами от 30-50 м в долинах рек и до 70 м на водоразделах. Для равнины характерен небольшой эрозионный врез, слабый дренаж и очень сильная заболоченность и заозеренность поверхности.
Территория Ханчейского лицензионного участка, выбранного в качестве объекта для исследования экосистем, находящихся под сильным антропогенным воздействием, в соответствии с почвенно-географическим районированием относится к Обско-Пуровской провинции глеево-слабоподзолистых и подзолистых иллювиально-гумусовых почв. Болотные почвы в структуре почвенного покрова составляют около 50 % [20].
Определяющую роль в функционировании лесной почвы хвойного леса играет лесная подстилка. Она является основным источником углекислого газа: 30-40 % СО2 выделяется из подгоризонта Ь и 58-68 % - из подгоризонтов Б+И. Выделение СО2 из стабильного гумуса оценивается примерно в 12 %. Но опад в хвойных лесах содержит только 0,31-0,78 % азота и 0,7-1,4 % золы. И поэтому только 5-6 % доступного азота поступает в экосистему из опада, а 20 % - из стабильного гумуса [17].
Становится очевидной сложность первых этапов развития молодых лесных экосистем на низкоуглеродных почвообразующих породах, если даже в 20летних сосняках слой подстилки может вообще отсутствовать [17]. Начало формирования подстилки на поверхности самозарастающих отвалов на Северном Урале отмечается только на 17-м году развития формирования экосистемы [21]. При этом показано, что скорость разложения опада на поверхности молодых почв высокая, что препятствует образованию больших запасов подстилки [22]. По некоторым расчетам время необходимое для образования массы подстилки, соответствующей зональной, составляет примерно 80-100 лет [18].
Микробная биомасса является важнейшим функциональным агентом молодой почвы, определяя ее развитие. Чем больше масса микроорганизмов, тем активнее идет процесс формирования почвы [23]. Особенно велика роль биомассы микроорганизмов в процессах фиксации и последующей мобилизации атмосферного азота, который после лизиса микробных клеток становится доступным растениям [24]. Жизнедеятельность почвенных микроорганизмов-деструкторов связана с окислением связанного углерода до СО2. Количество продуцированной при этом углекислоты зависит от количества организмов и интенсивности обменных процессов. Показана сильная корреляционная связь дыхательной активности с влажностью почвы, осадками, численностью и биомассой почвенных микроорганизмов, содержанием органического С и N [25, 26, 27, 28].
При изучении первичных сукцессий в почвах Финляндии
продемонстрировано постепенное увеличением биомассы почвенных
микроорганизмов и базального дыхания с возрастом молодой экосистемы [29], что связывается авторами с увеличением содержания органического вещества в почве.
Метаболический коэффициент - показатель удельной активности
сообщества почвенных микроорганизмов (выделение СО2 на единицу биомассы). В проведенных к настоящему времени исследованиях в различных развивающихся экосистемах установлена четкая закономерность: метаболический коэффициент снижается с увеличением степени зрелости экосистемы [30, 31].
Резкие различия ненарушенных таежных и болотных экосистем с одной стороны и их антропогенно трансформированных аналогов с другой стороны делает возможным использование по ряду почвенно-микробиологических показателей делает возможным использование этих показателей (биомасса почвенных микроорганизмов, дыхательная активность и метаболический коэффициент) в мониторинге экосистем северной тайги нарушенных в результате газодобычи.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Почвоведение / [под ред. И.С. Кауричева]. - М.: Колос, 1975. - 496 с.
2. Элементарные почвенные процессы: Опыт концептуального анализа,
характеристика, систематика / Н.А. Караваева, В.О. Таргульян, А.Е. Черкинский [и др.] ; отв. ред. Н.А. Караваева, С.В. Зонн. - М.: Наука, 1992. - 184 с.
3. Чайка, В.Е. Биологическая активность сильноподзолистых почв средней тайги / В.Е. Чайка. - Сыктывкар, 1970. - 22 с.
4. Клевенская, И.Л. Микрофлора почв Западной Сибири / И.Л. Клевенская, Н.Н. Наплекова, Н.И. Гантимурова. - Новосибирск: Наука, Сиб. отд-ние, 1970. - 222 с.
5. Аристовская, Т.В. Микробиология подзолистых почв / Т.В. Аристовская. - М.-Л.: Наука, 1965. - 187 с.
6. Стенина, Т.А. Микрофлора подзолистых почв северо-востока европейской части СССР / Т.А. Стенина // Современные процессы в подзолистых почвах северо-востока европейской части СССР. - Л.: Наука, Ленингр. отд-ние.
7. Fritze, H. Distribution of microbial biomass and phospholipid fatty acids in Podzol profiles under coniferous forest / H. Fritze, J. Pietikainen, T. Pennanen // European J. Soil Sci. - 2000. - V. 51. - P. 565-573.
8. Сорокина, О.А. Влияние сосняков разного возраста на биологическую активность залежных почв Среднего Приангарья / О.А. Сорокина, Н.Д. Сорокин // Почвоведение. - 2007. -№ 5. - С. 627-634.
9. Сапронов, Д.В. Многолетняя динамика эмиссии СО2 из серых лесных и дерновоподзолистых почв : автореф. дисс. ... канд. биол. наук : 03.00.27 / Сапронов Дмитрий Васильевич ; МГУ им. М.В. Ломоносова. - Пущино, 2008. - 20 с.
10. Полянская, Л.М. Микробная биомасса в почвах / Л.М. Полянская, А.В. Головченко, Д.Г. Звягинцев // Докл. Акад. наук. - 1995. - Т. 344, № 6. - С. 846-848.
11. Регуляторная роль почвы в функционировании таежных экосистем / Г.В. Добровольский, С.Я. Трофимов, Н.Ю. Гончарук [ и др.] ; Отв. ред. Г.В. Добровольский. - М.: Наука, 2002. - 364 с.
12. Фомичева, О.А. Численность и биомасса почвенных микроорганизмов в коренных старовозрастных северо-таежных еловых лесах / О.А. Фомичева, Л.М. Полянская, В.В.
Никонов, Н.В. Лукина, М.А. Орлова, Л.Г. Исаева, Д.Г. Звягинцев // Почвоведение. - 2006. -№ 12. - С. 1469-1478.
13. Никонов, В.В. Численность и биомасса почвенных микроорганизмов северотаежных сосновых лесов при пирогенной сукцессии / В.В. Никонов, Н.В. Лукина, Л.М. Полянская, О.А. Фомичева, Л.Г. Исаева, Д.Г. Звягинцев // Почвоведение. - 2006. - № 4. - С. 484-494.
14. Никитина, З.И. Микробиологический мониторинг наземных экосистем / З.И. Никитина. - Новосибирск: Наука, Сиб. отд-ние, 1991. - 222 с.
15. Головченко, А.В. Сезонная динамика численности и биомассы микроорганизмов по профилю почвы / А.В. Головченко, Л.М. Полянская // Почвоведение - 1996. - № 10. - С. 1227-1233.
16. Васильев, С.В. Воздействие нефтегазодобывающей промышленности на лесные и болотные экосистемы / С.В. Васильев. - Новосибирск: Наука, Сиб. предприятие РАН, 1998. -136 с.
17. Моделирование динамики органического вещества в лесных экосистемах / [отв. ред. В.Н. Кудеяров]. - М.: Наука, 2007. - 380 с.
18. Махонина, Г.И. Экологические аспекты почвообразования в техногенных экосистемах Урала / Г.И. Махонина. - Екатеринбург: Изд-во Урал. ун-та, 2003. - 356 с.
19. Lichter, J. Primary succession and forest development on coastal Lake Michigan sand dunes / J. Lichter // Ecol. Monographs. - 1998. - V. 68. - P. 487-510.
20. Обустройство конденсатного промысла Восточно-Таркосалинского и Ханчейского
месторождений. Ханчейское месторождение. Кн. 4. / Производственно-техническая
документация ООО «НОВАТЭК-ТАРКОСАЛЕНЕФТЕГАЗ». - 46 с.
21. Ужегова, И.А. Начальные процессы почвообразования на отвалах Полуночного и Высокогорского железорудных месторождений / И.А. Ужегова, Г.И. Махонина // Почвообразование в антропогенных условиях. - Свердловск: Изд-во Урал. ун-та, 1981. - С. 60-70.
22. Таранов, С.А. Особенности почвообразования в техногенных ландшафтах Кузбасса / С.А. Таранов // Восстановление техногенных ландшафтов Сибири (теория и технология). -Новосибирск: Наука, Сиб. отд-ние, 1977. - С. 81-105.
23. Экология и рекультивация техногенных ландшафтов / И.М. Гаджиев, В.М. Курачев, Ф.К. Рагим-заде [и др.] - Новосибирск: Наука, Сиб. отд-ние, 1992. - 305 с.
24. Титлянова, А.А. Режимы биологического круговорота / А.А. Титлянова, М. Тесаржова. - Новосибирск: Наука, Сиб. отд-ние, 1991. - 150 с.
25. Dkhar, M.S. Microbial population, fungal biomass and CO2 evolution in maize (Zea mays L.) field soils / M.S. Dkhar, R.R. Mishra // Plant and Soil. - 1987. - V. 99. - P. 277-283.
26. Иванникова, Л.А. Суточная и сезонная динамика выделения СО2 серой лесной почвой / Л.А. Иванникова, Н.А. Семенова // Почвоведение. - 1988. - № 1. - С. 134-139.
27. Kale, S.P. Relationship between microbial numbers and other microbial indices in soil / S.P. Kale, K. Raghu // Bull. Environ. Contam. and Toxicol. - 1989. - V. 43. - P. 941-945.
28. Kursar, T.A. Evaluation of soil respiration and soil CO2 concentration in a lowland moist forest in Panama / T.A. Kursar // Plant and Soil. - 1989. - V. 113. - P. 21-29.
29. Aikio, S. Soil microbial activity and biomass in primary succession of a dry heath forest /
S. Aikio, H. Vare, R. Strommer // Soil Biol. Biochem. - 2000. - V. 32. - P. 1091-1100.
30. Insam, H. Metabolic quotient of the soil microflora in relation to plant succession / H. Insam, K. Haselwandter // Oecologia. - 1989. - V. 79. - P. 171-178.
31. Anderson, T.H. Application of eco-physiological quotients (qCO2 and qD) on microbial biomass from soils of different cropping histories / T.H. Anderson, K.H. Domsch // Soil Biol. Biochem. - 1990. - V. 22. - P. 251-255.
© М.В. Якутии, А.Г. Шарикалов, А.И. Шепелев 2010
