Агрохимия, 2023, № 2, стр. 54-61

ВВЕДЕНИЕ

Местообитание играет важную роль в жизни животных. Наличие подходящих условий, способствующих поддержанию здоровья, является важной функцией среды, в которой обитает то или иное животное. Использование зоопарков в качестве места для сохранения и разведения животных позволяет собрать на одной территории различные виды. Однако в естественной среде обитания отходы жизнедеятельности животных быстро разлагаются, чего нельзя сказать о местах, созданных искусственно, в результате деятельности человека. Состояние зоопарка, в первую очередь, характеризует то, в каких условиях содержатся животные. Одно из отличий от естественной среды заключается в том, что территория разделена на участки, ограниченные вольерами. Таким образом, площадь в разы меньше, чем ареалы обитания животных в естественных условиях. Второе отличие возникает в связи с ограничением пространства и заключается в соблюдении санитарных норм, от которых зависит безопасность находящихся в замкнутом пространстве животных. Фактором благоприятного прибывания как животных в своих вольерах, так и посетителей на территории зоопарка является удовлетворение потребностей и тех и других. Кроме того, санитарно-эпидемиологическая обстановка играет ключевую роль в функционировании зоопарка, т.к. гарантирует безопасность от патогенных микроорганизмов и гельминтов для всех, кто находится в пределах данной территории [1].

В ходе длительного проживания на ограниченной территории животные, так или иначе, вносят свой вклад в формирование новой среды обитания. Их образ жизни, уровень физической активности, предпочтения в пище сказываются на состоянии почвы участков. Несмотря на то что отходы жизнедеятельности регулярно убирают сотрудники зоопарка, в почве все же происходит накопление биогенных веществ. Совокупность факторов приводит к нарушению равновесия и развитию патогенной микрофлоры. Опасность данной ситуации заключается в том, что некоторые патогенные микроорганизмы могут сохранять свою вирулентность в течение длительного срока, а иногда десятилетиями [2].

Важным компонентом среды, нуждающимся в диагностике в данных условиях, является почва, выполняющая ряд экологических функций, обеспечивающих условия жизни животных, непосредственно контактирующих с ней. Актуальность исследований заключается в изучении влияния животных на почвенный компонент среды обитания и способности почв к разложению органических веществ животного происхождения [3, 4].

Органический углерод занимает ведущую роль в глобальных изменениях природной среды, которые затрагивают процессы биогеохимического цикла углерода, основанного на постоянном взаимодействии противоположных процессов синтеза и биодеструкции [5, 6]. Кроме того, органический углерод является одним из важнейших показателей почвенного плодородия и устойчивости почв к деградации [7–9]. Участие органического вещества в транспорте гидрофобных органических соединений обеспечивает буферность почв и мобильность микроэлементов, поддерживая экосистемные функции и целостность. Поэтому оценка содержания органического вещества является первостепенным показателем качества почвы [10, 11].

Биологическая активность почв основана на осуществлении процессов разложения и синтеза веществ. В качестве одного из общих показателей биологической активности почв часто используют дыхание почв – выделение углекислого газа и поглощение кислорода почвой [12–16]. Интенсивность эмиссии углекислого газа из почвы характеризует активность происходящих в ней биологических процессов. При этом, чем интенсивнее эмиссия, тем активнее происходят в ней биологические процессы, а значит, лучше условия. Оценка активности почвенного дыхания является одним из первых показателей качества почвы [17, 18].

Территория зоопарка, расположенного в центре города Ростова-на-Дону, достаточно обширна (57 га), что позволяет расположить большое количество вольеров. Результаты ранее проведенных исследований экологического состояния этих почв с использованием методов биодиагностики и биоиндикации представлены в ряде научных работ. Ранее проведенные исследования подтвердили наличие биогенного загрязнения, которое затрагивает активность биологических циклов – азота, фосфора и углерода [19–23].

В ходе исследований 2019–2022 гг. была проведена серия модельных опытов по мелиорации почв вольеров Ростовского зоопарка. Цель работы – подбор оптимального по составу и действию мелиорирующего вещества, способствующего как улучшению водно-физических свойств почв, так и повышению их биологической активности, влияющей на способность почв к самоочищению.

Проведение модельных исследований было направленно на поддержание способности почв к самоочищению без вреда для животных. Подбор мелиорирующих веществ осуществляли с опорой на предыдущие исследования в данной области. Анализ литературы показал, что длительное применение органических и минеральных удобрений приводило к снижению содержания органического углерода в почвах. Чтобы уменьшить потери, использовали различные методы мелиорации, направленные на стабилизацию органического вещества почв [24, 25]. Применение мелиорантов и биопрепаратов для повышения плодородия и улучшения экологического состояния почв также актуально в условиях деградации почв [26–29]. Внесение в почву нетрадиционных удобрений (древесных отходов и опилок) является эффективным приемом улучшения почвообразовательных процессов, повышающим плодородие грунтов, а также обогащающим почву необходимыми для хорошего роста и развития растений микроэлементами [30, 31]. Использование древесных опилок считается рентабельным и экологичным способом. Деревообрабатывающие предприятия часто отдают опилки бесплатно (на условиях самовывоза с территории предприятия). При сравнительно простых манипуляциях можно за 3–4 мес. получить эффективное органическое удобрение. Внесение компостов на основе опилок в почву позволяет снизить ее плотность. При этом происходит разрыхление почвы, насыщение кислородом, повышается водопроницаемость [32].

Улучшение способности почв к биодеструкции отходов животного происхождения исключает возможность развития патогенной микрофлоры, а также способствует устранению неприятных запахов на территории, что повышает качество среды для животных и посетителей зоопарка.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Объектом исследования были почвы территории Ростовского-на-Дону зоопарка, представленные черноземом обыкновенным карбонатным. Почва для модельных экспериментов взята из вольеров, в которых содержатся благородные олени (Cervus canadensis sibiricus) и буйволы Арни (Bubalus bubalis arnee). Площадь вольера с благородными оленями – 1190 м², вольера с буйволами Арни – 280 м². Продолжительное пребывание животных на участке, а также количество особей на 1 м² сильно сказывается на видоизменении территории. Исследованные вольеры отличались выраженной пастбищной дигрессией, а также были загрязнены отходами жизнедеятельности животных. В обоих вольерах полностью отсутствовали травянистые растения. По шкале пастбищной дигрессии (степень от 1 до 10) участок с оленями оценен как 9-балльный сбой (интенсивность сбоя травяного покрова травоядными животными). Доля территории, покрытая растительностью, составляла 5%. Участок с буйволами по шкале пастбищной дигрессии оценен как 10-балльный абсолютный сбой. Нагрузка в вольере с оленями составляла 0.36 кг/м², в вольере с буйволами – 5.5 кг/м². Значительное внесение органических веществ приходилось на вольер с буйволами (≈97.8 кг/м²/год).

Исследование проходило в несколько этапов. Целью первого этапа была оценка экологического состояния почвы разных участков зоопарка и подбор оптимального по составу и действию мелиорирующего вещества. Для этого в контейнеры объемом 1 л помещали почвы из вольера с благородными оленями, а в качестве агентов, влияющих на разложение отходов животных и улучшающих эколого-биологическое состояние почвы, использовали гидрогель “Акватерра”, биопрепарат “Тамир”, древесные опилки и глауконитовый песок (табл. 1). Опыт проводили в трехкратной повторности (21 контейнер). Сроки инкубации – 20 сут с момента закладки опыта.

Второй модельный опыт проводили с целью установки концентрации мелиорирующего вещества, необходимой для внесения в почву. В контейнеры объемом 1 л, помещали почву из вольера буйволов, а в качестве агентов, влияющих на разложение отходов животных и улучшение эколого-биологического состояния почвы, использовали древесные опилки (липа) и глауконитовый песок (табл. 2). Опыт проводили в девятикратной повторности (63 контейнера). Сроки инкубации – 6 мес. с момента закладки опыта.

Проведение модельного опыта 3 было необходимо для оценки и сравнения между собой действия органических, синтетических и минеральных добавок. В контейнеры объемом 1.5 л помещали почвы из вольера буйволов, а в качестве агентов, влияющих на разложение отходов животных и улучшающих эколого-биологического состояния почвы, использовали органические и минеральные вещества, биопрепараты, биоуголь и синтетический регулятор влажности (табл. 3). Опыт проводили в трехкратной повторности (21 контейнер). Сроки инкубации – 3 мес. с момента закладки опыта.

Различие сроков инкубации в модельных опытах было обусловлено в опыте 1 (20 сут) – выбором нескольких добавок и изучением их влияния; в опыте 2 (6 мес.) – изучением влияния древесных опилок в динамике, что позволило отметить время от внесения и начала действия добавки до полного разложения и снижения эффекта; в опыте 3 (3 мес.) – ранее полученной информацией о снижении действия добавок после 3-х мес. инкубации.

Одним из самых чувствительных показателей биологической активности почв является интенсивность выделения углекислого газа. Интенсивность эмиссии углекислого газа почвами (мг/м²/сут) измеряли при помощи газоанализатора ПГА-7 каждую неделю. Срок инкубации замкнутого контейнера с почвой перед анализом составлял 1–2 ч. Содержание органического углерода оценивали по окислению органического вещества почвы хромовой смесью при температуре 150°С по методу Тюрина в модификации Никитина с колориметрическим окончанием на спектрофотометре UNICO 1201 [33].

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

По результатам первого модельного опыта было установлено, что оптимальным по составу и действию мелиорирующим веществом были древесные опилки в количестве 5% от массы почвы (рис. 1). Почвенная эмиссия углекислого газа при внесении древесных опилок достоверно отличалась от контроля. Внесение глауконитового песка и гидрогеля “Акватерра” сопровождалось снижением эмиссии углекислого газа. Совместное применение опилок и препарата “Тамир” оказало большее действие на эмиссию углекислого газа, чем влияние одного лишь биопрепарата. Это подтвердили достоверно различающиеся показатели.

Рис. 1.

Эмиссия СО₂, мг/ м²: 1 – парковая зона зоопарка, 2 – контроль, вольер с благородными оленями (Cervus canadensis sibiricus), 3 – глауконитовый песок, 4 – древесные опилки, 5 – биопрепарат “Тамир”, 6 – гидрогель “Акватерра”, 7 – древесные опилки + биопрепарат “Тамир”.

Анализ фоновых величин эмиссии углекислого газа парковой зоны зоопарка и вольерного участка показал достоверные различия, которые были связаны с накоплением биогенных веществ в почвах вольерного участка. Было отмечено, что интенсивность эмиссии углекислого газа зависела от природы внесенного вещества. Глауконитовый песок оказал разбавляющий эффект, который положительно влиял на физические свойства почвы, однако снижал ее биологическую активность. Поглощение воды гидрогелем негативно повлияло на влажность почвы, что неминуемо сказалось и на эмиссии углекислого газа, которая тесно коррелировала с данным показателем.

Во втором модельном опыте было выявлено, что древесные опилки в количестве 5 и 10% от массы почв были эффективными (рис. 2). В варианте с 5%-ным внесением опилок максимальная эмиссия углекислого газа отмечена на 30-е сут, а с 10%-ным – на 38-е сут. Внесение песка в количестве 10% отрицательно сказалось на эмиссии углекислого газа. Внесение опилок в дозах 1.0 и 2.5% не существенно повысило эмиссию углекислого газа. Выделение углекислого газа зависело от количества органического углерода почвы и древесных опилок. Об этом свидетельствовала динамика интенсивности эмиссии углекислого газа, которую фиксировали в течение полугода. По завершении модельного опыта почвенное дыхание вернулось к начальному уровню во всех экспериментальных вариантах, что показало прекращение стимулирования биологической активности почвы внесенными опилками, которые к этому времени полностью минерализовались.

Рис. 2.

Эмиссия СО₂, мг/м²: 1 – контроль, вольер с буйволами Арни (Bubalus bubalis arnee), 2 – песок 10%, 3 – опилки 1%, 4 – опилки 2.5%, 5 – опилки 5%, 6 – опилки 10%.

Через 3 мес. после начала второго модельного опыта содержание органического углерода в варианте с внесением песка уменьшилось на 10% относительно контроля, что было связано с разбавляющим фактором внесения балластного мелиоранта без органического углерода (рис. 3). Среди исследованных вариантов древесные опилки, внесенные в дозе 10% от массы почвы, имели наибольшую эффективность. Полугодовой срок их действия подтвердил, что внесение в почву песка снижало содержание органического углерода. Внесение песка производили в вольерах с крупными животными. Данную процедуру проводили с целью улучшения водно-физических свойств почв. С точки зрения биологической активности внесение песка приводило к отрицательному влиянию – снижению эмиссии углекислого газа и биохимических показателей, что свидетельствовало об ухудшении способности почвы к самоочищению. Использование песка также не рекомендовали по причине высокой теплопроводности. В летнее время под открытым небом это может доставлять дискомфорт животным из-за высокой температуры так же, как и в холодное время года из-за низкой. В качестве альтернативы рекомендовали древесные опилки. Их способность медленнее проводить тепло позволило поддерживать комфортную для животных температуру почвенного покрова в любое время года.

Рис. 3.

Содержание органического углерода в почве, %: 1 – контроль, вольер с буйволами Арни (Bubalus bubalis arnee), 2 – песок 10%, 3 – опилки 1%, 4 – опилки 2.5%, 5 – опилки 5%, 6 – опилки 10%.

В третьем модельном опыте органические вещества (древесные опилки, солома, листовой опад, хвоя, торф, лузга, уголь) больше стимулировали эмиссию углекислого газа по сравнению с минеральными адсорбентами (глауконитовым песком, диатомитом, вермикулитом, агроперлитом, цеолитом), которые способствовали снижению содержания органического углерода в почве (рис. 4). По завершении эксперимента органические мелиоранты не были обнаружены в почве. Причиной была их полная трансформация: часть углерода минерализовалась до углекислого газа.

Рис. 4.

Динамика эмиссии углекислого газа почвой при внесении различных групп веществ, %: 1 – органические вещества, 2 – неорганические вещества, 3 – биопрепараты, 4 – биоуголь, 5 – гидрогель.

Оценка действия различных групп веществ на способность почвы к биодеструкции и, в дальнейшем, как следствие, регуляции самоочищения позволяет из множества вариантов выбрать тот, который будет удовлетворять критериям доступности и качества. Применение веществ органической природы целесообразно в условиях зоопарка, т.к. в первую очередь является безопасным и для животных, и для посетителей. Кроме того, внесение углеродсодержащих веществ повышает микробиологическую активность, которая отвечает за биохимические процессы, связанные с дыханием почвы и балансом органического углерода.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведение серии модельных экспериментов позволило подобрать оптимальное по составу и действию мелиорирующее вещество, которое способствовало повышению биологической активности почв. В 2-х модельных экспериментах внесение древесных опилок в количестве 5 и 10% от массы почвы достоверно повлияло как на почвенное дыхание, так и на способность почв к самоочищению. В ходе 3-го модельного эксперимента было обнаружено, что органические вещества оказывали положительное влияние на эмиссию углекислого газа. Микробиологические препараты не повлияли на содержание общего углерода. Исключением было совместное действие биопрепаратов и органических веществ (опилок, соломы). Установлено, что внесение песка снижало содержание органического углерода. Результаты эмиссии углекислого газа показали, что мелиоранты органического происхождения обеспечивали почву дополнительным источником углерода, который повышал микробиологическую активность, улучшая тем самым самоочищение почв вольеров от загрязняющих их продуктов метаболизма животных.