Проблемы восстановления биологических свойств почвы Юго-Западной части Центрального региона России

В современной популяционной экологии принято подразделять организмы на r-стратегов (r — показатель скорости логарифмического роста популяции в нелимитирующей среде), быстро развивающихся за счет легко доступных соединений, содержащихся в высоких концентрациях в среде, и К-стратегов (К — показатель верхнего предела численности популяции), способных к медленному росту за счет питательных субстратов, имеющихся в незначительных концентрациях, уже неспособных обеспечить рост r-стратегов. При обилии пищи r-стратеги быстро размножаются и преобладают, но в неблагоприятных условиях быстро отмирают.

К- стратеги развиваются медленнее, но более устойчивы к стрессам. В зависимости от условий доминируют организмы с той или иной стратегией. Обычно при внесении источников пищи (например, навоза) в начале сукцессии (закономерного процесса смены ценозов) доминируют r-стратеги при низком видовом разнообразии, а на более поздних этапах — К-стратеги, что сопровождается увеличением биоразнообразия. (Кирюшин, 2013)

Основными представителями почвенной микрофлоры являются бактерии, актиномицеты, микроскопические грибы и водоросли.

Бактерии — мельчайшие организмы, обладающие клеточным строением. Диаметр бактериальной клетки в cpеднем составляет 1 мкм, варьируя в пределах от 0,1 до 10 мкм. Обнаруживаются во всех средах обитания вплоть до самых экстремальных (соленые и термальные источники и т.д.).

Большинство бактерий относится к классу истинных бактерий (Eubacteriaea). Это, как правило, безъядерные одноклеточные организмы. Размножаются простым делением. Некоторые обладают подвижностью. Клетка истинных бактерий имеет неэластичную оболочку. Бактерии имеют различную форму — круглую (кокки), палочковидную (бациллы), изогнутую.

К палочковидным бактериям относятся бактерии рода Bacillus — подвижные и неподвижные бактерии, обладающие способностью образовывать споры внутри клеток при неблагоприятных условиях среды. Из неспороносных палочковидных бактерий в почве чаще всего встречаются представители родов Pseudomonas и Bacterium. К изогнутым палочковидным бактериям относятся вибрионы (p. Vibrio, p. Spirillum, p. Spirochaetta).

Бактерии способны очень быстро размножаться при поступлении свежего органического вещества. Неспороносные формы размножаются быстрее, чем бациллярные. Поэтому бациллы встречаются на более поздних этапах сукцессии. К тому же они обладают более мощным ферментативным аппаратом и могут питаться веществами, недоступными неспороносным бактериям. Большинство почвенных бактерий относится к сапрофитам. (Вальков, Казеев, Колесников, 2013)

Грибы, являясь эукариотными организмами, обладают рядом своеобразных черт, отличающих их от растений и животных и дающих основание выделять их в самостоятельное царство Mycota (от греч. микос — шампиньон). Почвенные грибы представляют самую крупную экологическую группу, участвующую в минерализации органических остатков растений и животных и в образовании гумуса.

Истинные грибы (Eumycota) насчитывают более 100 тыс. видов. Их делят на четыре основных класса: зигоспоровые, аскоспоровые, базидиоспоровые и несовершенные.

Распространение грибов в почве и их высокая активность объясняются их большей по сравнению с другими микроорганизмами устойчивостью к изменяющимся условием окружающей среды. Так, например, имея неодинаковый оптимум рН для развития, грибы хорошо переносят любые условия кислотности и поэтому встречаются и в кислых, и в щелочных почвах. Многие виды грибов развиваются в почвах, имеющих рН ниже 4, при котором жизнедеятельность большинства бактерий и актиномицетов невозможна.

Почвенные водоросли — также специфичный и неотъемлемый компонент почв. Они являются пионерами при заселении горных пород, различных обнажений, отвалов горных пород и т.п., где образуют самостоятельные сообщества водорослей, или альгоценозы. Встречаются они как в арктических и антарктических полярных пустынях, нивальном поясе гор, так и в тропических сухих пустынях. Вместе с теш они входят в состав любого фитоценоза, образуя его структурную часть — альгосинузии, которые формируются под влиянием наземной растительности и почвенных условий, и в разных фитоценозах различаются по видовому составу, численности и экологическим особенностям входящих в их состав водорослей. Зональности почв и растительности соответствует зональность водорослевых группировок. К главным факторам, контролирующим особенности альгосинузий, относятся степень сомкнутости растительного покрова, наличие и качество опада на поверхности почвы, водный и солевой режимы почвы. (Вальков, Казеев, Колесников, 2013)

Микробиологическая характеристика почв - наиболее сложный раздел почвенной диагностики, связанный с большими методологическими проблемами. Однако почвенные микроорганизмы быстрее всех реагируют на внешние изменения среды, и поэтому могу использоваться для ранней диагностики антропогенного воздействия, особенно загрязнения. В этой свзяи применение почвенных микроорганизмов в биодиагностике и биомониторинге имеет большие перспективы.

 

 

5. Биологическая деградация почв

Негативные воздействия на почву, изменяя условия существования почвенных микроорганизмов, могут нарушать нормальное протекание в почвах процессов микробной трансформации, а следовательно, и процессов круговорота веществ в биосфере. Эти нарушения могут отрицательно влиять на человека, изменяя экологические условия обитания, процессы производства пищевых продуктов и промышленной продукции. Кроме того, изменение микробной трансформации может приводить к появлению новых загрязнений в биосфере и заболеваний у людей.

Микроорганизмам принадлежит уникальная роль в очистке биосферы от загрязнений, так как именно они, обладая высокой способностью к адаптации, могут быстро трансформировать загрязняющие вещества. Нарушение функционирования почвенной биоты чревато также утратой ею функций дезинфектора биосферы от загрязняющих веществ и еще большей их аккумуляцией в биосфере. Почвенные организмы находятся в постоянной взаимосвязи и взаимодействии с другими организмами наземных экосистем, а антропогенные изменения микробных комплексов в почвах могут приводить к изменению этих взаимоотношений и оказывать негативное воздействие на растения, животных и человека.

Нарушение функций микробных сообществ проявляется в изменении интенсивности трансформации органических веществ соединений азота, ряда минеральных элементов и т. д. (Ступин, 2009)

Одним из важнейших последствий антропогенного воздействия на природные экосистемы может быть снижение в них видового разнообразия. Антропогенные факторы, вызывающие деградацию почв и изменяющие состав почвенной микробиоты, могут нарушать функционирование зоомикробных комплексов и сложившихся в них связей.

Установлено, что антропогенные факторы могут:

 а) приводить к развитию токсичных и реппелентных для почвенных беспозвоночных животных видов микробов,

б) нарушать трофические цепи беспозвоночных

в) неблагоприятно влиять на развитие популяций этих животных.

Особую опасность для почвенной биоты представляют тяжелые металлы, характеризующиеся сильным токсичным действием, неограниченной устойчивостью во времени и передающиеся по трофическим цепям с выраженным кумулятивным эффектом. Картина воздействия тяжелых металлов на комплекс почвенных микроорганизмов представляется следующей. В почвах, где содержание тяжелых металлов превышает фоновое в несколько (до 5-10) раз, изменения в запасах биомассы, активности микробиологических процессов и видовой структуре микробных сообществ четко не выражены. Можно обнружить как некоторое снижение, так и стимуляцию интенсивности биохимических процессов и повышение численности КОЕ микроорганизмов.

 Диапазон этих изменений, как  правило, не превышает их варьирование  в почвах под влиянием естественных экологических фактов ров. Дальнейшее повышение содержания тяжелых металлов приводит к достоверному снижению активности многих микробиологических процессов (азотфиксации, нитрификации, денитрификации, дыхания), разложения различных органических соединений и ферментативной  активности почв. Начинает меняться видовая структура активно функционирующих микробных сообществ. Высокую чувствительность к загрязнению почвы тяжелыми металлами проявляют часто актиномицеты, олиготрофные микроорганизмы, азотобактер и липомицеты. Возрастает доля закиси азота, одного из парниковых газов, среди продуктов восстановления нитратов у денитрификаторов. (Ковда, 1983)

При контаминации металлами на два порядка выше фонового происходит нарастание негативных изменений в функционировании и структуре микробного комплекса почв. Снижаются запасы микробной биомассы, дыхание почвы, резко сокращается спектр утилизируемых микроорганизмами субстратов, упрощается структура комплексов бактерий, актиномицетов, грибов и микробных сообществ, возрастает количество пигментированных форм и преимущественное развитие часто получают токсинообразующие виды. Отмечается усиление фитоотоксической активности у микромицетов, изолированных из загрязненных тяжелыми металлами (свинцом) почв, в сравнении с штаммами, выделенными из контрольной почвы. (Ковда, 1983)

При содержании тяжелых металлов на три порядка выше по сравнению с фоном ингибируются развитие типичных для этой почвы микроорганизмов и активность многих биологических процессов, функционировать в почвах способно только ограниченное число микроорганизмов, резистентных к данному поллютанту.

Выделяют три типа адаптивных реакций микробного комплекса на загрязнение почвы тяжелыми металлами. Зона гоместаза - диапазон концентраций поллютанта, при которых существенно не меняется структура сообществ и функционирование микробиоты; зона стресса, соответствующая тем концентрациям металла, при которых меняется структура сообществ, снижается активность микробиологических процессов и нарушаются цепи первичного и вторичного метаболизма; зона резистентности - диапазон концентраций металла в почве, когда развиваются только устойчивые к данному поллютанту микроорганизмы. Выделяют также зону репрессии, когда  содержание металла столь высоко, что ведет к подавлению жизнедеятельности микроорганизмов в почве и их гибели.

Влияние радионуклидного загрязнения сказывается на уменьшении видового разнообразия групп организмов.

Это приводит к нарушению естественного равновесия между основными группами организмов и нарушению почвенных процессов. Последствием радиации, например, может быть нарушение процессов деструкции органических веществ. Это связано с тем, что более подвижные группы, активно перерабатывающие почву и растительный опад (в первую очередь это касается дождевых червей), гибнут. Другое важнейшее отрицательное последствие загрязнения - возможность накопления радионуклидов в пищевых цепях. Это может проявляться у многих животных при потреблении ими загрязненной пищи. Имеются и примеры непосредственного накопления радионуклидов в трофических цепях человека через почвенную биоту аналогично аккумуляции тяжелых металлов. Так, установлено, что основная масса выпадающих радиоактивных осадков концентрируется в подстилке. Мицелий многих грибов активно развивается именно в подстилке и может аккумулировать радионуклиды, которые по системе гиф поступают в плодовые тела грибов, используемые человеком в пищу. Уровень накопления не находится в прямой зависимости от дозы воздействия и определяется многими факторами: зависит от радионуклида, типа почв, характера фитоценоза, видов грибов и т. д.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6. Восстановление биологических свойств почвы

Показанные выше процессы деградации почв обусловлены, прежде всего, нерациональным их использованием. Значительный экологический ущерб почвенному покрову и почвам был нанесен широкомасштабными земледельческими экспансиями и экстенсивным хозяйствованием.

В период техногенной интенсификации спектр негативных экологических последствий значительно расширился. На первый план вышли проблемы загрязнения окружающей среды, усиленные влиянием отходов и выбросов промышленности и энергетики на ландшафты.

Понимание глобальной экологической опасности наступило в первую очередь в наиболее развитых странах. Оно пришлось на расцвет агротехнологической революции 70-80-х годов XX в. Следует подчеркнуть, что в это же время активизировались различные формы общественного протеста против экологических рисков интенсификации, в особенности пропаганда альтернативных вариантов земледелия, в частности, органического, биодинамического, которое было основано Р. Штайнером еще в 20-30-х годах.

Эти формы не получили широкого развития, заняв некую нишу, но оказали влияние на поиск оптимальных путей развития земледелия, интегрирующих различные средства (химические, биологические и др.) при усилении природоохранной деятельности. В результате в западноевропейских странах при возрастающей урожайности и повышении качества продукции существенно сократились расход удобрений на единицу продукции и риск загрязнения окружающей среды.

В Англии, Франции, Германии превзойден рубеж средней урожайности зерновых 8 т/га и в то же время принимаются действенные меры по экологизации сельского хозяйства, включая ландшафтный дизайн. Государство ведет активную агроэкологическую политику, дотируя и производство продукции, и различные мероприятия по облагораживанию агроландшафтов.

В США усилиями правительственных организаций за последние годы выведено из активного сельскохозяйственного оборота более 20 млн. га пахотных земель, ранее подвергшихся эрозии.

При высоких темпах интенсификации земледелия этих стран сокращаются экологические риски за счет повышения наукоемкости и соответственно точности агротехнологий и адаптированности их к агроэкологическим условиям.

 В странах с менее развитой экономикой экологические риски интенсификации усиливаются, возрастают экологические издержки производства. В России сильно затянулся период экстенсивного земледелия, ориентированного на эксплуатацию естественного плодородия почв, а интенсификация осуществлялась в специфичных директивных, кампанейских формах, отличавшихся высокой затратностью, низкой эколого-экономической эффективностью.

На таком фоне постоянно фигурируют понятия экологизации, биологизации с очень противоречивыми, часто односторонними трактовками. Неопределенно звучит термин «интенсификация», нередко не лишенный двусмысленности, негативного подтекста, хотя потенциал продуктивности земледелия в России реализован едва ли на треть.

В чем же заключается сущность современных представлений экологизации и интенсификации земледелия? Как они соотносятся?