CRITERIA FOR ASSESSING THE BIOGEOCENOTIC ECOLOGICAL FUNCTIONS OF SOILS UNDER TREE-SHRUB INTRODUCERS
Rubrics: ECOLOGY
Abstract and keywords
Abstract (English):
The paper presents the results of ranking the criteria for assessing the ecological functions of soils. This ranking is presented for the first time. The authors propose to evaluate the ecological functions of soils by the degree of variability of their basic properties compared to the background using a six-point scale. The object of the study is leached chernozem, low-humus, powerful loamy soil on a cover carbonate loam, occurring on the territory of the Botanical Garden of Voronezh State University named after B.M. Kozo-Polyansky in the city of Voronezh under the collections of tree-shrub introducers. Based on the proposed criteria, the following biogeocenotic functions of leached chernozem have been evaluated: 1. Soil functions as a source of nutrients and compounds; 2. Depot of moisture, batteries and energy; 3. Stimulant and inhibitor of a number of biochemical processes; 4. Soil functions due to its physicochemical properties. Based on the results obtained, practical recommendations have been proposed for improving the biogeocenotic functions of leached low-humus powerful loamy chernozem as a whole and especially under coniferous, shrub and coniferous-shrub vegetation

Keywords:
ecological functions of soils, leached chernozem, enzymatic activity of soils, assessment of biogeocenotic ecological functions of soils
Text
Publication text (PDF): Read Download

Введение

Одним из важнейших факторов формирования и функционирования почв является растительный покров. В свою очередь растения в той или иной мере избирательны к свойствам и режимам почв. Поэтому вопрос взаимосвязи растительности и почв имеет принципиальное значение не только для дальнейшего развития науки о почве, но и относится к числу важнейших актуальных направлений исследования в экологии.

Имеющиеся сведения об изменениях в свойствах почв и, как следствие, трансформации почвенных экологических функций под различными интродуцентами, которые не являются естественными для данных почвенно-климатических условий, пока недостаточны и требуют всестороннего изучения. В настоящее время так же не существует критериев оценки экологических функций почв. Все эти моменты делают весьма актуальным в теоретическом и практическом отношениях изучение вопросов, затрагиваемых в данной публикации [7, 9-12].

Цель исследования − изучить влияние интродуцентов на свойства чернозема выщелоченного и  его биогеоценотические экологические функции.

Объектом исследования являлся чернозем выщелоченный малогумусный мощный суглинистый на покровном карбонатном суглинке, залегающий на территории ботанического сада Воронежского государственного университета им. Б.М. Козо-Полянского в г. Воронеже [6].

Материалы и методы исследования

В качестве фонового участка изучались идентичные черноземы выщелоченные, расположенные на расстоянии 10-500 м от зоны исследования. Под фоновыми почвами подразумеваются почвы идентичные по строению и свойствам исследуемым, но отличающиеся видовой структурой фитоценозов.

Почвенные образцы были отобраны под фитоценозами различной видовой структуры:

Широколиственные древесные породы: Ксантотерис рябинолистный (Xanthoceras sorbifolium Bunge), Дуб каштанолистный (Quércus castaneifólia C.A.Mey.), Бересклет сахалинский (Euonymus sachalinensis (F. Schmidt) Maxim.), Дуб грузинский (Quercus siberica Stev.), Дуб крупноплодный (Quercus macrocarpa Michx.), Дуб ливанский (Quercus libani G. Olivier), Лунносемянник канадский (Menispermum canadense L.), Бересклет форчуна (Euonymus fortunei (Turcz.) Hand.-Mazz.), Мушмула германская (Mespilus germanica L.) − прикопка №1;

Хвойная растительность: Туя белокончиковая (Thuja occidentalis «Albospicata»), Туя Бодмери (Thuja occidentalis «Bodmeri»), Туя спиральная (Thuja occidentalis «Spiralis»), Кедр сибирский (Pinus sibirica Du Tour), Туевик поникающий, (Thujopsis dolabrata Sieb. et Zucc.), Можжевельник казацкий тамариксолистный (Uniperus sabina «Тamariscifolia»), Туя шаровидная низкая (Thuja occidentalis Globosa Nana), Сосна оригонская (Pinus ponderosa Dougl.), Пихта одноцветная (Abies concolor Lindl. ex Hildebr.), Туя западная «Вариана Лютесценс» (Thuja occidentalis Wareana Lutescens), Туя Вагнера (Thuja occidentalis Wagnerii), Сикуринега полукустарниковая (Securinéga suffruticósa (Pall) Rehd.), Кипарисовик нутканский Пендула (Chamaecyparis nootkatensis «Pendula»), Можжевельник китайский Стрикта Вариегата (Juniperus chinensis Stricta Variegata), Можжевельник лежачий Нана (Juniperu sprocumbens Nana), Можжевельник чешуйчатый Блю стар (Juniperus squamata Blue Star), Сосна горная карликовая (Pinus mugoNana) —  пикопка №2;

Кустарниковая растительность: Дерен белый (Сornus alba L.), Дерен белый «Кроваво-красный» (Сornus alba «Argenteo-marginata»), Дейция шершавая «Махровая» (Deutzia scabra «Plena»), Стефанандра Танаки (Stephanandra tanakae Franch. et Sav.), Ива белая «Свердловская Плакучая» (Salix alba «Sverdlovskaja Plakutshaja»), Вейгела цветущая «Weigela florida Bunge), Вейгела гибридная «Бристоль Риби» (Weigela hybrida «Bristol Ruby»), Вейгела цветущая «Александра» (Weigela florida «Alexandra»), Пузыреплодник калинолистный «Диаболо» (Physocarpus opulifolia «Diablo»), Диервилла жимолостная (Diervilla lonicera L.), Диервилла сидячелистная (Diervilla sessilifolia Buckl), Ива каспийская (Salix caspica Pall.), Жимолость Брауна «Фуксиевидная» (Lonicera x brownii «Fuchsioides»), Форзиция свисающая (Forsythia suspensa (Thunb.) Vahl), розовик цепкий (Rhodotypus kerrioides (Thunb.) Makino), Актинидия острая (Actinidia arguta Planch.), Актинидия острая «Клара Цеткен» (Actinidia сolomiсta «Clara Tсetkin»), Жимолость вьющаяся (Lonicera periclymenum L.), Барбарис оттавский «Суперба» (Berberis ottawensis «Superba»), Спирея ниппонская (Spiraea nipponica Maxim.), Спирея Дугласа (Spiraea douglasii Hook.), Спирея Бумальда «Дартс Ред» (Spiraea bumalda «Darts Red»,Спирея Бумальда «Широбана» (Spiraea x bumalda «Shirobana»), Спирея Бумальда «Криспа» (Spiraea bumalda  «Crispa»), Спирея острозазубренная (Spiraea x arguta Zab.), Спирея Бумальда «Голдмаунд» (Spiraea bumalda «Goldmound»), Спирея Бумальда «Энтони Ветерер» (Spiraea bumalda  «Anthony Waterer»), Спирея Бумальда «Голдфлем» (Spiraea bumalda «Goldflamme»), Спирея стелющаяся (Spiraea decumbens Koch.), Спирея японская «Альпина» (Spiraea japonica «Alpina»), Спирея японская «Кроваво-красная» (Spiraea japonica «Atrosanguinea»), Керрия японская (Kerria japonica (L.) DC.), Барбарис Тунберга «Сильвер Бьюти» (Berberis thunbergii «Silver Beauty»), Бирючина японская «Пестролистная» (Ligustrum sinense «Variegata»), Мирикария лисохвостниковая (Мyricaria alopecuroides Schrenk.), Барбарис Тунберга «Атропурпуреа» (Berberis thunbergii «Аtropurpurea»), Барбарис корейский (Berberis koreana Pal.), Лапчатка маньчжурская «Белая» (Dasiphora mandshurica «Alba»),Лапчатка кустарниковая «Принцесса» (Dasiphora fruticosa «Princess»), Бересклет большекрылый (Euonymus macroptera Rupr.), Клен ясенелистный «Ауреовариегата» (Acer negundo «Aureovariegatum»), Жимолость татарская «Марит» (Lonicera tatarica «Marit»), Гинкго билоба (Ginkgo biloba L.), Ива пурпурная «Пендлула» (Salix purpurea «Pendula»), Пузыреплодник калинолистный «Дартс Голд» (Physocarpus opulifolius «Dart'sgold»), Вейгела цветущая «Виктория» (Weigela florida «Victoria»), Можжевельник скальный «Скайрокет» (Juniperus scopilorum «Skyrocket», Сосна густоцветковая «Умбракулифера» (Pinus densiflora «Umbraculifera»), Рододендрон катавбинский «Альбум Новум» (Rhododendron catawbiense «AlbumNovum»), Туя западная «Смарагд» (Thuja occidentalis «Smaragd»), Можжевельник виргинский «Грей Оул» (Juniperus virginiana «Grey Owl»), Можжевельник средний «Минт Джулеп» (Juniperu smedia «Mint Julep»), Рододендрон катавбинский «Розеум Элеганс» (Rhododendron catawbiense «Roseum Elegans»), Можжевельник скальный «Мунглоу» (Juniperus scopulorum «Moonglow»), Ель канадская «Эхиноформис» (Picea glauca «Echiniformis»), Ель канадская «Коника» (Picea glauca «Conica»), Рододендрон катавбинский «Катерина ван Тоил» (Rhododendron «Katerina van Tol»), Пихта бальзамическая «Нана» (Abies balsamea «Nana»), Рододендрон якушеманский «Перси Вайсман» (Rhododendron yakushimanum «Percy Wiseman») прикопка №3;

Хвойно-кустарниковая растительность, характеризуется смешением хвойных древесных пород и кустарников, которые представлены выше − прикопка №4;

Пар − прикопка  №5;

Фон − прикопка №6.

Отбор почвенных образцов проводился послойно, каждые 20 см до глубины 40 см. В подготовленных для лабораторных исследований образцах определялись следующие показатели:

  1. Содержание гигроскопической влажности гравиметрическим методом;
  2. рН водной суспензии потенциалометрическим методом;
  3.  рН солевой суспензии потенциалометрическим методом
  4. Определение валового гумуса методом И. В. Тюрина в модификации В. Н. Симакова;
  5. Содержание обменных ионов Ca2+ и Mg2+ в некарбонатных почвах методом К.К. Гедройца с комплексонометрическим окончанием;
  6. Гидролитическая кислотность методом Капена;
  7. Степень насыщенности основаниями расчетным методом;
  8. Определение азота легкогидролизуемых соединений в щелочной вытяжке по методу Корнфилда;
  9. Определение легкорастворимых фосфатов по методу Чирикова;
  10. Определение обменного калия по методу Чирикова с пламеннофотометрическим окончанием;
  11. Каталазная активность почвы титрометрическим методом Джонсона и Темпле;
  12. Активность уреазы колориметрическим методом;
  13. Активность инвертазы методом А.Ш. Галстяна;
  14. Активность фосфатазы методом А.Ш. Галстяна и Э.А. Арутюнян [1, 4, 5].

Результаты исследований

В настоящее время в экологии почв нет общепринятых критериев оценки экологических функций почв. В своей работе мы предлагаем взять за основу критерии оценки экологических функций литосферы с некоторыми изменениями [8]. Экологические функций почв мы будем оценивать по степени измененности основных свойств почв по сравнению с фоном. В таблице 1 мы приводим наши предложения по критериям оценки экологических функций почв.

По предложенным нами критериям мы оценим следующие биогеоценотические функции чернозема выщелоченного [2, 3]:

1. Функции почв, как источника питательных элементов и соединений.

2. Депо влаги, элементов питания и энергии.

3. Стимулятор и ингибитор ряда биохимических процессов.

4. Функции почв, обусловленные ее физико-химическими свойствами.

Результаты исследований приведены в таблицах 2 и 3. Изучив основные химические, физико-химические и биологические свойства чернозема выщелоченного под широколиственными древесными породами, кустарниковой, хвойной, хвойно-кустарниковой растительностью, паром и фоном можно охарактеризовать следующие биогеоценотические экологические функции почв:

1. Функции почв, как источника питательных элементов и соединений является одной из самых важных для существования биогеоценозов. Данную функцию мы характеризуем по содержанию наиболее доступных соединений минерального питания ˗ азота, фосфора и калия. Как показали наши исследования, обеспеченность почв легкогидролизуемым азотом, легкорастворимым фосфатом и обменным калием  относятся к категории очень низкая. Наименьшее содержание доступных элементов питания наблюдается под хвойной растительностью. Для улучшения данной функции можно рекомендовать внесение минеральных удобрений с учетом физиологических потребностей растительности.

2. Депо влаги, элементов питания и энергии. Сущность данной функции состоит в том, что почва имеет резервы почвенных компонентов, которые могут использоваться организмами при отсутствии более доступных запасов. Почвенное "депо" образуется за счет соединений в аморфных, кристаллических формах, скоагулированных гумусовых кислот и др. Наличие таких компонентов является залогом устойчивого почвенного плодородия и поддержки необходимых условий существования живых организмов.

 

Таблица 1

Критерии оценки экологических функций почв

Оценка экологических функций почв

Изменения по сравнению с фоном, %

Неизмененная

<16

Слабоизмененная

16-32

Среднеизмененная

33-49

Сильноизмененная

50-66

Очень сильно измененная

67-83

Катастрофически измененная

84 и более

Источник: собственные разработки авторов

 

Таблица 2

Химические и физико-химические свойства чернозема выщелоченного

Тип растительности

Глубина отбора образца, см

Содержание гумуса, %

Степень насыщенности основаниями, %

рНвод.

Nщел., мг/100 г почвы

P2O5, мг/100 г почвы

K2O, мг/100 г почвы

рНKCl

Древесные широколиственные породы

0-20

5,59

90,31

6,00

4,64

4,88

8,74

5,9

20-40

4,66

90,65

6,14

6,38

4,25

8,39

5,6

Хвойная растительность

0-20

4,24

91,88

5,81

5,80

2,25

7,43

5,5

20-40

3,94

92,81

6,07

5,04

2,19

7,05

5,7

Кустарниковая растительность

0-20

5,48

91,36

6,39

4,06

3,75

8,12

5,4

20-40

5,01

92,66

6,54

2,90

3,38

7,54

5,2

Хвойно-кустарниковая растительность

0-20

4,69

92,32

6,31

2,90

3,13

7,95

5,3

20-40

4,48

93,36

6,22

3,48

2,13

7,35

5,3

Пар

0-20

5,79

93,74

6,34

3,48

3,50

8,16

5,5

20-40

5,06

93,73

6,01

3,35

2,38

8,03

5,4

Фон

0-20

5,87

92,23

5,93

3,48

2,50

8,76

5,2

20-40

5,53

100

6,05

6,38

2,50

8,29

5,3

                   

Источник: собственные вычисления автора.

 

Таблица 3

Энзимологическая активность чернозема выщелоченного [6]

Тип растительности

Глубина отбора образца, см

Каталазная активность, мг KMnО4 за20 мин на 1 г почвы

Инвертазная активность, мг глюкозы на 1 г почвы за 24ч

Фосфатазная активность, мг Р2О5 на 10 г почвы за 1ч

Уреазная активность,

мг N-NН3 на 100 г  почвы за 24ч

Древесные широколиственные породы

0-20

1,7

7,63

4,0

21,3

20-40

1,4

7,63

3,9

21,8

Хвойная растительность

0-20

1,6

10,18

3,9

20,7

20-40

1,6

10,81

3,9

20,1

Кустарниковая растительность

0-20

1,7

8,90

3,9

20,4

20-40

0,9

10,81

3,9

19,4

Хвойно-кустарниковая растительность

0-20

1,9

10,18

3,9

20,2

20-40

2,0

10,18

3,9

19,6

Пар

0-20

1,7

7,63

3,8

19,1

20-40

0,9

7,63

3,9

18,7

Фон

0-20

1,6

9,54

4,0

22,7

20-40

1,6

9,54

3,9

21,9

Источник: собственные вычисления автора.

 

 

Данную функцию мы характеризуем по содержанию гумуса в исследуемой почве. По содержанию гумуса исследованный чернозем выщелоченный относится к малогумусным почвам. Минимальное содержание гумуса наблюдается под хвойной и хвойно-кустарниковой растительностью. Также инвертазная активность почв на этих участках максимальна, что может свидетельствовать об усиленной минерализации органического вещества почвы. Поэтому необходимо обратить внимание на содержание гумуса в дальнейшем под данным типом растительности и рекомендовать дополнительное внесение органических удобрений.

Несмотря на то, что изученная почва относится к категории малогумусная, следует отметить, что содержание гумуса в ней выше, чем в почвах, на которых в естественных условиях произрастают  рассмотренные варианты растительности. Поэтому данную экологическую функцию можно охарактеризовать положительно.

3.Функция стимулятора и ингибитора ряда биохимических процессов обусловлена тем, что в течение жизнедеятельности растений, микроорганизмов и животных, а также после их отмирания в почву поступают разнообразные продукты метаболизма, которые могут стимулировать или угнетать жизнедеятельность живых организмов.

Мы характеризуем данную функцию по активности некоторых ферментов. Так каталазная активность чернозема выщелоченного достаточно низкая (0,9-2,0 KMnO4 за 20 мин на 1 г почвы). Каталаза разрушает ядовитую для живых организмов Н2О2. Низкая активность данного фермента свидетельствует о достаточно хорошей экологической ситуации и отсутствии ингибирующих факторов.

Увеличение инвертазной активности под хвойной и хвойно-кустарниковой растительностью свидетельствует о том, что на данных участках происходит стимулирование биохимических процессов.

4. Функции почв, обусловленные ее физико-химическими свойствами.

Все изученные почвенные образцы обладают достаточно хорошими физико-химическими свойствами. Наиболее благоприятные свойства наблюдались на участках под кустарниками и хвойно-кустарниковой растительностью.

В таблице 4 мы приводим расчет изменений основных свойств чернозема выщелоченного под разным типом растительности для дальнейшей оценки экологических функций по предложенным нами критериям (см. табл. 1).

Таким образом, по гумусному состоянию биогеоценотических функций почвы под древеснымишироколиственными породами,  хвойной и хвойно-кустарниковой растительностью можно отнести к слабоизмененным; по содержанию легкодоступного азота биогеоценотические функции почв под кустарниками и паром — слабоизмененные, а под хвойно-кустарниковой растительностью – среднеизмененные; в целом биогеоценотические функции почв не нарушены.

 

 

Таблица 4

Изменения основных свойств чернозема

Тип растительности

Гумус

Степень насыщенности

N

P2O5

K2O

Каталаза

Инвертаза

Фосфатаза

Уреаза

Процент изменения по отношению к фону

Древесные широколиственные породы

10,1

5,9

-11,8

-82,6

-0,5

3,1

20,0*

0,0

3,4

Хвойная растительность

28,3*

4,0

-9,9

11,2

15,1

0

-10,0

1,3

8,5

Кустарниковая растительность

8,0

4,3

29,4*

-42,6

8,2

18,7*

-3,3

1,3

10,8

Хвойно-кустарниковая растительность

19,6*

3,4

35,3 **

 -5,2

10,3

-21,9

-6,7

1,3

10,8

Пар

4,8

2,5

30,7*

-17,6

5,0

18,7*

20,0*

2,5

15,2

                           

* - слабоизмененные

** - среднеизмененные

Источник: собственные вычисления автора.

 

 

 

Выводы

На основании полевых опытов и лабораторных исследований по изучению биогеоценотических экологических функций почв под древесными и кустарниковыми интродуцентами ботанического сада ВГУ им. проф. Б.М. Козо-Полянского, можно сделать следующие основные выводы:

1. В изученной почве под всеми видами продуцентов отмечено достаточно низкое содержание гумуса.

2. Чернозем выщелоченных на исследуемой территории обладает благоприятными физико-химическими свойствами.

3. Обеспеченность легкогидролизуемым азотом, легкорастворимым фосфатом и обменным калием относится к категории очень низкой и низкой.

Наиболее обеспеченными этими элементами является почва под широколиственными древесными породами. Наименее обеспеченны почвы под хвойной и хвойно-кустарниковой растительностью.

4. Каталазная и инвертазная активность чернозема выщелоченного  характеризуется, как очень слабая и слабая, а активность фосфатазы и уреазы — средняя.

Наименьшая ферментативная активность была у почвы, находящейся под паром.

5. Биогеоценотические экологические функции чернозема выщелоченного не нарушены.

6. По гумусному состоянию биогеоценотическая функция "депо влаги, элементов питания и энергии почвы" под древесными широколиственными породами,  хвойной и хвойно-кустарниковой растительностью можно отнести к слабоизмененным.

7. Функции почв, как источника питательных элементов и соединений по содержанию легкодоступного азота под кустарниками и паром — слабоизмененные, а под хвойно-кустарниковой растительностью — среднеизмененные.

8. Для улучшения функций почвы "источник питательных элементов и соединений" и "депо влаги, элементов питания и энергии" можно рекомендовать дополнительное внесение минеральных и органических удобрений согласно физиологическим потребностям растительного покрова.

References

1. Devyatova T.A. Biodiagnostika pochv: uchebnoe posobie / T.A. Devyatova, T.N. Kramareva. ˗ Voronezh: Izdatel'sko-poligraficheskiy centr VGU, 2008. ˗ 140 s.

2. Dobrovol'skiy G.V. Sohranenie pochv kak nezamenimogo komponenta biosfery. Funkcional'no-ekologicheskiy podhod. / G.V. Dobrovol'skiy, E.D. Nikitin. ˗ M. : Nauka, 2000. ˗ 185 s.

3. Dobrovol'skiy G.V. Ekologiya pochv. Uchenie ob ekologicheskih funkciyah pochv: uchebnik / G.V. Dobrovol'skiy, E.D. Nikitin. ˗ M. : Izdatel'stvo Moskovskogo universiteta, 2012. ˗ 412 s.

4. Zhapparova A.A. Agrohimicheskie metody analiza pochv, rasteniy i udobreniy: uchebnoe posobie / A.A. Zhapparova. ˗ Almaty : Kazahskiy nacional'nyy agrarnyy universitet, 2012. ˗ 98 s.

5. Kramareva T.N. Fermentativnaya aktivnost' pochv botanicheskogo sada VGU im. prof. B.M. Kozo-Polyanskogo pod introducentami razlichnogo vidovogo sostava / T.N. Kramareva, E.A. Yurova // Razvitie nauki v 21 veke : sbornik statey nauchno-informacionnogo centra "Znanie" po materialam 25 Mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferencii 15.05.2017 g., Har'kov. ˗ Har'kov, 2017. ˗ Ch. 1. ˗ S. 39-46.

6. Moiseeva E.V. Cravnitel'naya harakteristika zasuhoustoychivosti nekotoryh vidov drevesno-kustarnikovyh rasteniy prirodnoy flory Central'nogo Chernozem'ya i introducentov / E.V. Moiseeva, E.A. Nikolaev // Botanicheskie sady v sovremennom mire: teoreticheskie i prikladnye issledovaniya: materialy Vserossiyskoy nauchnoy konferencii s mezhdunarodnym uchastiem, posvyaschennoy 80-letiyu so dnya rozhdeniya akademika L.N. Andreeva. ˗ M. : OOO «Tovarischestvo nauchnyh izdaniy KMK», 2011. ˗ S. 473-475.

7. Shevchenko V.A.Izmenenie ekologicheskih funkciy pochv pri dlitel'nom vozdeystvii prirodnyh i antropogennyh faktorov / V.A. Shevchenko // Melioraciya i vodnoe hozyaystvo. 2016.№ 6. S. 16-18.

8. Ekologicheskie funkcii litosfery / V. T. Trofimov, D. G. Ziling, T. A. Baraboshkina i dr. ˗ M. : Iz-vo Mosk. un-ta, 2000. ˗ 430 s.

9. Dergacheva M.I. Ecological Functions of Soil Humus / M.I. Dergacheva // Eurasian Soil Science, 2001. ˗ V. 34 (51). ˗ pp. 100-105.

10. Ecological importance of soil bacterivores for ecosystem functions / Trap J., Blanchart E., Bonkowski M., Plassard C., Villenave C. // Plant and Soil, 2016. ˗ T. 398. ˗ № 1-2. ˗ pp. 1-24.

11. Kolesnikov S.I. Ecological Functions of Soils and the Effect of Contamination with heavy Metals / S.I. Kolesnikov, Sh. Kamil, V.F. Val'kov // Eurasian Soil Science, 2002. ˗ T. 35 (12). ˗ pp. 1335-1340.

12. Structure and ecological functions of soil micro-food web / X.F. Du, Y.B. Li, F. Liu, X.L. Su, Q. Li // Chinese Journal of Applied Ecology, 2018. ˗ T. 29. ˗ №2. ˗ pp. 403-411.


Login or Create
* Forgot password?