Почвоведение, 2020, № 11, стр. 1372-1382

ВВЕДЕНИЕ

Пирогенное воздействие встречается в естественных условиях и является важным фактором, приводящим к существенным изменениям природных экосистем [38]. Однако деятельность человека привела к существенному увеличению как частоты, так и интенсивности пожаров. Влияние пожаров на экосистемы и почвы представляет интерес для многих исследователей во всем мире [20, 44, 46, 48, 54]. Связано это не только с пирогенным изменением территорий при пожарах, но с тем, что возобновление территории гарей занимает длительное время и зависит от силы пирогенного воздействия [15, 21–23, 25, 36, 39].

Пирогенное воздействие на почву различается в зависимости от типа пожара (верховой, низовой, подземный), его интенсивности (слабый, средний, сильный), продолжительности (от нескольких минут до нескольких часов) и повторяемости. Физико-химические, гидротермические, биологические свойства могут изменяться как непосредственно от воздействия высоких температур, дыма и золы, так и опосредованно – через полное сгорание местной флоры и дальнейшей смены растительности, сокращения численности беспозвоночных животных [3, 12, 49]. Температура и влажность почвы – это два ключевых фактора, контролирующих биологические процессы в экосистемах и почвах [35, 52, 56, 57]. Изменения гидротермических свойств почвы может привести к изменению численности почвенных микроорганизмов. Прямое воздействие – нагревание почвы – влияет на численность микроорганизмов, убивая или изменяя их репродуктивные возможности, косвенно нагревание изменяет содержание органического вещества почвы (источник питания микроорганизмов). Продолжительное термическое воздействие на почву приводит к деградации микробного сообщества. Изменение микробоценоза зависит от интенсивности пожара и от количества сгораемого материала и корневых остатков в почвенном слое [5, 24, 25]. Корни растений чувствительны к тепловому воздействию; неблагоприятной температурой для большинства видов считается температура около 50°С [47].

Активность почвенных ферментов имеет важное значение при оценке качества почв и диагностике их экологического состояния [17, 19, 39, 45, 50, 51]. Пирогенный эффект оказывает значительное влияние на ферментативную активность почв [26, 43, 53, 54]. Поэтому активность почвенных ферментов может быть потенциальным индикатором последствий пирогенного воздействия в почвах. Температурный оптимум ферментов разный в почвах разных климатических условий. Установлено, что ферменты, вырабатываемые микроорганизмами в холодном климате, имеют более низкие температурные оптимумы [1]. В почвах многолетней мерзлоты потенциальная ферментативная активность остается близкой к исходному уровню. Однако активность ферментов, хотя и в сильно измененной форме, обнаруживается даже при минусовой температуре [37]. Ферментативная активность почв может стабильно сохраняться при низких и обычных температурах [8] и существенно уменьшаться при температурах, превышающих 100°С. Температурный оптимум ферментов составляет 40–50°С. Высокие температуры окружающей среды, превышающие оптимум действия ферментов, как правило, вызывают разрушение (денатурацию) белковой структуры. Однако иммобилизованные почвой ферменты более устойчивы к воздействию высоких температур [14, 31].

Многие сельскохозяйственные производители не только в России, но и во всем мире активно применяют ежегодные выжигания прошлогодней травы и стерни – палы как самый быстрый метод очистки полей для активизации роста новой травы на пастбищах и подготовки полей агроценозов к посеву. В литературе можно встретить работы, посвященные как положительному [29], так и отрицательному [6] воздействию палов. Нередко сельскохозяйственные палы становятся причиной степных или лесных пожаров. В настоящее время палы стерни и растительности в России [28] и, в частности, в Ростовской области [27] и Краснодарском крае [13] запрещены, однако до сих пор широко распространены. Пирогенное воздействие на биоту и почвы изучено не в полной мере, особенно в степной зоне юга России.

Цель работы – оценка разных факторов пирогенного воздействия (теплового излучения, непосредственно огня и продуктов горения) на биологические свойства чернозема обыкновенного Ростовской области в модельных экспериментах.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ

Объект исследования – чернозем обыкновенный южно-европейской фации карбонатный тяжелосуглинистый (Haplic Chernozem (Loamic, Pachic)). Эти почвы широко распространены в степной зоне Юга России и являются наиболее продуктивными пахотными почвами [7]. Место отбора почвы – опытный старопахотный участок Ботанического сада Южного федерального университета, г. Ростов-на-Дону. В опытах использовали пахотный слой (0–20 см) почвы.

Исследование влияния пала соломы. В эксперименте оценивали комплексное воздействие палов стерни и послеуборочных остатков на биологические свойства почв. Для этого образец почвы 300 г помещали в алюминиевые контейнеры 20 × 15 × × 8 см слоем 5 см. Поверхностный слой почвы наиболее сильно подвержен пирогенному воздействию при палах стерни и пожарах [23, 46]. На поверхности почвы поместили солому пшеницы (100 г) и сожгли ее до полного сгорания.

Исследование влияния пламени газовой горелки. Для выявления действия низкотемпературной плазмы (огня) пробу почвы 150 г помещали в алюминиевые контейнеры 15 × 10 × 8 см слоем в 5 см и подвергали воздействию пламени газовой горелки с расстояния 10 см в течение 1, 2 и 3 мин.

Исследование влияния инфракрасного излучения. Тепловое излучение пожара – это электромагнитное излучение инфракрасного диапазона, испускаемое пламенем [40, 41]. Модельный эксперимент по выявлению теплового излучения для определения его вклада в пирогенный эффект от пожаров проведен с помощью горизонтальной установки из пяти инфракрасных ламп мощностью 250 Вт на расстоянии 10 см. Почву с разной влажностью (воздушно-сухую, влажную (25% от массы почвы) и избыточно влажную (50% от массы почвы)) подвергали инфракрасному излучению от установки на расстоянии 10 см до достижения разной температуры поверхности почвы (100, 200, 400°С). Разные температуры воздействия выбраны как эквивалент беглых, слабых и сильных пожаров. Разная степень влажности почв помогла оценить особенности воздействия фактора в разных условиях среды.

Исследование влияния дыма от продуктов горения соломы. В этом опыте исследовано токсическое действие дыма, выделяющегося во время горения сухой растительности. Для этого сухие и влажные (25%) почвенные пробы массой 150 г в алюминиевых формах с пятисантиметровым слоем помещали в закрытую установку с отверстием, куда прикреплялась труба, ведущая к источнику дыма от горения сухой соломы пшеницы. При горении соломы продукты горения направляли в отсек с почвенным образцом. Длиной трубы регулировали температуру дыма. Почвенные образцы обрабатывали холодным (52°С) и горячим (139°С) дымом в течение 3, 9 и 30 мин.

Для определения температуры почвы использовали пирометр DT-810 “СЕМ”. Лабораторно-аналитические исследования проведены с использованием методов биодиагностики и биоиндикации почв [18]. Ферментативную активность почв определяли следующими методами: активности каталазы и дегидрогеназ по А.Ш. Галстяну (1978); активность инвертазы колориметрическим методом с реактивом Феллинга: активность фосфатазы по А.Ш. Галстяну и Э.А. Арутюняну (1966). Обилие азотфиксирующих бактерий рода Azotobacter оценивали методом комочков обрастания почв на безазотистой среде Эшби, микробную биомассу определяли регидратационным методом Благодатского с соавт. [3].

Статистическая обработка данных выполнена с использованием корреляционного и дисперсионного анализов. При обсуждении результатов учитывали статистически достоверные различия с уровнями значимости 0.1–5% (р < 0.001, 0.01 и 0.05).

РЕЗУЛЬТАТЫ

Влияние сжигания соломы. При сжигании соломы на поверхности почвы раздельно определяли температуру верхнего (0–1 см) и нижнего слоев (4–5 см). Температура верхнего слоя почвы при этом увеличилась с 18 до 91°С, температура нижнего слоя – с 23 до 59°С. После сжигания соломы выявлено изменение биологических свойств чернозема. Максимальное уменьшение значений показателей выявлено для верхнего слоя почвы (рис. 1, А). Количество микробной биомассы сразу после пала в слое 0–1 см уменьшилось на 39% от контрольных значениях (р < 0.05), обилие азотфиксирующих бактерий – на 29% (р < 0.05). Также было выявлено инактивация активности почвенных ферментов (рис. 1, Б). Максимальное подавление активности выявлено для ферментов из класса оксидоредуктаз (на 44–53% относительно контрольных значений), минимальное подавление – для гидролаз (на 16–18%). Уменьшение значений биохимических показателей зависит от глубины почвы. Верхний слой почвы подвержен наиболее интенсивному воздействию пала. На глубине 4–5 см ферментативная активность также подавлена, но в меньшей степени.

Влияние пламени газовой горелки. Интенсивность уменьшения значений биологических показателей связана с продолжительностью действия плазмы газовой горелки на почву. Минимальное сокращение наблюдали при одноминутном воздействии на почву, максимальное – при трехминутном. Температура почвы контрольного образца на поверхности составила +24°C, на глубине 5 см +18°C. Температура поверхности почвы при увеличении интенсивности пирогенного воздействия огнем повышается в несколько раз, что вызывает изменение почвенных параметров. Температура поверхности почвы непосредственно во время воздействия огня достигает 450–500°C. Через 1 мин после обработки плазмой на поверхности она составила 47°C, на глубине 5 см – 22°C; после 2 мин влияния плазмы – 64°C, на глубине 5 см – 24°C; после 3 мин влияния плазмы – 84°C, на глубине 5 см – 26°C. Данные по изменениям биологических показателей представлены на рис. 2. В поверхностном слое почвы после 3 минут обработки огнем максимальное инактивация активности из ферментов класса оксидоредуктаз наблюдали для каталазы, активность которой на 25% меньше контроля (р < 0.05). Из исследуемых гидролаз существенная инактивация отмечена для фосфатазы – на 26%. Аналогичную тенденцию наблюдали в слое 4–5 см: активность каталазы за 3 минуты уменьшилась на 21%, из класса гидролаз – у фосфатазы – на 30% от контроля (р < 0.05).

Для выявления причинно-следственной связи временем воздействия пламени горелки с биологическими показателями был рассчитан коэффициент корреляции Пирсона. Выявлена тесная обратная связь между временем обработки почвы пламенем и активностью почвенных ферментов. Коэффициент корреляции с активностью дегидрогеназ составляет –0.81, для инвертазы –0.86, каталазы –0.78, фосфатазы –0.85 (везде р < 0.01).

Обилие бактерий рода Azotobacter через 3 мин после воздействия пламени горелки на поверхность почвы (0–1 см) уменьшается на 56% (р < < 0.01) от контрольных значений, в слое 4–5 см – на 36% (р < 0.05) (рис. 2, A). Микробная биомасса в слое почвы 0–1 см при воздействии плазмы в течение 3 мин сократилась на 52% (р < 0.01), а в слое 4–5 см – на 35% от контроля (р < 0.05).

Влияния инфракрасного излучения. В ходе модельного исследования воздействия теплового излучения было выявлено изменение некоторых микробиологических свойств и ферментативной активности, различающееся в зависимости от уровня теплового воздействия. Микробная биомасса почвы при температуре 100°С уменьшилась на 24–28% от контроля (р < 0.05), независимо от влажности почвы (рис. 3). Обилие азотфиксирующих бактерий воздушно-сухой и влажной почвы при температуре 100°С сокращается на 32% от контроля (р < 0.05), а в избыточно влажной почве – на 24% (р < 0.05) (рис. 3, А). Инфракрасное облучение приводит к достоверному ингибированию ферментативной активности. Активность дегидрогеназ при нагреве до 100°С уменьшилась на 19–23% (р < 0.05) независимо от влажности почвы (рис. 3, Б). Выявлена тесная обратная зависимость активности дегидрогеназ от температуры почв с разным увлажнением (r = = –0.71…–0.79 при р < 0.01). Активность каталазы воздушно-сухой почвы при температуре 100°С была меньше контроля на 25%, влажной почвы – на 36%, избыточно влажной – на 24% (для всех ферментов р < 0.05). Коэффициент корреляции между температурой образца и активностью каталазы составляет –0.78 для воздушно-сухой почвы, –0.76 для влажной почвы и –0.85 для избыточно влажной почвы (везде р < 0.01).

Термическое ингибирование активности инвертазы прогрессировало при повышении увлажнения почвы при температуре 100°С на 25% (р < < 0.05) в сухой и на 36% (р < 0.05) в избыточно влажной почве. Коэффициент корреляции для температуры и активности инвертазы составляет –0.81 (р < 0.01) для воздушно-сухой почвы, –0.66 (р < 0.05) для влажной почвы, и –0.89 (р < 0.01) для избыточно влажной почвы. Инактивация фосфатазы в почве разного увлажнения составила 24–36% (р < 0.05). Минимальные значения фермента отмечены после нагревания избыточно-влажной почвы. Коэффициент корреляции составляет –0.98…–0.99 (р < 0.001) для сухой и влажной почвы, для избыточно влажной почвы r = –0.85 (р < 0.01).

Влажная почва для своего нагревания до заданных температур требовала больше времени воздействия от тепловой установки. Поэтому она аккумулировала больше тепла по сравнению с воздушно-сухой. Соответственно и инактивация исследуемых ферментов (за исключением дегидрогеназ) в варианте с избыточно влажной почвой значительнее. Для расчета количества тепла (DH), полученного почвой во время инфракрасного облучения, был использован модифицированный градусно-часовой метод (Degree-hour method) [37].

где Т5 (1 см) – показания пирометра через каждые 5 мин на глубине 1 см, Т_комн – комнатная температура, t – время нагревания образца (табл. 1).

Разный уровень теплового воздействия существенно изменял активность ферментов в почве. При температуре 100°С наиболее устойчивой оказалась активность каталазы и инвертазы, а наименее – активность дегидрогеназ. Изменения исследуемых показателей при температурах 200 и 400°С схожие. Однако воздействие инфракрасного облучения усиливается с повышением температуры и влажности. При температуре 400°С наблюдается максимальное подавление ферментативной активности в переувлажненной почве: активность каталазы снижается на 46% от контроля (р < 0.01), активность дегидрогеназ снижается на 43% (р < < 0.01), активность инвертазы – на 51% (р < 0.01), активность фосфатазы на 58% (р < 0.01). Следовательно, в целом, тепловое воздействие при нагреве почв до 400°С более ощутимо для ферментов во влажной и переувлажненной почвах по сравнению с сухой почвой.

Микробиологические показатели, как и в случае минимального нагревания, после нагрева до 400°С уменьшили свои значения независимо от влажности исходной почвы. Микробная биомасса сухой почвы уменьшилась на 68% от контроля (р < 0.01), увлажненной почвы – на 49% (р < 0.01), избыточно влажной почвы – на 66% (р < 0.01). Эффект от теплового воздействия максимального уровня на обилие азотфиксирующих бактерий, в отличие от ферментативной активности, уменьшился при повышении влажности почвы. В сухой почве подавление составило 84% от контроля (р < 0.001), во влажной почве – 72% (р < 0.001), в избыточно влажной почве – 64% (р < 0.01) (рис. 3, A).

Влияния дыма от продуктов горения соломы. В ходе исследования было выявлено уменьшение активности оксидоредуктаз и гидролаз при разной влажности в условиях холодной (52°C) и горячей (139°C) обработки почвы дымом от горения соломы. Реакция активности ферментов, как и в предыдущем опыте, зависела от времени воздействия и исходной влажности почвы (рис. 4). При воздействии холодного дыма в течение 3 мин активность каталазы сухой почвы ослаблена на 11% (р < 0.05) относительно контрольных значений, активность дегидрогеназ уменьшилась на 4%, активность инвертазы – на 8%, активность фосфатазы – на 10% (для всех ферментов р < 0.05). Во влажной почве аналогичное воздействие инактивировало каталазу на 10%, дегидрогеназы – на 11%, инвертазу – на 13%, фосфатазу – 19% (для всех ферментов р < 0.05).

При холодной обработке сухой почвы дымом в течение 9 мин ингибирование активности каталазы относительно контроля удвоилось, активность дегидрогеназ, фосфатазы, инвертазы уменьшилась на 11–14% (р < 0.05). Во влажной почве при таком же воздействии фактора активность каталазы уменьшилась на 24%, активность дегидрогеназ и инвертазы – на 15%, фосфатаз – на 29% (р < 0.05).

При максимальном по времени воздействии холодным дымом в течение 30 мин в сухой почве активность каталазы достоверно меньше на 29%, активность дегидрогеназ – на 24%, активность инвертазы на 16%, активность фосфатаз – на 20% (для всех ферментов р < 0.05). Для влажной почвы инактивация каталазы составило 32%, дегидрогеназ – 30%, инвертазы – 22%, фосфатаз –31% (для всех ферментов р < 0.05). При обработке горячим дымом наблюдается схожая тенденция изменения биологической активности. Однако уменьшение значений показателей более существенно, так как в данном случае оно зависит не только от продолжительности действия и влажности почвы, но и повышения температуры почвы. Микробная биомасса сухой почвы при обработке холодным дымом в течение 3 мин достоверно (р < 0.05) подавлена на 10% от контроля, при горячей обработке – на 12% (рис. 4). Во влажной почве достоверные изменения значений (р < 0.05) практически такие же – 8% при холодной обработке, 10% – при горячей обработке. Редуцирование биомассы микроорганизмов не зависит от исходной влажности почвы. Оно максимально при горячей обработке влажной почвы в течение 30 мин (на 35% при р < < 0.05). Аналогичная тенденция была выявлена и для азотфиксирующих бактерий рода Azotobacter. Обилие этих бактерий в сухой почве при обработке холодным дымом в течение 3 мин было меньше на 4% относительно контроля (р < 0.05), при горячей обработке – на 8%. Во влажной почве снижение значений составило 6–8% (р < 0.05). Максимальное подавление обилия бактерий отмечено после обработки горячим дымом влажной почвы в течение 30 мин. Обилие бактерий при этом было меньше на 30% (р < 0.01).

ОБСУЖДЕНИЕ

В результате проведенных модельных исследований выявлено, что все исследуемые факторы пирогенного воздействия в зависимости от продолжительности и интенсивности изменяют биологические свойства чернозема в сторону уменьшения значений. Комплексное воздействие в результате пала повышает температуру поверхностного слоя в несколько раз, воздействует низкотемпературной плазмой и продуктами горения, что приводит к подавлению почвенных микроорганизмов и ингибированию ферментативной активности. Об инактивации ферментов пропорционально степени пирогенного воздействия в почвах писали и другие исследователи [43, 53].

Максимальный эффект пирогенного воздействия отмечен для верхнего (0–1 см) слоя почвы. На этот факт, преимущественно для лесных почв, указывали и другие исследователи [20, 24, 43, 46]. Но и в нижнем слое 4–5 см подавление биологической активности было достоверным. По отношению к палу ферменты из класса оксидоредуктаз оказались менее устойчивы, нежели гидролазы. Полученные результаты согласуются с данными Валькова с соавт. [6] по исследованию воздействия палов на биоту и биологическую активность пахотных черноземов. Ранее [26] были показаны закономерности ингибирования и динамика восстановления ферментативной активности после сжигании урожая ячменя в полевых условиях. Было показано сохранение различий между участками с разной интенсивностью палов и контрольным участком в течение всего срока исследований (30 сут). В настоящей работе аналогичные результаты получены при моделировании пала в контролируемых условиях, что еще раз доказывает отрицательное воздействие пала на почву.

Воздействие низкотемпературной плазмы газовой горелки привело к существенному подавлению биологической активности чернозема. Степень изменения значений биологических параметров зависела от продолжительности воздействия. Максимальный эффект наблюдали при трехминутном воздействии пламени горелки, минимальное – при одноминутном воздействии. При этом повышается температура, уменьшается влажность почвы, численность микроорганизмов (на 52–56%) и активность почвенных ферментов (на 25–26%). Основная часть микроорганизмов сосредоточена в подстилке, дернине и верхних гумусовых горизонтах [11, 16]. Максимальная микробиологическая активность проявляется при оптимальных для них высокой влажности и умеренно-высоких температурах. Низкая влажность почвы является одним из неблагоприятных факторов для жизнедеятельности растений и микроорганизмов. В ходе данного исследования температура верхнего слоя почвы на короткое время повышалась до 450–500°С, что иссушало почву и сильно повлияло на почвенный микробоценоз. Кроме прямого воздействия – разрушения микробиологических клеток и денатурации ферментов – высокие температуры существенно меняют условия жизнедеятельности микроорганизмов.

Ферментативная активность почвы зависит от свойств почв, биоты и биологической активности. Основными факторами, регулирующими деятельность микроорганизмов и активность почвенных ферментов, являются влажность, температура и pH [32, 33]. Ферменты являются термолабильными веществами, их активность сохраняется при низких температурах и высушивании почвы. Однако при высоких температурах почвенные ферменты инактивируются. Лишь очень немногие ферменты способны в определенных условиях выдерживать нагревание до 100°С с сохранением активности. Как избыток, так и недостаток влажности отрицательно сказываются на активности ферментов. В воздушно-сухой почве активность ингибируется на 20–30% и более, а при увлажнении восстанавливается [34]. При 80% влажности воздуха в инкубационной камере в сухой почве уреаза проявляла высокую активность, в то время как размножение большинства почвенных микроорганизмов прекращалось [55]. В представленных исследованиях выявлено, что при нагревании переувлажненной почвы до 400°С активность ферментов подавляется в меньшей степени по сравнению с микробиологическими показателями. Почвенные ферменты более чувствительны, чем микроорганизмы, к физическим воздействиям, таким, как инфракрасное, ультрафиолетовое и радиоактивное облучение [10, 33, 34]. Исследования показывают, что при воздействии на почвы гамма-излучения численность микроорганизмов значительно подавляется [9], в то же время ферментативная активность остается достаточно высокой [10]. Большей устойчивостью иммобилизованных почвой ферментов обусловлена их меньшая реакция по сравнению с обилием микроорганизмов на разные факторы пирогенного воздействия, в частности на инфракрасное облучение и воздействие плазмы газовой горелки. Оксидоредуктазы катализируют перенос электронов, то есть отвечают за окислительно-восстановительные реакции в почве, гидролазы катализируют гидролиз химических связей, то есть сольволиз воды. Ферменты из этих классов по-разному реагируют на экологические факторы и антропогенное воздействие ввиду их специфичности их свойств и функций [34, 37, 39]. В наших исследованиях при воздействии различных пирогенных факторов на почву ферментативная активность достоверно необратимо ингибируется. Инфракрасное излучение приводит к уменьшению значений микробиологических параметров (на 49–84% при максимальной температуре 400°С) и ферментативной активности (на 46–68%), которое коррелирует с температурой воздействия. Максимальная инактивация каталазы, инвертазы и фосфатазы выявлена во влажной почве по сравнению с сухой, что объясняется большей продолжительности воздействия тепла для достижения заданной температуры. Соответственно в данных условиях увеличивается и количество энергии, полученной почвой и воздействующей на биологические параметры (табл. 1).

О токсичности продуктов горения при пожарах хорошо известно. В дымовых газах, образующихся при горении древесины, могут быть более 200 веществ, продуктов неполного сгорания [2]. Большинство из газообразных продуктов горения токсичны для живых организмов, в том числе для человека [30]. Основным веществом при этом является монооксид углерода – угарный газ. Известны научные работы, посвященные воздействию дыма от пожаров на качество воздуха, растительность, фауну [42, 58]. Однако работ, посвященных влиянию дыма от продуктов горения при пожарах на почвенных микроорганизмов и биологическую активность почв, практически нет. Установленный в представленном исследовании эффект воздействия дыма на биологические свойства почв позволяет отчасти восполнить этот пробел. Воздействие дыма от продуктов горения соломы подавило микробиологические и биохимические параметры почвы с теми же закономерностями, что и для описанных выше воздействий огня и инфракрасного излучения. Микробиологические показатели при максимальном воздействии на влажные образцы почв уменьшают значения на 30–35%, ферментативная активность подавляется на 22–32%.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведения серии модельных исследований установлено, что пирогенное воздействие имеет комплексное влияние на биологические свойства почв. К поражающим факторам пирогенного воздействия отнесены огонь (низкотемпературная плазма), высокая температура, токсичные продукты горения. Степень подавления биологических свойств почв зависит от интенсивности фактора (температура и время воздействия), а также от исходной влажности почвы. Максимальное угнетение биологической активности установлено для верхнего сантиметрового слоя почвы, однако достоверные изменения достигают глубины 5 см. Все исследуемые биологические параметры были информативными и чувствительными в качестве индикаторов для оценки пирогенного воздействия. В качестве простого теста степени повреждения постпирогенных почв можно использовать активность почвенных ферментов, особенно активность каталазы как простого и воспроизводимого показателя, не требующего высокой квалификации исполнителей и ресурсов для определения.