На правах рукописи ВЕРШИНИНА ИРИНА ВАЛЕРЬЕВНА ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ИЗМЕНЕНИЙ
advertisement
На правах рукописи ВЕРШИНИНА ИРИНА ВАЛЕРЬЕВНА ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ИЗМЕНЕНИЙ ПОЧВЕННО-БИОТИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА И КОМПОНЕНТОВ ТРОФИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ БИОЦЕНОЗА НАРУШЕННОЙ СВЕТЛО-СЕРОЙ ЛЕСНОЙ ПОЧВЫ Специальность 03.02.08 – экология (биология) 06.01.04 – агрохимия (биологические науки) АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук Научный руководитель: доктор с.-х. наук, проф. Титова В.И. канд. с.-х. наук Ветчинников А.А. Москва – 2013 Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Нижегородская государственная сельскохозяйственная академия», кафедра агрохимии и агроэкологии Научный руководитель: доктор сельскохозяйственных наук, профессор Титова Вера Ивановна кандидат сельскохозяйственных наук, доцент Ветчинников Александр Александрович Официальные оппоненты: Мосина Людмила Владимировна доктор биол. наук, профессор кафедры экологии РГАУ – МСХА им. К.А. Тимирязева Леднев Андрей Викторович доктор с.-х. наук, зам. директора по научной работе ГНУ «Удмуртский НИИСХ» Россельхозакадемии Ведущая организация: ГНУ «Нижегородский НИИСХ» Россельхозакадемии Защита диссертации состоится _____________________ 2013 года в _______ на заседании диссертационного совета Д 220.043.03 при Российском государственном аграрном университете – МСХА имени К.А. Тимирязева по адресу: 127550, г. Москва, ул. Прянишникова, д. 15. Текст автореферата размещен на сайте РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева: www.timacad.ru. С диссертацией можно ознакомиться в Центральной научной библиотеке РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева. Автореферат разослан ______________________________ Ученый секретарь диссертационного совета О.В. Селицкая 2 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность исследований В настоящее время есть много публикаций (Добровольский, Никитин, 2000; Алексахин, 2006; Леднев, 2008, 2009 и др.), раскрывающих проблемы восстановления территорий, которые были нарушены разработками полезных ископаемых и торфа или нефтяного загрязнения. Но среди них крайне мало данных по вопросам изучения рекультивации механически нарушенных земель сельскохозяйственного назначения, а все имеющиеся исследования техногенно трансформированных почв в основном сводятся к характеристике преимущественно геоморфологических, эколого-геохимических и агрохимических особенностей их свойств и их изменения. Оценка же нарушенности почв и темпов ее регенерации в процессе рекультивации по совокупному изменению критериев почвенно-биотического комплекса (ПБК) остается практически незатронутой, что, по современным взглядам на почву как на биокостное следствие жизнедеятельности растительных и животных ассоциаций в костной геологической породе (Добровольский, 2011; Звягинцев и др., 2005), не позволяет наиболее полно охарактеризовать как направление и скорость восстановления механически нарушенных почв до уровня, близкого к фоновому, так и эффективность приемов самой рекультивации. Это и определило необходимость проведения разностороннего научноисследовательского мониторинга механически нарушенных земель сельскохозяйственного назначения Нижегородской области по комплексу агрохимических и различных эколого-биотических критериев, направленного на выявление влияния исследуемого техногенного воздействия на состояние компонентов ПБК, а также обнаружение тенденций их изменения и степени устойчивости при проведении биологической рекультивации нарушенных почв. Цель и задачи исследований Основной целью исследований явилась комплексная оценка почвеннобиотического комплекса техногенно нарушенных агро- и натурбиогеоценозов по плодородию почвы, состоянию фито-, зоо- и микробоценоза, а также их интегральной устойчивости при проведении биологической рекультивации на светлосерой лесной легкосуглинистой почве. Программа исследований предусматривала решение следующих задач: оценить влияние биологической рекультивации механически нарушенных светло-серых лесных почв на флористический состав и устойчивость экоморфологической структуры агро- и натурфитоценоза во времени; изучить комплексы беспозвоночных на нарушенных почвах по плотности микроартропод и почвенных представителей мезофауны, а также изменению трофической структуры педобионтов; 3 дать комплексную оценку состояния микробоценоза нарушенных почв, выявить тенденции изменения численности и биологической активности микрофлоры различных эколого-физиологических групп, с выделением доли коренных микробных ассоциаций, при возвращении нарушенных почв в использование; оценить плодородие нарушенных почв и их устойчивость к техногенным воздействиям, а также влияние на эти параметры биологической рекультивации и самовосстановления почвенно-биотического комплекса. Научная новизна На основании натурных наблюдений в производстве дана сравнительная оценка динамики изменения состояния основных компонентов почвеннобиотического комплекса (почвы, фитоценоза, почвенного зооценоза, а также микробных ассоциаций, контролирующих циклы азота и углерода) светло-серых лесных почв, нарушенных при проведении строительно-ремонтных работ на магистральных трубопроводах. Впервые оценены направленность и сила регенерационных процессов фитоценоза, микро- и мезофаунистической составляющей зооценоза, что позволяет рассматривать изменения видового разнообразия и численности почвенной биоты в качестве индикаторов степени нарушенности ПБК. Установлено, что техногенное нарушение почвенного профиля приводит к снижению количества сапротрофов первого порядка (аммонифицирующих, амилолитических и целлюлолитических микроорганизмов), повышению численности автохтонной и олигокарбофильной микробиоты, а биологическое восстановление нарушенной почвы способствует сохранению ее микробного статуса, снижая развитие микрофлоры, разрушающей гумусовые вещества и повышая способность к минерализации легкоразлагаемых органических компонентов. Практическая значимость исследований Результаты применяются при разработке проектов рекультивации техногенно нарушенных агроценозов и естественных биоценозов для обоснования периода восстановления плодородия почвы и природно-хозяйственной значимости территории. Данные учета экоморфологического состава растительных сообществ, характеризуемые коэффициентами видового богатства, доминирования, выровненности и флористического сходства, а также определения численности видов беспозвоночных почвенных животных, плотности населения организмов и их вертикального распределения по профилю почвы, анализа трофической структуры представителей мезофауны и жизненных форм мелких членистоногих (коллембол) могут быть использованы в системе оценки экологической устойчивости техногенно нарушенной экосистемы. Конкретные данные по изменению коэффициентов минерализации азот- и углеродсодержащего органического вещества, индексов педотрофности и авто4 хтонности, а также индексов микробиологической устойчивости ПБК могут быть востребованы для обоснования биологического способа рекультивирования нарушенной территории Основные результаты исследований используются в процессе преподавания дисциплин «Экология», «Оценка воздействия на окружающую среду», «Экологическая экспертиза» и «Охрана окружающей среды», читаемых в Нижегородской государственной сельскохозяйственной академии, а также дисциплин «Методы полевых исследований по зоологии», «Ботаника с основами фитоценологии», «Микробиология», «Биогеография» в Нижегородском государственном педагогическом университете им. К. Минина. Основные положения, выносимые на защиту 1. Изучение сукцессионных процессов и самовосстановления фитоценоза в нарушенных экосистемах является важным критерием оценки их сформированности, экологической и хозяйственной ценности, возможности осуществления экологических функций. 2. Нарушение почвенно-растительного покрова ведет к изменению состава и структуры микро- и мезофаунистического комплекса. Биологическая рекультивация положительно влияет на трофическую структуру почвенных организмов, способствуя восстановлению численности сапрофагов, возрастающее долевое участие которых является положительным биологическим критерием индикации восстановления почвенного плодородия. 3. Биологическая рекультивация нарушенной светло-серой лесной легкосуглинистой почвы способствует оптимизации ее биологической активности и стабилизации микробиологической составляющей ПБК за счет уравновешивания разносторонних процессов трансформации почвенного вещества. 4. Интегральная устойчивость против техногенного нарушения для почв, занятых натурбиоценозами, выше, чем для почв, занятых культурной растительностью. Использование агромелиорантов, органических и минеральных удобрений, а также залужение территории способствуют ее повышению. Апробация работы Результаты исследований ежегодно докладывались на научно-практических конференциях студентов, аспирантов и педагогических работников Нижегородской ГСХА (Н. Новгород, 2011-2013 гг.), на международной научно-практической конференции «Нетрадиционные источники и приемы организации питания растений» (Н. Новгород, НГСХА, 2011 г.), на международной научной конференции, посвященной 85-летию М.Г. Танзыбаева (Абакан, НИИ аграрных проблем Хакасии, 2012 г.), а также на Международной конференции при Московской летней экологической школе MOSES-2011 (Москва, РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева, 2011 г.) и на научно-практической конференции при международной научной летней школе Agro Tech-2013 (Краснодар, Кубанский ГАУ, 2013 г.). 5 Общее количество опубликованных работ представлено 11 наименованиями (3,35 усл. печ. л.) с личным участием в 2,03 усл. печ. л. В журналах, рекомендованных ВАК РФ, опубликовано 3 работы. Объем и структура работы Диссертация содержит введение, обзор литературы, 7 глав результативной части и выводы. Работа изложена на 195 страницах, содержит 14 формул, 21 таблицу, 23 рисунка и 10 приложений. Список литературы включает 409 наименований, в т.ч. 26 иностранных публикаций. Исследования выполнены в соответствии с комплексным тематическим планом научных исследований Нижегородской ГСХА (номер государственной регистрации темы 0120.0 805769). СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Глава 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ Анализ литературных источников показал, что в настоящее время изучение техногенно нарушенных почв сосредоточенно, в основном, на анализе показателей гео- и агрономического плана (Васенев, 2011; Ветчинников, 2010; Биккинина, 2005, 2007; Махонина, 2003; Муха, 2002; 2004; Розанова, 2004; Фомина, 2005 и др.), анализ же биоты проводится очень редко (Бессолицына, 2011; Емцев, 2006, 2007, 2012; Зенкова, 2009; Михеева, 2009; Сибирина, 2012; Стриганова, 1995; Черников, 1992; Чибрик, Елькин, 1991; Чистяков, 1972; Утробина, 1984 и др.). В связи с этим была поставлена задача комплексного изучения свойств почвенной биоты и агрохимических показателей при естественном восстановлении почвы и ее биологической рекультивации. Глава 2. ОБЪЕКТЫ, УСЛОВИЯ И МЕТОДЫ ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ Исследования по оценке воздействия строительно-ремонтных работ на агрохимическое и биотическое состояние почвенного покрова проводили на территории СПК «Нижегородец» в два этапа: полевой и лабораторный. На первом этапе (август 2009 г.) осуществили рекогносцировочное обследование территории и выявили 2 поля земель сельхозназначения с ранее нарушаемыми почвами: агроценоз в виде посева многолетних трав (клевер + тимофеевка) и естественный многолетний луг, задерненный разнотравьем. В апреле-мае 2010 года на каждом из этих участков были проведены ремонтные работы на нефтепроводе, вследствие чего растительность была уничтожена, а почвы – нарушены. На территории агробиогеоценоза были выделены 2 нарушенных участка (вар. 2 и 3), каждый протяженностью около 350 м, расположенных на расстоянии около 500 м друг от друга, а на территории натурбиогеоценоза участки (вар. 5 и 6) располагались друг от друга на расстоянии 370 м. К июню 2010 года на нарушенных почвах агро- и натурбиогеоценозов (вар. 2 и 3, а также вар. 5 и 6) был проведен технический этап рекультивации, а на отдельных участках нарушенных почв (вар. 2, 3 и 6) были выполнены некоторые работы из этапа биологической рекультивации. Так, на варианте 3 внесены доломитовая мука (доза 4 т/га), органические удобрения (торфо-навозный компост из расчета 60 т/га), минеральные удобрения 6 (Р60К60 в виде фосфоритной муки и хлористого калия) и подсеяны многолетние бобово-злаковые травы (клевер + тимофеевка). На варианте 6 (натурбиогеоценоз) перед заключительной стадией технической рекультивации была внесена доломитовая мука (доза 4 т/га), что должно было оптимизировать реакцию почвы и улучшить условия произрастания самовосстанавливающегося фитоценоза, а на варианте 2 агробиогеоценоза сразу после проведения технической рекультивации была высеяна викоовсяная смесь. Принципиальная схема исследований показана в таблице 1. 1. Схема исследований Варианты (условное обозначение) 1. Контроль – Агро 2. Нарушенная почва (НП → НП – Агро) 3. Нарушенная почва + рекультивация (НП + Р – Агро) 4.Контроль – Натур 5. Нарушенная почва (НП → НП – Натур) 6. Нарушенная почва + рекультивация + самовосстановление (НП + РС – Натур) Годы исследований 2010 2011 Агробиогеоценоз Клевер + тимофеевка Клевер + тимофеев2 г.ж. ка 3 г.ж. Ремонтные работы Ремонтные работы (+подсев вико-овса) (вико-овес + травы) Клевер + тимофеевка 4 г.ж. Клевер + тимофеевка 2 г.ж. Ремонтные работы (+ рекультивация) Клевер + тимофеевка 3 г.ж. Клевер + тимофеевка 2 г.ж. Натурбиогеоценоз Луговое Луговое разнотравье разнотравье Ремонтные Ремонтные работы (+ самоработы (+ самовосстановление) восстановление) Ремонтные работы (+рекультивация + самовосстановление) Самовосстановление (залежь 1) 2012 Луговое разнотравье Самовосстановление (залежь 1) Самовосстановление (залежь 2) В весенний период 2011 года (май), однако, на участках вариантов 2 и 5 в связи с производственной необходимостью организации, обслуживающей данные магистральные нефтепроводы (ОАО «Верхневолжскнефтепровод»), вновь были выполнены ремонтные работы, вследствие чего был нарушен сеяный (вар. 2) и естественный (вар. 5) фитоценоз, а почва подверглась вторичному механическому нарушению. В июне 2011 года на этих участках также была проведена техническая рекультивация, завершившаяся на участке варианта 2 высевом многолетней бобово-злаковой травосмеси под покров викоовсяной смеси (без внесения агромелиорантов, органических и минеральных удобрений). Участок лугового ценоза варианта 5 был оставлен под самовосстановление. Таким образом, в 2012 году на варианте 2 агробиогеоценоза росли клевер и тимофеевка 2 го года жизни, а на варианте 5 – залежь 1го года. Участки вариантов 3 и 6, начиная с 2011 года, не подвергались никаким дополнительным антропогенным вмешательствам: на варианте 3 росли сеяные бобово-злаковые травы, а на варианте 6 – естественная отрастающая сорно-рудеральная растительность. 7 Фоновыми объектами (контролем) явились территории полей агроценоза и луга (соответственно вар. 1 и 4), не затронутые деятельностью по строительству и ремонту нефтепровода. На поле варианта 1 в 2010 году росла травосмесь клевера с тимофеевкой 2го года жизни, в течение всех дальнейших лет исследования используемая как сеяный сенокос. На участке 4 в течение 2010-2012 гг. произрастала естественная луговая ассоциация растений. Каждый вариант исследований представлял собой пробную площадку формы, близкой к квадратной, длина одной из сторон которой представляла собой ширину полосы отвода (14 м), а длина другой стороны определялась длиной аварийной части трубопровода и тоже была близка к 14 м. Для проведения агрохимического анализа почвенные пробы отбирали ежегодно осенью (n = 12). Для микробиологического и биохимического анализа почвенные образцы отбирали дважды в год почвенным буром из 20и точек пробной площадки, которые смешивали в 4 индивидуальные пробы для лабораторного анализа. Отбор проб почвы на заселенность микроартроподами (коллемболами, орибатидами) осуществляли в 3 срока (конец мая, середина июля и конец октября) с различных глубин (0-5 и 5-10 см) металлическим пробоотборником прямоугольной формы (объем 125 см3) из 15 точек квадратной рамки (1×1 м), помещенной на предварительно выбранных 4-х стационарных участках каждого варианта. Представителей мезофауны (жуки, дождевые черви, многоножки и т.д.) учитывали также в три срока методом почвенных раскопок с последующей ручной разборкой проб. Пробы площадью 50×50 см (0,25 м2) отбирали послойно – через каждые 10 см, до нижнего предела встречаемости почвенных беспозвоночных. Фаунистические сборы и учет напочвенных беспозвоночных проводили методом ловушек и ловчих канавок. В каждом изучаемом варианте биотопов размещали по 40 ловушек. Фиксацию представителей мезофауны осуществляли с помощью этилового спирта с 4%-ным формалином. Фитоценотические наблюдения проводили по стандартным общепринятым геоботаническим методам с использованием пробных площадей размером 1 м2, которые закладывали в 5-ти кратной повторности на каждом изучаемом участке. Анализ почвенных образцов на агрохимические, микробиологические и биохимические показатели выполнен в соответствии с принятыми в современной лабораторной практике руководствами в лабораториях кафедры агрохимии и агроэкологии Нижегородской ГСХА. Учет показателей биологической активности почвы проводили из свежих образцов непосредственно после их отбора, а определение биомассы микроорганизмов почвы – регидратационным методом количественного учета углерода микробной биомассы по Благодатскому, Мирчинк и Паникову. Определение численности основных эколого-физиологических групп микроорганизмов в почве проводили чашечным методом Коха из оптимальных разведений почвенной суспензии с посевом на общепринятые твердые питатель8 ные среды из расчета параллельного засева 5и чашек Петри на образец почвы. В качестве питательных сред использовали: для определения численности аммонифицирующей микрофлоры – мясопептонный агар, амилолитической – крахмало-аммиачный агар, аэробной целлюлолитической микрофлоры – агар Гетчинсона-Клейтона, олигонитрофильной микрофлоры – агар Эшби, олигокарбофильной микрофлоры – «голодный» агар, копиотрофной микрофлоры – почвенный агар (с вытяжкой из изучаемой светло-серой лесной почвы), автохтонной микрофлоры – нитритный агар Теппер. Ферментативную активность почвы определяли следующими методами: активность протеазы – по методу Галстяна и Арутюнян, активность инвертазы – по методу Купревича и Щербаковой, аппликационный метод Кристенсена использовали при определении целлюлолитической активности, интенсивность выделения CO2 определяли газометрическим методом Галстяна. Коллембол и орибатид из почвенных образцов выделяли стационарно в лаборатории по методу Тульгрена-Берлезе с подогревом электролампами мощностью 40 Вт в течение 3х дней экспозиции. Экстрагированные экземпляры микроартропод учитывали визуально под бинокулярным микроскопом. Идентификацию жизненных форм коллембол также проводили при микроскопировании под бинокуляром с использованием препаровальных игл. Видовой состав организмов определяли в соответствии с внешним морфологическим строением каждой конкретной таксономической единицы всех обнаруженных экземпляров по ключам общепринятых определителей для представителей фауны. Описание фитоценоза проводили с учетом числа видов (видовой насыщенности), общего количества растений, проективного покрытия, видового доминирования, экоморфологической структуры. Оценку зооценоза осуществляли посредством определения численности видов, плотности населения организмов и их вертикального распределения по профилю почвы, анализа трофической структуры представителей мезофауны и жизненных форм мелких членистоногих – коллембол. Для оценки устойчивости фитобиотических сообществ были использованы индексы видового разнообразия и доминирования, а также коэффициенты экологического сходства (индекс видового богатства Маргалефа, доминирования Симпсона, выровненности Пиелу). Мера видового доминирования представителей мезофауны рассчитана с помощью индекса доминирования Бергера-Паркера, учет видового разнообразия мезофаунистического комплекса педобионтов – по индексам Менхиника, Шеннона и Макинтоша. Выявление сходства систематического состава сообществ было осуществлено в соответствии с фаунофлористическими списками по коэффициентам, общепринятым в геоботанике и зоогеографии (коэффициент Жаккара, Серенсена-Чекановского). Коэффициенты азотной и углеродной минерализации определены по Мишустину, ндексы педотрофности, автохтонности и устойчивости микробного пула почвы – по Никитину, Аристовской и Мухе соответственно. 9 Математическая обработка результатов исследований проведена с использованием методов вариационной статистики и программного обеспечения Microsoft Office Excel 2007. Глава 3. ФИТОЦЕНОЗ КАК СОСТАВЛЯЮЩАЯ ЭКОСИСТЕМЫ Растения, будучи продуцентами, являются организаторами экосистемы, составляют начало трофической цепи, формируя основу ее структуры. В этой связи изучение сукцессионных процессов и самовосстановления фитоценоза является важным критерием оценки нарушенных почв. 3.1. Общая характеристика флористического состава растительного покрова нарушенных почв Данные по флористическому составу растительных сообществ изучаемых фитоценозов в динамике по годам исследования приведены на рис. 1. Рис. 1. Видовой состав агро- и натурфитоценозов Восстанавливающиеся натурфитоценозы нарушенных почв характеризуются малым числом трав и низкой видовой насыщенностью. Основным компонентом вновь формирующихся фитоценозов является разнотравье с преобладанием сорно-рудеральных трав из сем. Сложноцветных и Гречишных и полное отсутствие в видовом составе трав сем. Бобовых. Достаточно высокое обилие культурного компонента нарушенного варианта агрофитоценоза обусловлено подсевом многолетних трав. Сорный компонент присутствовал во всех изучаемых вариантах агрофитоценоза с преобладанием трав из сем. Злаковые. Восстановление численности и видового состава трав натур- и культурфитоценозов более интенсивно протекало на варианте с частичной и полной рекультивацией. Отмечено, что возрастание обилия флоры способствовало увеличению площади проективного покрытия натурфитоценозов. 3.2. Экоморфологическая структура фитоценозов и оценка их устойчивости во времени В зависимости от комплекса эдафических факторов техногенно-нарушенного ландшафта, формирующиеся на нем растительные сообщества обладают специ10 фической экобиоморфологической структурой. Нами проведен сравнительный анализ экологической структуры флор изучаемых фитоценозов по отношению к влагообеспеченности, гранулометрическому составу, кислотности почв и наличию биогенных элементов питания. Установлено, что на всех вариантах в течение 2010-2012 гг. по отношению к влагообеспеченности почвы доминирующей группой являлись мезофиты. В состав натурфитоценоза в отличие от культурфитоценоза входили ксеро- и гигромезофиты. Рекультивация нарушенных участков способствовала более интенсивному восстановлению экологической структуры гидроморф, обладающей сходными чертами с контрольным вариантом – ненарушенной почвой. По отношению к кислотности почв в культурфитоценозе преобладали растения из группы ацидофилов-нейтрофилов, вариант с рекультивацией характеризовался близкими значениями к контролю, а на нарушенной почве значительную долю составляли ацидофилы. Эвтрофные особи в структуре культурфитоценоза преобладали, но нарушение почвенного покрова снижало долю этих организмов. В натурфитоценозе доминирующая группа была представлена мезотрофами, долевое участие которых было минимально на варианте с нарушением почвы. Частичная рекультивация нарушенного почвенного покрова влияла на формирование растительного сообщества натурфитоценоза, экологическая структура которого по отношению к элементам питания имела черты сходства с ненарушенной почвой. На основании индексов видового разнообразия можно констатировать (табл. 2), что относительной устойчивостью в культур- и натурфитоценозе обладало растительное сообщество варианта, где была биологическая рекультивация. Минимальная устойчивость фитоценозов характерна для вариантов с нарушенной почвой. Максимальным видовым сходством (табл. 3), согласно индексам Жаккара и Серенсена-Чекановского, в культурфитоценозе отличались контроль и вариант с биологической рекультивацией, а в натурфитоценозе оно было более приближено к варианту с внесением доломитовой муки по нарушенной почве. Глава 4. ПОЧВЕННЫЙ ЗООЦЕНОЗ КАК ОСНОВНОЙ КОМПОНЕНТ ПОЧВЕННОГО БИОТИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА Комплексы педобионтов тонко реагируют на любые трансформации в окружающей их среде, что позволяет рассматривать изменения видового разнообразия, численности и биомассы беспозвоночных животных, связанных с почвой определенным периодом онтогенеза, в качестве биологических индикаторов степени нарушенности почвенно-биотического комплекса биогеоценозов. 4.1. Регенерационные процессы в микрофаунистическом комплексе беспозвоночных на нарушенных почвах В рамках изучения микрофаунистичекого комплекса нарушенных почв оценивалась динамика численности микроартропод и изменение плотности основных составляющих его живых компонентов (рис. 2). 11 Таблица 2 Характеристика видового разнообразия растительного покрова механически нарушенных почв Вариант 1. Контроль – Агро 2. НП → НП – Агро 3. НП + Р – Агро 4. Контроль – Натур 5. НП → НП – Натур 6. НП + РС – Натур Индекс видового богатства 2010 г. 2011 г. 2012 г. 1,51 1,52 1,53 2,00 1,82 1,58 1,77 1,52 1,52 6,78 6,60 6,58 4,15 4,84 5,35 4,22 4,94 5,10 Индекс доминирования 2010 г. 2011 г. 2012 г. 0,46 0,44 0,44 0,28 0,32 0,47 0,32 0,43 0,40 0,05 0,04 0,04 0,09 0,07 0,06 0,07 0,05 0,05 Индекс выровненности 2010 г. 2011 г. 2012 г. 0,44 0,49 0,49 0,67 0,56 0,46 0,37 0,49 0,55 0,89 0,91 0,92 0,97 0,98 0,98 0,93 0,89 0,89 Таблица 3 Характеристика флористического сходства растительных сообществ механически нарушенных почв Сравниваемые варианты (Контроль – Агро) : (НП → НП – Агро) (НП → НП – Агро) : (НП + Р – Агро) (Контроль – Агро) : (НП + Р – Агро) (Контроль – Натур) : (НП → НП – Натур) (НП → НП – Натур) : (НП + Р – Натур) (Контроль – Натур) : (НП + Р – Натур) Коэффициент Жаккара 2010 г. 2011 г. 2012 г. 0,62 0,69 0,81 0,76 0,75 0,81 0,83 1,00 1,00 0,23 0,31 0,35 0,36 0,43 0,58 0,32 0,48 0,54 12 Коэффициент Серенсена-Чекановского 2010 г. 2011 г. 2012 г. 0,76 0,81 0,90 0,87 0,82 0,90 0,91 1,00 1,00 0,37 0,47 0,52 0,53 0,60 0,73 0,49 0,65 0,70 Рис. 2. Средняя численность микроартропод в нарушенных почвах агро- и натурбиогеоценоза Выявлено, что нарушение почвенно-растительного покрова вело к сокращению численности мелких почвообитающих членистоногих. В составе микроартропод наиболее уязвимой группой были панцирные клещи, восстановление числа которых происходило значительно медленнее, чем коллембол. Заселение нарушенных почвенных горизонтов происходило преимущественно с верхнего слоя (0-5 см) гемиэдафическими подстилочнопочвенными формами коллембол. Основной доминирующей группой мелких почвенных беспозвоночных в нарушенных почвах агро- и натурбиогеоценоза являлись ногохвостки. Количество микроартропод на варианте с нарушением в агробиогеоценозе было значительно выше, чем в варианте с нарушением почвенного профиля в натурбиогеоценозе, что при сходных почвенных условиях в этих двух вариантах может быть обусловлено лишь разным составом фитоценозов. Рекультивация оказывала положительный эффект на обилие мелких почвообитающих беспозвоночных как в агро-, так и натурбиогеоценозе. При этом регенерационные процессы восстановления комплекса микроартропод наиболее интенсивно протекали в агробиогеоценозе, где был осуществлен полный комплекс работ по биологической рекультивации. Внесение агромелиорантов и посев многолетних трав в большей степени способствовали увеличению численности коллембол, а количество панцирных клещей увеличивалось значительно медленнее. Мелкие внутрипочвенные организмы в условиях рекультивации осваивали верхний почвенный горизонт до глубины 10 см. Рекультивация нарушенного участка агробиогеоценоза способствовала также восстановлению эуэдафических верхнепочвенных форм коллембол, а в условиях самовосстановле13 ния натурбиогеоценоза наибольшим развитием характеризовались гемиэдафические подстилочнопочвенные формы. 4.2. Регенерационные процессы в мезофаунистическом комплексе беспозвоночных на нарушенных почвах Установлено, что нарушение почвенно-растительного покрова ведет к изменению состава и структуры мезофаунистического комплекса. Вследствие техногенного воздействия значительно снижается плотность населения беспозвоночных животных агро- и натурбиогеоценоза (рис. 3-6), обедняется видовой состав педобионтов: наряду с уменьшением видового разнообразия поверхностных напочвенных обитателей сокращается обилие типично почвенных форм. Нарушение почвенного профиля в результате ремонтных работ на нефтепроводе оказывает наибольший элиминирующий эффект на п/отр. Дождевых червей (рис.7, 8). Все почвообитающие беспозвоночные, которые способны существовать в новых техногенно измененных условиях среды (нарушенные почвы), преимущественно сосредотачиваются в верхнем почвенном слое (0-10 см). Последствия нарушения почвенно-растительного покрова находят своё отражение в изменении трофической структуры комплекса педобионтов (рис. 9-10): наибольшее развитие получает группа фитофагов, доля которых находится на уровне 60% для натурбиогеоценоза, а для агробиогеоценоза даже превышает этот показатель, при этом доля сапрофагов чрезвычайно ничтожна. Устойчивого видового доминирования на нарушенных участках выявлено не было, преобладающий вид беспозвоночных менялся в течение всех лет исследований. Биологическая рекультивация нарушенных участков способствует постепенному увеличению численности и видового разнообразия изучаемых групп педобионтов. Под многолетними бобово-злаковыми травами и естественным разнотравьем формируется почвенный зооценоз, наиболее близкий по своему составу и структуре к ненарушенной почве. Восстановление напочвенных форм идет в совокупности с развитием типичных внутрипочвенных организмов. Рекультивация обуславливает возможность существования в ранее нарушенной почве олигохет. Вертикальное размещение почвенных форм беспозвоночных на рекультивируемой почве охватывает почвенный профиль до 30 см. В целом, биологическая рекультивация положительно влияет на трофическую структуру почвенных организмов, способствуя восстановлению численности сапрофагов, возрастающее долевое участие которых является положительным биологическим критерием индикации восстановления почвенного плодородия. Глава 5. БИОЛОГИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ СВЕТЛО-СЕРОЙ ЛЕСНОЙ ПОЧВЫ КАК СЛЕДСТВИЕ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ ЕЕ МИКРОБИОЦЕНОЗА Важным следствием пополнения почвенной среды доступными формами биогенных элементов и оценки экологической устойчивости почвенно-биотического 14 Рис. 3. Средняя численность насекомых в нарушенных почвах агробиогеоценоза Рис. 4. Плотность населения внутрипочвенной группы мезофауны нарушенных почв агробиогеоценоза Рис. 5. Вертикальное размещение представителей мезофауны в нарушенной почве агробиогеоценоза Рис. 6. Трофическая структура комплекса беспозвоночных нарушенных почв агробиогеоценоза 15 Рис. 7. Средняя численность насекомых в нарушенных почвах натурбиогеоценоза Рис. 8. Плотность населения внутрипочвенной группы мезофауны в нарушенных почвах натурбиогеоценоза Рис. 9. Вертикальное размещение представителей мезофауны в нарушенной почве натурбиогеоценоза Рис. 10. Трофическая структура комплекса беспозвоночных в нарушенных почвах натурбиогеоценоза 16 комплекса является учет численности отдельных эколого-физиологических групп микробоценоза и соответствующей им биологической активности. 5.1. Изменения в гидролитической части микробиоценоза, минерализующей сложные органические вещества почвы Динамика численности аммонифицирующих микроорганизмов почвы и ее протеолитической активности приведена на рис. 11, а амилолитических микроорганизмов почвы и ее инвертазной активности – на рис. 12, а целлюлолитических микроорганизмов почвы и ее целлюлолитической активности – на рис. 13. мг глицина / 1 г почвы / 24 ч. ×107 КОЕ / 1 г почвы 50 12 45 10 40 35 8 30 25 6 20 4 15 10 2 5 0 0 2010 2011 2012 2010 2011 Контроль 2012 2010 НП → НП Численность на МПА (агро) Численность на МПА (натур) 2011 2012 НП + Р (С) Активность протеазы (агро) Активность протеазы (натур) Рис. 11. Изменение численности аммонифицирующих микроорганизмов почвы и ее протеолитической активности мг глюкозы / 1 г почвы / 24 ч. ×107 КОЕ / 1 г почвы 40 25 23 35 21 30 19 25 17 20 15 13 15 11 10 9 5 7 0 5 2010 2011 2012 2010 2011 Контроль 2012 2010 НП → НП Численность на КАА (агро) Численность на КАА (натур) 2011 2012 НП + Р (С) Активность инвертазы (агро) Активность инвертазы (натур) Рис. 12. Изменение численности амилолитических микроорганизмов почвы и ее инвертазной активности 14 ×103 КОЕ / 1 г почвы % 55 50 12 45 40 10 35 8 30 25 6 20 4 15 10 2 5 0 0 2010 2011 2012 2010 Контроль Числе нность на АГК (а гро) 2011 2012 НП → НП Числе нность на АГК (на тур) Це ллюлолитиче ска я а ктивность (а гро) 2010 2011 2012 НП + Р (С) Це ллюлолитиче ска я а ктивность (на тур) Рис. 13. Изменение численности целлюлолитических микроорганизмов почвы и ее целлюлолитической активности 5.2. Изменения в копиотрофной части микробиоценоза, утилизирующей простые и специфические органические вещества почвы Изменение средней численности двух ассоциаций микроорганизмов rстратегов микробного пула почвы показаны на рис.14. 17 ×106 КОЕ / 1 г почвы 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 2010 2011 2012 2010 2011 Контроль Численность на ПА (агро) 2012 2010 НП → НП Численность на ПА (натур) Численность на НА (агро) 2011 2012 НП + Р (С) Численность на НА (натур) Рис. 14. Изменение численности копиотрофных и автохтонных микроорганизмов почвы 5.3. Изменения в олиготрофной части микробиоценоза, утилизирующей остаточную часть органического вещества почвы На рисунке 15 показано изменение средней численности двух групп олиготрофных микроорганизмов почвы как показателей общего состояния функционирования микробного пула почвы. ×105 КОЕ / 1 г почвы 6,5 6,0 5,5 5,0 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 2010 2011 2012 Контроль Численность на Эшби (агро) 2010 2011 2012 НП → НП Численность на Эшби (натур) Численность на ГА (агро) 2010 2011 2012 НП + Р (С) Численность на ГА (натур) Рис. 15. Изменение численности олигонитрофильных и олигокарбофильных микроорганизмов почвы Можно констатировать, что техногенное нарушение почвенного профиля привело к снижению численности аммонифицирующих, амилолитических и целлюлолитических микроорганизмов почвы, являющихся сапротрофами первого порядка (L-стратеги) и, как следствие, угнетению ферментативной активности почвы в части минерализации сложных азот- и углеродсодержащих веществ. Нарушение почвы способствовало уменьшению количества копиотрофных микроорганизмов, а также повышению численности автохтонной и олигокарбофильной микробиоты. Следствием данных фактов вполне вероятно может явиться нарушение хода азотного и углеродного микробиотических циклов, а также чрезмерная минерализация гумусовых веществ почвы, превалирующая над их синтезом. Проведение биологической рекультивации нарушенных почв способствовало увеличению численности L-стратегов, усилению их ферментативной активности. При рекультивации нарушенных почв незначительно увеличивается численность копиотрофов и олигонитрофилов, а также снижается численность автохтонов. Резонно предполагать, что биологическое восстановление техногенно нарушен18 ной почвы способствует сохранению ее микробного статуса, не нарушая общего течения микробиологических процессов и, вместе с тем, пополнению органического вещества компонентами, предшествующими в гумусовом синтезе. В целом, биологическая активность рекультивированных светло-серых лесных легкосуглинистых почв, судя по изменению численности и ферментативной активности ее микрофлоры, имеет тенденции восстановления к фоновым уровням, типичным для почвенно-географической зоны изучаемых почв. Глава 6. ДИНАМИКА АГРОХИМИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ПОЧВ, ПОДВЕРГШИХСЯ МЕХАНИЧЕСКОМУ НАРУШЕНИЮ Основные свойства, характеризующие почвенное плодородие, составляют группу физико-химических и агрохимических показателей, непосредственно характеризующих насыщенность почвы элементами питания и условия питания. 6.1. Физико-химические показатели нарушенных почв По ходу проведения исследований определяли ряд показателей, характеризующих физико-химические свойства почвы (табл. 4). Выявлено, что механическое нарушение почв способствовало повышению их обменной и снижению гидролитической кислотности. Биологическая рекультивация нарушенных почв в большей степени способствует снижению обменной кислотности на участках натурбиогеоценоза, чем на участках агрофитоценоза; гидролитическая кислотность и сумма поглощенных оснований восстанавливаемых почв повышаются до уровней контрольного участка при культурном содержании трав и выше контрольных значений при естественном произрастании растений. В результате проведения рекультивационных мероприятий почв емкость катионного обмена значительно повышается только на варианте натурбиогеоценоза, однако доля основных катионов ППК, выраженная показателем степени насыщенности основаниями, достигает ее контрольного уровня на варианте культурного фитоценоза трав. 6.2. Агрохимические показатели нарушенных почв Механическое нарушение почв (табл. 5) привело к снижению их гумусированности (на 19% в условиях культурного травостоя и на 45% в условиях естественного сообщества трав), снижению обеспеченности почвы подвижным фосфором (на 41% в почвах агробиогеоценоза и на 31% в почвах натурбиогеоценоза) и обменным калием (на 19 и 7% соответственно). При этом в результате нарушения почвы переходили в разряд очень низкой степени гумусированности и средней степени обеспеченности подвижным фосфором. При рекультивировании нарушенных почв отмечена тенденция повышения содержания подвижного фосфора (на 42% в почвах агробиогеоценоза и на 31% в почвах естественного луга) и обменного калия (до 13% увеличения содержания в почвах культурного луга и до 17% – в почвах натурбиогеоценоза). 19 Таблица 4 Динамика изменения физико-химических показателей в нарушенных почвах за годы проведения исследований рНkcl [ед. рН] Контроль – Агро S [мг-экв. / 100 г почвы] Нг [мг-экв. / 100 г почвы] годы исследований 2010 2011 2012 2010 2011 2012 2010 2011 2012 M±m M±m M±m M±m M±m M±m M±m M±m M±m 5,92 ± 0,63 5,83 ± 0,57 6,02 ± 0,21 8,87 ± 1,65 8,17 ± 0,95 8,67 ± 1,45 1,47 ± 0,19 2,15 ± 0,31 1,67 ± 0,20 НП → НП – Агро 5,20 ± 1,27 5,23 ± 1,63 5,28 ± 1,62 8,32 ± 2,99 7,37 ± 2,71 7,71 ± 2,06 1,28 ± 0,30 1,58 ± 0,60 1,93 ± 0,50 НП + Р – Агро 5,37 ± 1,28 5,63 ± 0,68 5,72 ± 1,10 7,43 ± 2,50 7,72 ± 2,06 8,38 ± 1,89 1,82 ± 0,53 1,70 ± 0,57 1,61 ± 0,41 Контроль – Натур 5,67 ± 0,58 5,70 ± 0,37 5,85 ± 0,26 8,03 ± 1,07 7,86 ± 1,12 8,19 ± 1,26 1,94 ± 0,15 2,03 ± 0,17 1,84 ± 0,17 НП → НП – Натур 4,76 ± 1,67 5,05 ± 1,42 4,85 ± 1,18 9,05 ± 3,34 8,61 ± 2,98 9,24 ± 2,61 1,47 ± 0,53 1,63 ± 0,54 1,49 ± 0,32 НП + РС – Натур 5,10 ± 1,19 5,33 ± 0,93 5,68 ± 1,02 8,98 ± 2,80 9,07 ± 2,06 9,28 ± 2,32 3,03 ± 0,84 2,69 ± 0,74 2,97 ± 0,77 Вариант Таблица 5 Динамика изменения агрохимических показателей в нарушенных почвах за годы проведения исследований гумус [%] Контроль – Агро НП → НП – Агро 2010 M±m 1,36 ± 0,09 1,10 ± 0,53 2011 M±m 1,42 ± 0,14 1,04 ± 0,35 2012 M±m 1,49 ± 0,13 1,15 ± 0,47 P2O5 [мг/кг] годы исследований 2010 2011 2012 M±m M±m M±m 145 ± 13 154 ± 21 161 ± 21 86 ± 35 92 ± 39 76 ± 24 НП + Р – Агро 1,45 ± 0,37 1,44 ± 0,41 1,50 ± 0,49 122 ± 35 130 ± 34 120 ± 29 75 ± 20 81 ± 25 85 ± 19 Контроль – Натур НП → НП – Натур 1,80 ± 0,09 0,99 ± 0,38 1,83 ± 0,12 1,19 ± 0,36 1,97 ± 0,13 1,09 ± 0,38 104 ± 16 72 ± 23 100 ± 15 67 ± 18 114 ± 13 78 ± 15 96 ± 8 89 ± 36 92 ± 10 87 ± 31 104 ± 9 91 ± 25 НП + РС – Натур 1,18 ± 0,28 1,25 ± 0,30 1,30 ± 0,25 94 ± 26 104 ± 22 99 ± 20 77 ± 33 88 ± 20 91 ± 27 Варианты 20 K2O [мг/кг] 2010 M±m 75 ± 8 61 ± 20 2011 M±m 76 ± 8 59 ± 19 2012 M±m 86 ± 9 67 ± 18 Глава 7. ХАРАКТЕРИСТИКА УСТОЙЧИВОСТИ ПОЧВЕННО-БИОТИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА 7.1. Оценка видового разнообразия мезофаунистического комплекса педобионтов Оценка экологической устойчивости проведена по видовому составу почвенных беспозвоночных, количественные данные по видовому разнообразию которых, основанные на индексах Маргалефа, Менхиника, Шеннона, и мере разнообразия Макинтоша, можно отнести к одному из основных критериев оценки устойчивости биогеоценоза по отношению к изменению экологических факторов. Видовое сравнение фаунистических сообществ осуществлено с помощью коэффициентов Жаккара и Серенсена-Чекановского. Биологическая рекультивация (как полная, так и частичная) способствовала восстановлению устойчивости ценозов путем увеличения числа видов беспозвоночных, о чем свидетельствуют индексы разнообразия. Наименьшее разнообразие, а, следовательно, и наименьшая устойчивость были отмечены для участков с нарушенным почвеннорастительным покровом в отсутствие рекультивационных мероприятий. 7.2. Оценка состояния микробиологической активности почвенно-биотического комплекса Для оценки устойчивости микробоценоза почвы были рассчитаны коэффициентов минерализации азот- и углеродсодержащего органического вещества (рис. 16), индексы педотрофности (степени сродства реального состояния микробиоценоза с контрольным) и автохтонности (степени развития минерализующей гумус микробиоты) – рис. 17 и 18, а также индексы микробиологической устойчивости ПБК по Мухе (рис. 19). Выявлено, что техногенное нарушение почвы привело к развитию микробиологических процессов минерализации специфического органического вещества в условиях агробиогеоценоза и снижению общей микробиологической устойчивости функционирования N- и С-циклов. Рекультивация нарушенных почв способствовала проявлению начального этапа восстановления исходного микробнотрофического состояния ПБК, снижая при этом развитие микрофлоры, разрушающей гумусовые вещества и повышая микробный статус почвы в части трансформации легкоразлагаемых органических компонентов. Следствием этих процессов явилось появление тенденции к уравновешиванию процессов трансформации почвенного вещества в виде активизации «дыхания» почвы, увеличения общей микробомассы и количественного повышения в микробном пуле доли коренных микробных ассоциаций (численность на почвенном агаре). 7.3. Сравнительная оценка устойчивости нарушенных и рекультивированных почв В таблице 6 приведены результаты расчета интегрального показателя устойчивости почв к механическому нарушению. 21 усл. ед. 0,7 1,8 1,6 усл. ед. 0,6 1,4 0,5 1,2 1,0 0,4 0,8 0,3 0,6 0,2 0,4 0,2 0,1 0,0 2010 2011 2012 2010 2011 Контроль 2012 2010 НП → НП 2011 0,0 2012 2010 НП + Р (С) Коэффициент N-минерализации (агро) Коэффициент N-минерализации (натур) Коэффициент С-минерализации (агро) Коэффициент С-минерализации (натур) 2012 2010 2011 Контроль Индекс педотрофности (агро) Рис. 16. Изменение коэффициентов микробиотической N- и С-минерализации почвенного вещества мкг С / 1 г почвы 2011 2012 2010 НП → НП Индекс педотрофности (натур) Индекс автохтонности (агро) 2011 2012 НП + Р (С) Индекс автохтонности (натур) Рис. 17. Изменение индексов педотрофности и автохтонности микробного пула почвы мг СО2 / 10 г почвы / 24 ч. 1600 3,5 1400 3,0 80 усл. ед. 70 60 1200 2,5 50 1000 2,0 40 800 1,5 600 30 1,0 400 20 200 0,5 0 0,0 10 2010 2011 2012 2010 2011 Контроль Микробная биомасса (агро) 2012 2010 НП → НП Микробная биомасса (натур) "Дыхание" почвы (агро) 2011 2012 0 2010 НП + Р (С) 2011 2012 2010 2011 Контроль "Дыхание" почвы (натур) Индекс микробиологической устойчивости (агро) Рис. 18. Изменение почвенной микробной биомассы и интенсивности выделения почвой CO2 2012 НП → НП 2010 2011 НП + Р (С) Индекс микробиологической устойчивости (натур) Рис. 19. Изменение индекса микробиологической устойчивости почвы 22 2012 6. Интегральная оценка устойчивости почв Вариант Контроль – Агро НП → НП – Агро НП + Р – Агро Контроль – Натур НП → НП – Натур НП + РС – Натур Показатели устойчивости, баллы запас рНkcl V гумуса Р2О5 К2О 2,0 1,0 1,6 2,0 1,0 1,3 3,7 3,6 4,0 3,7 4,0 3,0 5,0 4,4 5,7 5,0 3,4 3,7 5,0 3,2 4,5 5,0 3,8 5,2 5,0 4,6 5,6 5,0 5,2 4,9 Ʃ Степень устойчивости 20,7 16,8 21,4 20,7 17,4 18,1 устойч. (5 кат.) относ. устойч. (4 кат.) устойч. (5 кат.) устойч. (5 кат.) относ. устойч. (4 кат.) относ. устойч. (4 кат.) Установлено, что нарушение почвы привело к снижению ее агроэкологической устойчивости: в культурбиогеоценозе – снижение показателя на 3,9 усл. ед., а в натурбиогеоценозе – на 3,3 усл. ед., что привело к переходу почв из 5ой категории устойчивых в 4ую категорию относительно устойчивых почв. Проведение восстановительных работ способствовало повышению и степени устойчивости. Однако только на варианте рекультивированных почв агробиогеоценоза показатель интегральной устойчивости повысился (на 0,7 усл. ед. выше относительно контроля), что способствовало переводу восстановленных почв вновь в 5 ую категорию по степени устойчивости. На варианте естественного травостоя при рекультивации нарушенных почв показатель интегральной устойчивости также повысился (на 0,7 усл. ед. относительно уровня нарушенной почвы), но, не достигая фонового значения на 2,6 усл. ед., он не привел к восстановлению изучаемых почв в 5ую категории устойчивых, оставляя их в 4ой группе относительно устойчивых. ВЫВОДЫ 1. Флористический состав формирующихся нарушенных натурфитоценозов характеризовался малой видовой насыщенностью и присутствием видов, нетипичных для устойчивых фитоценозов суходольных лугов: пионерная группировка флоры была представлена преимущественно сорно-рудеральной, сегетальной растительностью и малым числом злаков. Площадь проективного покрытия при восстановлении фитоценозов возрастала с 12% до 67 при самозарастании, до 86% – в условиях формирования естественного ценоза с частичным проведением биологического этапа рекультивации. Согласно коэффициентам Жаккара и Серенсена-Чекановского, наибольшим сходством флористического состава обладал контрольный вариант по отношению к варианту с рекультивацией – видовое единение достигало максимального значения – 1,00. 2. Нарушение почвенного покрова привело к изменению долевого участия всех компонент экологической структуры фитоценоза: снижалось число мезоксерофитов в культурфитоценозе (на 41,5%) и мезофитов в натурфитоценозе (на 19%), здесь же резко возрастало количество ацидофилов (почти в 3 раза); 23 3. 4. 5. 6. преобладающей экологической группой растений по отношению к элементам питания были эвтрофы (культурфитоценоз) и мезотрофы (натурфитоценоз). Согласно индексам видового разнообразия, наибольшей устойчивостью обладало растительное сообщество варианта, где был осуществлен биологический этап рекультивационных мероприятий (полностью или частично). Нарушение почвенно-растительного покрова вело к сокращению численности мелких почвообитающих членистоногих, при этом наиболее уязвимой группой были панцирные клещи, восстановление числа которых происходило значительно медленнее, чем коллембол. Основной доминирующей группой микроартропод в нарушенных почвах агро- и натурбиогеоценоза являлись ногохвостки (81% и 79% соответственно). Рекультивация способствовала восстановлению эуэдафических верхнепочвенных форм коллембол (до 64%), а в условиях самовосстановления натурбиогеоценоза наибольшим развитием характеризовались гемиэдафические подстилочнопочвенные формы (в среднем 61,3%). Вследствие техногенного воздействия на ПБК значительно снижается плотность населения и обедняется видовой состав педобионтов из группы мезофауны: уменьшается видовое разнообразие поверхностных напочвенных обитателей (в среднем на 7 таксономических единиц в натурбиогеоценозе и на 2 – в агробиогеоценозе), сокращается обилие типично почвенных форм: совокупная численность дождевых червей, многоножек и личинок жесткокрылых падает в агробиогеоценозе в среднем за 3 года на 88,6%, в натурбиогеоценозе – на 96,7%. Почвообитающие беспозвоночные сосредотачиваются в слое почвы 0-10 см, значительное развитие получает группа фитофагов (до 60% и выше). Рекультивация способствует постепенному увеличению численности и видового разнообразия педобионтов: обуславливает восстановление численности сапрофагов и возможность существования в ранее нарушенной почве олигохет (11,2 экз./м 2 в агробиогеоценозе и 4,8 экз./ м2 – в натурбиогеоценозе). Микробиологические свойства светло-серой лесной легкосуглинистой техногенно нарушенной почвы значительно ухудшились: замедлено развитие микроорганизмов сапротрофных эколого-трофических ярусов (аммонифицирующего, амилолитического, целлюлолитического и копиотрофного), сильно превышен уровень соответствующей им биологической активности почвы (неестественное 3х кратное увеличение активности почвенной протеазы, 2х кратное – почвенной инвертазы и целлюлолитической активности). При этом метаболизм автохтонной и олигокарбофильной микробиоты, участвующих в преобразовании гумусовых компонентов, активизирован. Проведение биологической рекультивации способствует оптимизации микробиотического состояния ПБК (увеличению микробиотической биомассы, численности копиотрофов и олигонитрофилов), что подтверждается повышением 24 коэффициентов N-минерализации (до 25%) и снижением коэффициентов Сминерализации (до 40%) почвенного вещества, а также снижением индекса автохтонности (до 45%) и повышением углекислотной транспирации микробоценоза почвы (увеличение почвенного «дыхания» на 30-200% в условиях агро- и натурбиогеоценоза соответственно). 7. Механическое нарушение почв привело к снижению гумусированности почв и их обеспеченности подвижными соединениями фосфора и калия (на 19-45% по гумусу, 41-31% по подвижным фосфатам и 19-7% по калию в условиях агро- и натурбиоценозов соответственно), а также повышению обменной кислотности почвы (судя по показателю рНkcl). При рекультивировании нарушенных почв отмечена тенденция повышения содержания специфического органического вещества, подвижного фосфора (на 42-31%) и обменного калия (до 13-17%). 8. Нарушение почвенно-растительного покрова приводит к сокращению видового разнообразия педобионтов, снижая устойчивость ценозов. Биологическая рекультивация способствует восстановлению устойчивости агро- и натурфитоценозов путем увеличения числа видов беспозвоночных, о чем свидетельствует индексы видового богатства и разнообразия. 9. Техногенное нарушение почвы способствовало развитию микробиологических процессов минерализации специфического органического вещества в условиях агробиогеоценоза и снижению общей микробиологической устойчивости функционирования N- и С-циклов. Рекультивация нарушенных почв способствовала проявлению начального этапа восстановления исходного микробно-трофического состояния ПБК, снижая при этом развитие микрофлоры, разрушающей гумусовые вещества и повышая микробный статус почвы в части трансформации легкоразлагаемых органических компонентов. 10. Механическое нарушение почвы, возникшее при проведении строительноремонтных работ нефтепровода, привело к снижению агроэкологической устойчивости почвенного покрова к изучаемому техногенному воздействию, что способствовало переходу почв из 5ой категории устойчивых в 4ую категорию относительно устойчивых почв. При проведении рекультивационных работ показатель интегральной устойчивости нарушенных почв повысился, т.е. проведение восстановительных работ способствовало повышению и степени устойчивости. СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ В журналах, рекомендованных списком ВАК РФ: 1. Титова В.И. Оценка возможности использования сеяных трав для консервации деградированных пахотных земель и рекультивации техногенно нарушенных почв / В.И. Титова, И.О. Митянин, А.А. Ветчинников, И.В. Вершинина // Агрохимический вестник. – 2011. – № 2. – С. 24-26. 25 2. Ветчинников А.А. Направленность изменений поглощающего комплекса серых лесных и дерново-подзолистых почв при их механическом нарушении / А.А. Ветчинников, С. Лабуда, В.И. Титова, И.В. Вершинина // Проблемы агрохимии и экологии. – 2012. - №1. – С. 40-43. 3. Вершинина И.В. Формирование зооценозов механически нарушенной почвы в процессе ее рекультивации / И.В. Вершинина, В.И. Титова, А.А. Ветчинников // Агрохимический вестник. – 2013. – № 1. – С. 28-30. В прочих изданиях и сборниках научных трудов: 1. Ветчинников А.А. Характеристика почвенного поглощающего комплекса серых лесных и дерново-подзолистых нарушенных почв / А.А. Ветчинников, С. Лабуда, И.В. Вершинина // Нетрадиционные источники и приемы организации питания растений: Матер. межд. научн.-практ. конф., посвящ. 90-летию кафедры агрохимии Нижегородской ГСХА. – Н. Новгород: НГСХА, 2011. – С. 301-304. 2. Титова В.И. Динамика содержания органического вещества в почвах при их механическом нарушении / В.И. Титова, А.А Ветчинников., И.В. Вершинина // Нетрадиционные источники и приемы организации питания растений: Матер. межд. научн.-практ. конф., посвящ. 90-летию кафедры агрохимии Нижегородской ГСХА – Н.Новгород: НГСХА, 2011. – С. 312-316. 3. Вершинина И.В. Беспозвоночные животные как биоиндикаторы состояния деградированных земель и их участие в восстановлении почвенного плодородия / И.В. Вершинина // Нетрадиционные источники и приемы организации питания растений: Материалы межд. научн.- практ. конф., посвящ. 90-летию кафедры агрохимии Нижегородской ГСХА – Н.Новгород: НГСХА, 2011. – С. 298-301. 4. Титова В.И. Динамика агрохимических показателей нарушенных почв при восстановлении их плодородия в луговом ценозе / В.И. Титова, А.А. Ветчинников, И.В. Вершинина // Новости научного прогресса: Материалы VII межд. научн.-практ. конференции. – София: Бял ГРАД-БГ, 2011. – Т.8. – С. 59-65. 5. Вершинина И.В. Динамика численности мелких почвообитающих членистоногих в механически нарушенных почвах / И.В. Вершинина // Почвы Хакасии, их изучение, охрана, комплексная мелиорация и использование: Материалы научн. конференции. – Абакан, 2012. – С. 40-47. 6. Вершинина И.В. Структура почвенной мезофауны механически нарушенных земель / И.В. Вершинина // Актуальные проблемы экологии и природопользования: Сб. научн. тр. – Вып. 14. – М.: РУДН, 2012. – Ч. 2. – С. 67-74. 7. Ветчинников А.А. Эколого-фаунистические исследования как научная основа биомониторинга нарушенных (деградированных) земель / А.А. Ветчинников, В.И. Титова, И.В. Вершинина // Почвы России: современное состояние, перспективы изучения и использования: Материалы докл. VI Съезда общества почвоведов им. В. В. Докучаева. Кн. 3. / Петрозаводск : КарНЦ РАН, 2012. – С. 526-527. 8. Титова В.И. Динамика агрохимических показателей механически нарушенной светло-серой лесной почвы в процессе ее рекультивации / В.И. Титова, А.А. Ветчинников, И.В. Вершинина // Высокоэффективные системы использования органических удобрений и возобновляемых биологических ресурсов: Сб. докл. – М.: Россельхозакадемия – ГНУ ВНИИОУ, 2012. – С. 165-170. 26
