Агрохимия, 2019, № 4, стр. 23-30

ВВЕДЕНИЕ

Кабардино-Балкария, являющаяся преимущественно аграрной республикой, расположена на северных склонах Центрального Кавказа и занимает небольшую территорию площадью всего 12 470 км² с перепадом высоты местности от 150 до 5642 м над уровнем моря. Сельское хозяйство в республике ведется в условиях сложного рельефа и разнообразных природных ландшафтов с несхожими биоклиматическими условиями [1–5]. В соответствии с природно-хозяйственными признаками территория республики делится на 3 агроэкологические зоны – степную (равнинную), предгорную и горную, которые различаются по климату, растительному и почвенному покрову [6]. Наибольшему антропогенному воздействию подвергаются равнинная и предгорная зоны, значительные пространства которых лишились естественного облика вследствие интенсивного ведения сельскохозяйственного производства.

Несмотря на пересеченность рельефа, в сельскохозяйственное использование вовлечена достаточно большая площадь земель, составляющая ≈60% всей территории республики, в том числе под пашню занято 43% [6]. Агрогенные почвы используют под высокопродуктивное зерновое хозяйство, а также для выращивания маслично-технических, овощных и плодовых культур. Известно [2, 3, 7–18], что вовлечение почв в активное агроиспользование оказывает негативное воздействие на их физические, химические и биологические свойства, что в свою очередь вызывает развитие деградационных процессов, приводящих к нарушению экологических функций почв и снижению уровня их естественного плодородия.

Настоящая работа является частью цикла научных исследований, направленных на изучение биологической активности наиболее распространенных типов почв равнинно-предгорных территорий Кабардино-Балкарии, подверженных длительному (более 70 лет) сельскохозяйственному воздействию [19–21].

В научной литературе довольно подробно освещены вопросы, касающиеся морфологических, физических и агрохимических свойств горных почв республики [1–3]. Исследования биологических характеристик почв, в частности горных серых лесных, распространенных на предгорных территориях, до настоящего времени не проводили. Диагностирование биологических параметров позволяет установить общий уровень биологической активности пахотных и целинных горных почв и сделать определенные выводы о степени устойчивости почв к действию антропогенных нагрузок.

При оценке биологической активности весьма перспективным представляется определение таких информативных параметров, как содержание гумуса, физиологическая активность микробной биомассы и активность ферментов 2-х классов: гидролаз (инвертазы, фосфатазы, уреазы) и оксидоредуктаз (дегидрогеназы, каталазы) [7–10, 14–21]. Определить общий уровень биологической активности обрабатываемых и естественных горных серых лесных почв и оценить степень влияния агротехнических мероприятий на их биологические свойства позволяет расчет интегрального показателя эколого-биологического состояния почвы (ИПЭБСП), выполняемый на основе совокупности полученных данных [9–12].

Цель работы – сравнительная оценка показателей и общего уровня биологической активности верхних горизонтов (0–20 см) горных серых лесных почв агроценозов и естественных биогеоценозов северного макросклона Центрального Кавказа (терский вариант поясности в пределах Кабардино-Балкарии).

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Объектом исследования являлись горные серые лесные почвы, сформированные на предгорных территориях юго-восточной части Кабардино-Балкарии. Район исследований охватывает часть пояса широколиственных лесов терского варианта поясности (500–1700 м над уровнем моря). Площадь, которую занимают горные серые лесные почвы, составляет 748 км² [3].

В соответствии с классификацией высотно-поясной структуры ландшафтов Кавказа, разработанной Темботовым [4], в пределах Кабардино-Балкарии выделены 2 варианта поясности – терский и эльбрусский (рис. 1). Эльбрусский вариант характеризуется относительно сухим и холодным климатом и отсутствием лесного пояса. В более влажном и теплом климате терского варианта пояс широколиственных лесов с широко распространенными горными серыми лесными почвами хорошо выражен.

Рис. 1.

Карта-схема района исследования горных серых лесных почв терского варианта поясности в пределах Кабардино-Балкарии.

Основные массивы исследованных почв расположены на отрогах Мелового хребта на покатых, сильнопокатых и крутых склонах различной крутизны и экспозиции под широколиственными лесами и послелесными лугами [1–3]. Почвообразующими породами являются третичные осадочные отложения (известняки, песчаники, глины, мергели) [2, 3].

Район исследования характеризуется умеренно влажным климатом с теплым летом и прохладной зимой. Среднегодовое количество осадков достигает 750–800 мм, среднегодовая температура воздуха меняется в пределах от 8.5°С до 10.0°С, гидротермический коэффициент равен 1.1–1.3 [22].

Горные серые лесные почвы сформировались под буково-грабово-дубовыми лесами. Естественный растительный покров безлесных склонов и предгорных равнин представлен разнотравно-злаковыми сообществами. На выровненных участках рельефа описываемые почвы, обладающие благоприятными агрофизическими и агрохимическими свойствами [1–3], используют под пахотные угодья, многолетние насаждения, пастбища и сенокосы. В последние десятилетия пахотные земли в республике эксплуатируются в основном мелкими товаропроизводителями на условиях краткосрочной аренды. В создавшихся экономических условиях арендаторы не соблюдают должный уровень агротехники, не применяют рациональную систему севооборотов, не соблюдают нормы внесения органических и минеральных удобрений, что не может не сказываться на свойствах обрабатываемых почв.

Сбор и анализ почвенных образцов для определения физических и биологических свойств осуществляли общепринятыми в экологии и почвоведении методами [11, 23]. Почвы отбирали методом конверта в горизонте 0–20 см в естественных биогеоценозах и агроценозах (под посевами кукурузы) в 1-й декаде июля 2017 г., всего отобрано 7 смешанных проб. При определении местоположения точек отбора образцов использовали картографические материалы [5]. Высотные пределы точек отбора проб – 507–743 м над уровнем моря, координаты: 43°30′831″–43°39′116″ с.ш., 43°56′837″–44°10′861″ в.д. (рис. 1). Классификационная диагностика осуществлена согласно генетической классификации почв [24, 25].

Лабораторно-аналитические исследования выполняли в 3–6-кратной повторности. Содержание гумуса определяли методом Тюрина в модификации Никитина (%), ${\text{р }}{{{\text{Н }}}_{{{{{\text{Н }}}_{{\text{2}}}}{\text{О }}}}}$ – потенциометрическим методом, полевую влажность и плотность почв – весовым методом [23]. Запасы гумуса в слое 0–20 см рассчитывали, используя показатели плотности почв.

Для оценки физиологической активности микробной биомассы использовали методику определения скорости субстрат-индуцированного дыхания (СИД) [17, 26]. Скорость СИД оценивали по интенсивности дыхания микроорганизмов после обогащения почвы раствором глюкозы (0.2 мл/г сухой почвы; титр 0.05 г глюкозы). Содержание углерода микробной биомассы почвы определяли по формуле:

Запасы углерода микробной биомассы в слое 0–20 см установили, используя данные плотности сложения. Долю углерода микробной биомассы С_микр : С_орг (%) рассчитывали как отношение содержания углерода микробной биомассы к общему содержанию органического углерода в почве.

Активность ферментов – дегидрогеназы, инвертазы, фосфатазы и уреазы – определяли колориметрическим методом, каталазы – газометрическим методом по методикам Галстяна в модификации Хазиева [11]. Полученные биологические показатели оценивали по шкале Гапонюк–Малахова [27]. Расчет суммарной относительной ферментативной активности провели согласно методике Звягинцева [14].

Для сравнительной оценки общего уровня биологической активности естественных и пахотных горных серых лесных почв использовали методику расчета ИПЭБСП, позволяющую интегрировать относительные величины изученных показателей [10].

Статистическую обработку полученных данных осуществляли в программе Statistica 10.0. Достоверности различий изученных почвенных характеристик агро- и биогеоценозов оценивали с помощью t-критерия Стьюдента при уровне значимости ≤0.05.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Важным фактором почвенного плодородия, оказывающим определенное влияние на направленность почвенных процессов, в том числе и биологических, является реакция почвенного раствора. Полученные экспериментальные данные показали, что естественные горные серые лесные почвы в верхних гумусово-аккумулятивных горизонтах обладали слабокислой реакцией (табл. 1). Сельскохозяйственное использование вызвало некоторое подщелачивание почвенного раствора, однако различия в величие рН_Н2О для целинной и обрабатываемой почв (всего 11%) не были статистически значимыми (t = 1.74, Р = 0.12).

Одним из физических показателей, влияющих на активность биологических почвенных процессов, является плотность сложения. Средний показатель плотности пахотных горизонтов соответствовал уровню среднеуплотненной почвы [28] и существенно (на 34%) превосходил среднюю плотность верхних горизонтов естественных горных серых лесных почв (t = 8.99, Р = 0.00). Уплотнение пашни могло быть одной из причин ухудшения условий для развития и функционирования почвенных микроорганизмов.

Гумусовое состояние почв является определяющим для проявления активности большинства почвенных ферментов и интенсивности почвенного микробного дыхания [7–10, 15, 17]. В результате проведенного исследования выявлены существенные изменения в показателях содержания и запасов гумуса обрабатываемых почв. Анализ полученных данных (табл. 1) позволил отнести почвы естественных биогеоценозов к виду многогумусных, а их пахотные аналоги – к среднегумусным [24, 25]. Под влиянием агротехнических мероприятий содержание гумуса в пахотном горизонте значимо снизилось – на 53% (t = 6.67, Р = = 0.00) по сравнению с целинными почвами. Основной причиной дегумификации агрогенных почв следует считать активную минерализацию гумуса, проявлявшуюся при недостаточном внесении органических удобрений, что вело к неизбежной деградации обрабатываемых почв [8, 16].

В соответствии со шкалой оценки [29] запасы гумуса в верхнем горизонте (0–20 см) почв биогеоценозов характеризовались как средние. Пахотное использование исследованной почвы привело к статистически значимым потерям запасов гумуса – на 35% (t = 3.32, Р = 0.01). Наблюдаемое сокращение данного показателя до уровня низких запасов свидетельствовало о 2-й степени деградации обрабатываемых почв [29]. Полученные данные позволили утверждать, что агроиспользование оказывало на горные серые лесные почвы глубокое воздействие, что вело к существенному ухудшению их гумусового состояния.

Одним из чувствительных параметров, характеризующих изменение биологической активности пахотных почв, является показатель скорости СИД [17, 18, 26, 30–32]. Статистически значимое (t = 5.14, Р = 0.00) уменьшение интенсивности микробного дыхания указывало на снижение респираторной активности микробного сообщества в пахотном горизонте горных серых лесных почв (табл. 2).

Углерод микробной биомассы (С_микр) является наиболее подвижной и активной фракцией почвенного органического углерода [17]. Показатели содержания С_микр, рассчитанные на основе данных скорости СИД, позволили дать количественную характеристику микробного сообщества целинных и пахотных почв. В естественных условиях верхний горизонт почв демонстрировал высокий уровень содержания С_микр. Почвы, находящиеся в условиях интенсивного сельскохозяйственного использования, показали значительное снижение содержания С_микр – на 64% (t = 5.17, Р = 0.00) и его запасов – на 50% (t = 4.07, Р = 0.00). Изменение уровня описанных микробиологических параметров в горных серых лесных почвах агроценозов от высокого до среднего – показатель снижения потенциала микробного пула, произошедшего под влиянием агроэкологических факторов.

В качестве индикатора состояния почвенной микробной биомассы при различных антропогенных нагрузках принято использовать показатель доли углерода микробной биомассы в общем органическом углероде почвы (С_микр : С_орг). Установлено [17, 30], что соотношение С_микр : С_орг, как правило, находится в интервале от 1 до 10%, и чем выше этот показатель, тем устойчивее микробное сообщество. Выявленная тенденция к снижению данного параметра на 23% (t = 2.12, Р = 0.07) в пахотных горизонтах указывала на потерю наиболее ценной – живой части органического углерода почвы.

Биологическая активность почв в значительной степени определяется каталитической деятельностью почвенных ферментов. Литературные сведения [7–10, 14–16] и результаты проведенных авторами данной статьи ранее исследований [19, 21] показали, что при изучении изменений, происходящих в пахотных почвах, весьма эффективной является оценка активности ферментов класса гидролаз (фосфатазы, уреазы, инвертазы), участвующих в углеродном, азотном и фосфорном обмене, и оксидоредуктаз (дегидрогеназы, каталазы), активизирующих окислительно-восстановительные реакции трансформации органических веществ [7, 8].

Диаграмма, представленная на рис. 2, демонстрирует изменение уровня активности контролируемых почвенных ферментов в почвах агроценозов в сравнении с их естественными аналогами. Верхний горизонт естественных почв обладал средним уровнем активности гидролитических ферментов [27]. В пахотных почвах происходило уменьшение их активности от среднего до слабого уровня. Максимальное снижение было зафиксировано для уреазы (на 75%) и фосфатазы (на 78%), что позволило отметить наименьшую устойчивость данных ферментов к действию комплекса агрогенных факторов. Установленное различие активности другого гидролитического фермента – инвертазы (на 39%) в обрабатываемых и естественных почвах проявлялось не столь резко, как в случае уреазы и фосфатазы, но было также весьма существенным. Анализ показал статистически значимое снижение активности гидролитических ферментов: инвертазы (t = 4.13, Р = 0.003), фосфатазы (t = 2.73, Р = 0.03) и уреазы (t = 2.58, Р = 0.03).

Рис. 2.

Изменение средних величин активности ферментов верхнего горизонта (0–20 см) горных серых лесных почв в результате сельскохозяйственного использования. Активность фосфатазы выражена в мг Р₂О₅/100 г почвы/ч, уреазы – мг ${\text{NH}}_{3}^{--}$/10 г почвы/сут, инвертазы – мг глюкозы/г почвы/сут, дегидрогеназы – мг ТФФ/10 г почвы/сут, каталазы – мг О₂/г почвы/мин.

Суммарная относительная активность гидролаз агрогенных почв была на 64% меньше показателя естественных почв (рис. 3). Причиной заметного уменьшения деятельности гидролитических ферментов могла быть дегумификация пахотного горизонта. По мнению авторов работ [7–10, 15], именно гумусовое состояние в наибольшей степени обусловливает уровень активности ферментов данного класса.

Рис. 3.

Суммарная относительная активность гидролаз, оксидоредуктаз, ферментов двух классов и величины ИПЭБС горных серых лесных почв (горизонт 0–20 см).

Проявление каталитической деятельности оксидоредуктаз при агроиспользовании было иным. В верхнем горизонте целинных почв установлена очень слабая активность дегидрогеназы. При агрообработке почв происходило увеличение активности фермента, но различия между естественными и пахотными почвами не являлись статистически значимыми (t = 1.30, Р = 0.23), в обоих случаях дегидрогеназная активность находилась на очень слабом уровне.

Абсолютные величины каталазной активности почв под пашней соответствовали слабому уровню, что было на 31% меньше, чем в естественных почвах, которые характеризовались средней активностью фермента, однако статистически значимых различий между показателями этих почв не выявлено (t = 1.40, Р = 0.20). Суммарная относительная активность окислительно-восстановительных ферментов при сельскохозяйственном использовании почв повысилась на 7%. Согласно литературным данным [8, 33], при агрогенном воздействии на почвенный покров средние величины большинства биологических показателей уменьшаются, но в случае активности дегидрогеназы проявлялась тенденция к ее увеличению. Возможно, оставаться на уровне активности, сопоставимом с показателями естественных почв, оксидоредуктазам позволяет регулярная аэрация при обработке почвы, которая активизирует процессы окисления [7–10].

Необходимо отметить, что суммарная относительная активность гидролаз в верхних горизонтах почв естественных биогеоценозов была на 21% выше, чем оксидоредуктаз, что указывало на более активные гидролитические процессы по сравнению с окислительно-восстановительными. При агроиспользовании почв было отмечено иное соотношение активности 2-х классов ферментов, выразившееся в преобладании каталитической активности оксидоредуктаз над гидролазами на 49%. В целом ферменты класса оксидоредуктаз оказались более устойчивыми к сельскохозяйственному воздействию, чем ферменты класса гидролаз, что нашло подтверждение в ряде работ [7–10].

Для сравнительной оценки общего уровня активности ферментов естественных почв с пахотными аналогами определены показатели суммарной относительной ферментативной активности, включающие данные о деятельности всех пяти ферментов. На диаграмме (рис. 3) показано, что различия относительных величин этого показателя между сравниваемыми почвами были существенными и составили 39%.

Изученные составляющие биологической активности значительно различались по степени устойчивости к сельскохозяйственному воздействию, что позволило выделить наиболее чувствительные диагностические параметры. Описанные показатели образовали следующий ряд (снижение в % по отношению к естественным почвам): активность фосфатазы (78%) > активность уреазы (75%) > содержание С_микр (64%) > > содержание гумуса (53%) > запасы С_микр (50%) > > активность инвертазы (39%) > запасы гумуса (35%) > активность каталазы (31%). Полученные экспериментальные данные показали целесообразность использования изученных биологических показателей в качестве индикаторов негативных изменений, происходящих в почвах в результате агроиспользования, что согласуется с исследованиями других авторов [7–11, 15, 17].

Совокупность рассмотренных параметров, отражающих различные аспекты биологических свойств (генетические, микробиологические, биохимические), позволяет через интегральный показатель эколого-биологического состояния охарактеризовать общий уровень биологической активности почв [12]. При расчете ИПБЭСП были учтены: содержание гумуса, углерода микробной биомассы, активность 3-х окислительно-восстановительных и 2-х гидролитических ферментов. При сопоставлении величин этого показателя (рис. 3) отмечено, что ИПБЭСП пахотного горизонта снизился практически в 2 раза относительно верхнего горизонта естественных почв. Это свидетельствовало о значительном влиянии комплекса агрогенных факторов на направленность и интенсивность биохимических процессов в горных серых лесных почвах.

Снижение общего уровня биологической активности отражает степень почвы к действию антропогенной нагрузки и ее способность выполнять свои экологические функции в агрогенных условиях. Согласно схеме экологического нормирования воздействия на почву, предложенной авторами работы [12], сокращение ИПБЭСП более чем на 25% по сравнению с контролем является признаком нарушения всех групп экологических функций, выполняемых почвой. Установленное в исследованиях авторов снижение величин ИПЭБСП на 45% указывало на нарушение устойчивости и способности к выполнению экологических функций горных серых лесных почв, находящихся в сельскохозяйственном использовании.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Впервые комплексно определены показатели, отражающие различные аспекты биологических свойств (генетические, микробиологические, биохимические) горных серых лесных почв агроценозов и естественных биогеоценозов Центрального Кавказа (терский вариант поясности в пределах Кабардино-Балкарии). Полученные результаты исследования пополнили имеющиеся сведения о современном состоянии почв республики и в дальнейшем позволят провести оценку качества почв на основе совокупности показателей, характеризующих общий уровень ее биологической активности.

Сравнительная оценка показателей, характеризующих верхний горизонт пахотных и целинных почв, выявила значимое снижение содержания (на 53%) и запасов гумуса (на 35%), увеличение плотности сложения (на 34%) при относительно стабильных кислотно-щелочных условиях почвенного раствора. Величины потерь запасов гумуса в пахотных горизонтах указывали на наличие 2-й степени деградации почв агрогенных ландшафтов.

Ухудшение функционирования микробного сообщества обрабатываемых почв выразилось в статистически значимом уменьшении содержания углерода микробной биомассы (на 64%) и его запасов (на 51%). Установлено, что углерод микробной биомассы под пашней составил меньшую долю от общего органического углерода (3.1%) по сравнению с целинными аналогами (4.1%). Многолетнее агроиспользование горных серых лесных почв привело к уменьшению активности большинства изученных почвенных ферментов от среднего до слабого уровня.

Статистически значимые снижения практически всех изученных показателей биологической активности почв отражают происходящие негативные изменения в почвах агроценозов: ослабление устойчивости к процессам деградации, снижение респираторной деятельности микробного сообщества и активности почвенных ферментов. Выявленное уменьшение общего уровня биологической активности, индикатором которой является интегральный показатель эколого-биологического состояния почв (ИПЭБСП) (на 45%), показало высокую степень негативного влияния сельскохозяйственного воздействия на биологические свойства горных серых лесных почв и нарушение их экологических функций.