Трансгенные растения и почвенная биота

А.Г. Викторов, кандидат биологических наук, Институт проблем экологии и эволюции им. А.Н. Северцова РАН

Первые устойчивые к вредителям растения, созданные с помощью методов генной инженерии, были введены в культуру в 90-х годах прошлого столетия. Эти генетически модифицированные растения (Bt-культуры) несут гены грамположительной аэробной спорообразующей бактерии Bacillus thuringiensis, которая синтезирует параспоральные (локализованные рядом со спорой) кристаллические образования, содержащие d-эндотоксины - Cry-белки, убивающие личинок насекомых разных отрядов. Замечу, препараты из смеси клеток, спор и параспоральных кристаллов применяются уже более полувека (первый промышленный инсектицид "Спореин" был создан во Франции в 1938 г.). С тех пор они считаются одними из наиболее экологически безопасных средств защиты растений, так как этот класс пестицидов токсичен для теплокровных животных лишь в концентрациях, в несколько тысяч раз превышающих дозы, используемые при однократной обработке полей.

В настоящее время в сельском хозяйстве используется уже около тридцати Bt-культур. Самые популярные из них - кукуруза, хлопок, картофель, гибрид рапса "канола" (от англ. canada oil low acid - канадское слабокислое масло), рис, брокколи, арахис, баклажан, табак. Большинство сортов трансгенной кукурузы несут ген белка Cry1Ab, защищающий от опасного вредителя - личинок кукурузного, или стеблевого, мотылька (Ostrinia nubilalis).

В 2001 г. генетически модифицированные растения занимали уже более 12 млн га в мире, причем около половины из них приходилось на долю трансгенной кукурузы. 99% всех Bt-культур выращивают в четырех странах: США, Аргентине, Канаде и Чили . В США площадь полей Bt-кукурузы в 2000 г. составляла более 8 млн га (около четверти плантаций), а Bt-хлопка - 2.4 млн га (около половины посевов). Экономическая польза таких растений очевидна: по оценке Агентства по защите окружающей среды США (U.S. Enviromental Protection Agency), использование в этой стране только Bt-зерновых культур приводит к ежегодному сокращению применения синтетических инсектицидов на площади примерно 3 млн га и позволяет сэкономить 2.7 млрд долл. США .

О возможном негативном влиянии трансгенных сельскохозяйственных культур на окружающую среду до недавнего времени лишь робко предупреждали экологи. Сторонники же генетической модификации растений, напротив, убеждали в их полной экологической безопасности, опираясь на результаты лабораторных тестов и опыт выращивания этих культур в естественных условиях. (Как впоследствии оказалось, применявшиеся в некоторых лабораторных экспериментах методики и объекты тестирования были не адекватны поставленным задачам, но об этом чуть позже.) Лишь сейчас, спустя десятилетие после начала промышленного выращивания трансгенных культур, становится более или менее очевидно, какого рода ущерб они могут наносить окружающей среде.

Появляется все больше свидетельств того, что использование Bt-растений может иметь долгосрочный негативный эффект, экономический ущерб которого пока даже трудно оценить. Во-первых, Bt-кукуруза производит в 1.5-2 тыс. раз больше эндотоксина, нежели вносится при однократной обработке полей химикатами, содержащими Bt-токсин. Во-вторых, культивирование Bt-кукурузы приводит к накоплению Bt-токсинов в почве в результате действия многих факторов: выделений корней, отложения пыльцы, разложения растительных остатков. В-третьих, разложение трансгенных растений происходит значительно медленнее, нежели обычных культур, а биологическая активность почв, занятых генетически модифицированными растениями, заметно ниже, чем на контрольных участках.

Bt-токсины в почве

После сбора урожая трансгенной кукурузы около десяти процентов Bt-токсинов остается на полях в растительных остатках. И только с их разложением происходит и деградация Cry-белков в естественных условиях. По данным швейцарских исследователей, концентрация токсина Cry1Ab в растительных остатках резко сокращается (до 20-38% от количества в живых растениях) через два месяца после уборки урожая и остается примерно на том же уровне в течение зимы . Лишь с наступлением весны начинается дальнейшая деградация Bt-токсина, однако и по истечении 200 дней 0.3% от исходного его количества остается на полях. Максимальный же срок, в течение которого сохраняются Cry-белки, оказавшиеся в почве в результате выделений корней и разложения растительных остатков, достигает 350 дней . Bt-токсины остаются биологически активными в течение столь длительного времени (фактически до года) благодаря тому, что находятся в связанном состоянии с поверхностно активными почвенными частицами (глины, гумуса и т.д.); это-то и защищает их от разложения микроорганизмами.

Эти результаты получены сравнительно недавно и принципиально отличаются от более ранних, проведенных в лабораторных условиях, когда было установлено, что 50% Bt-токсинов разлагаются через полтора дня после попадания в почву и 90% - в течение 15 дней. В случае если растительные остатки не контактировали с почвой, то 50%-й распад Cry-белков наблюдался в течение 25.6 дней, а 90% - 40.7 дней . Столь сильные различия в скорости разложения Bt-токсинов, очевидно, связаны с тем, что в лабораторных условиях эксперименты проводились при постоянной комнатной температуре, в то время как в природе кроме холодного зимнего периода, характерного для средней полосы, где и произрастает в основном трансгенная кукуруза, наблюдаются и суточные колебания температур. Кроме того, в лабораторных экспериментах листья кукурузы перемалывались, просеивались и лиофилизировались, что обеспечивало существенно большую площадь для колонизации микроорганизмами. Естественно, ничего подобного в природе не происходит, и понятно, что экстраполировать результаты лабораторных опытов с Bt-токсинами на естественные условия необходимо крайне осторожно.

Хотя поступление в почву Cry-белков с выделениями корней трансгенных растений не столь велико, как после разложения растительных остатков, оставшихся на полях после сбора урожая, но и этот фактор нельзя сбрасывать со счетов. Интересно отметить, что если корневые отростки канолы, табака и хлопка вообще не выделяют Bt-токсинов , то все 12 исследованных трансгенных сортов кукурузы, полученных с помощью трех независимых генно-инженерных операций (Bt11, MON810 и Bt176), продуцируют Cry-белки практически в одинаковых количествах . Кроме того, инсектицидная активность выделений кукурузы была самой большой - достоверно более высокой, нежели у риса и картофеля. Хотя некоторое количество Cry-белков может попасть в почву и в результате шелушения или механического повреждения корней, но именно с их выделениями поступает в почву основная часть Bt-токсинов. В подтверждение тому достаточно сказать, что у кукурузы, риса и картофеля, выращиваемых на гидропонике, никаких нарушений корневой поверхности не отмечалось, тем не менее Cry-белки в питательном растворе все же регистрировались.

Лигнин

Замечено, что растения с высоким содержанием Bt-токсинов не привлекательны даже для тех фитофагов, для которых эти токсины не ядовиты. Так, в экспериментах с погребной, или шероховатой, мокрицей (Porcellio scaber), которой предлагались в пищу восемь сортов кукурузы (две трансгенных и шесть изогенных им контрольных линий), выяснилось, что это животное явно предпочитает нетрансгенные растения . Кроме того известно, что растительные остатки трансгенных растений разлагаются значительно медленнее по сравнению с генетически немодифицированными изогенными линиями. Причины тому в настоящее время изучаются. Предполагается, что связано это с повышенным содержанием лигнина в трансгенных растениях. Возможно, этим же объясняется и их пищевая непривлекательность, однако, к сожалению, авторы не исследовали связь между этими сортами кукурузы и содержанием в них лигнина.

Лигнин - высокомолекулярное соединение ароматической природы - основной структурный компонент растений, заполняющий пространство между клетками и "склеивающий" их первичные оболочки. Именно лигнин обеспечивает прочность и жесткость растительных конструкций, а также их водонепроницаемость. С одной стороны, повышенное содержание лигнина затрудняет "работу" фитофагов, с другой стороны, замедляет процессы разложения растительных остатков в почве. При разложении лигнина в среду выделяются токсичные низкомолекулярные продукты распада (фенолы, метанол, карбоновые кислоты).

Содержание лигнина в стеблях Bt-сортов кукурузы на 33-97% выше, чем в изогенных им нетрансгенных линиях . Большой разброс данных связан с различным содержанием лигнина в трех основных линиях трансгенной кукурузы. Избыток лигнина проявлялся и на морфологическом уровне. Сосудистые пучки и окружающие их клетки склеренхимы, в состав которых входит лигнин, были у Bt-растений почти в два раза толще, нежели у изогенных нетрансгенных линий (21.5±0.84 мм и 12.4±1.14 мм соответственно). Повышенное накопление лигнина характерно лишь для стеблей Bt-кукурузы, в листьях же его количество примерно то же, что и у обычных растений .

Кроме того, выяснилось еще одно любопытное обстоятельство: лигнина оказалось больше в кукурузе, выращенной в естественных условиях, чем в лабораторных. Это лишний раз подтверждает, что в искусственной среде трансгенное растение развивается иначе, чем в природе.

В результате дальнейших исследований выяснилось, что избыток лигнина характерен не только для Bt-кукурузы, это общее свойство всех трансгенных растений. В различных генетически модифицированных культурах (рисе, табаке, хлопке и картофеле) лигнина на 10-66% больше, чем в соответствующих им генетически не модифицированных изогенных линиях .

Дождевые черви

Одни из главных утилизаторов растительного опада в средней полосе - дождевые черви, в основном из семейства люмбрицид (Lumbricidae). Встречаются они практически во всех естественных и антропогенных экосистемах умеренного пояса и доминируют в них по биомассе (особенно высока их численность в лесостепи, смешанных и широколиственных лесах - более 300 особей на 1 м2). Пронизывая почву ходами, дождевые черви рыхлят ее, способствуя аэрации и увлажнению на глубине, перемешивают почвенные слои, ускоряя разложение растительных остатков и повышая тем самым плодородие почвы. Объем переносимой этими животными почвы колеблется от 2 до 250 т/га в год. Вертикальное распределение дождевых червей вдоль почвенного профиля определяется, с одной стороны, их экологией, а с другой - комплексом абиотических факторов, таких как температура, влажность почвы, вертикальный градиент распределения органических веществ.

Токсины могут действовать на дождевых червей по-разному, в зависимости от вида люмбрицид и стадии их развития. Ювенильные особи, не способные уходить глубоко в почву, страдают от поллютантов сильнее, чем половозрелые. Но и один из самых крупных видов люмбрицид средней полосы - большой выползок (Lumbricus terrestris) - как ни странно, также находится в "группе риска". Дело в том, что особи этого вида, днем скрываясь в глубоких (до 3 м) норах, ночью выходят на поверхность почвы за пропитанием - растительным опадом (в России за такой образ жизни этот космополит получил народное название "большого выползка"). Справедливости ради отметим, что небольшую часть их диеты составляют и корни растений. Во время таких ночных путешествий некоторые особи могут преодолевать до 19 м. Примерно каждая третья трасса оканчивается норой, а у каждой четырнадцатой - норы есть и в начале пути. В разных экосистемах за несколько осенних месяцев эти дождевые черви способны унести в норы практически весь растительный опад. Это вовсе не означает, что люмбрициды сразу же все съедают, существенную часть пищи они запасают в норах и потребляют по мере частичного разложения растительных остатков. Именно эти особенности экологии большого выползка и определяют высокий уровень его контакта как с поллютантами, оседающими на полях, так и с трансгенными растениями.

Люмбрициды развиваются в толще почвы и, естественно, реагируют на изменения ее химического состава, в частности попадание загрязняющих веществ, которые способны проникать в их организм через покровы. Учитывая особенности питания, дождевые черви могут заглатывать с частицами почвы и содержащиеся в них токсины, а значит, могут подвергаться их воздействию как снаружи, так и изнутри.

Как ни странно, обстоятельных исследований токсичности Cry-белков для дождевых червей до сих пор не проводилось. Правда, около полувека назад при проверке токсичности для люмбрицид препарата Thuricide, содержащего B.thuringiensis var. kurstaki, установлено, что только очень высокие его концентрации (в 10 тыс. раз превышающие рекомендованные для обработки полей) в течение двух месяцев вызвали 100%-ю смертность лабораторных популяций L.terrestris . Казалось бы, эти данные имеют только косвенное отношение, но ведь оказавшиеся смертельными дозы лишь в пять-десять раз превышали концентрацию Bt-токсинов в живых трансгенных растениях. Гистологические исследования погибших люмбрицид показали, что бактерии проникли практически во все ткани червей, где произошла их споруляция и формирование кристаллов. Позднее столь необычная патология была объяснена тем, что в опытах использовалась диатомовая земля, которая, повреждая эпителий кишечника, способствовала проникновению бактерий в цело́м (пространство между стенкой тела и внутренними органами) дождевых червей.

В другой серии экспериментов изучалось действие пестицидов, содержащих Bt-токсин, на дождевого червя Dendrobaena octaedra: десятинедельное воздействие токсина в дозах, в тысячу раз превышавших полевые и примерно равные концентрации токсинов в живых растениях, приводило к существенному угнетению роста и размножения, а также более высокой смертности червей . К сожалению, в этих опытах использовался вид, который не имеет никакого отношения к полям (обычно он обитает в лесной подстилке) и в естественных условиях не может сталкиваться с трансгенными культурами.

Одним из первых экотоксикологических опытов по изучению влияния трансгенных растений на дождевых червей стал стандартный лабораторный тест с использованием искусственной почвы и навозного червя (Eisenia fetida). Оказалось, что экстракты листьев трансгенной кукурузы, содержащих Bt-токсин, никак не влияют на выживание и развитие этих люмбрицид - все они дожили до конца 14-дневного эксперимента и по массе тела не отличались от контрольных животных. По расчетам авторов, использованная в опыте концентрация Bt-токсина (0.35 мг CryIA(b)-белков на 1 кг почвы) была примерно в 785 раз выше той, которая могла бы сложиться в почве после уборки урожая . Эти результаты имели бы смысл, если бы выбор вида дождевого червя был адекватен поставленным целям. Авторы не учли, что E.fetida, как и D.octaedra, в естественных условиях не сталкивается с трансгенными культурами. Не говоря уж о том, что навозный червь в отличие от собственно почвенных видов не заглатывает почвенных частиц, а питается разлагающейся органикой, поэтому неясно, какое количество Bt-токсинов попало в его пищеварительную систему и попало ли вообще.

40-дневные наблюдения за лабораторными популяциями L.terrestris, живших в почве, в которой проращивались семена трансгенной кукурузы или добавлялись ее листья, не выявили значимых изменений ни в массе тела, ни в смертности больших выползков, хотя Bt-токсины и были обнаружены в их кишечниках и кастах (экскрементах). Когда черви переносились в чистую почву, в течение одного-двух дней их кишечники освобождались от токсина . К сожалению, авторы этой работы не оценивали влияние Bt-токсинов на размножение люмбрицид, а также на ювенильные, более чувствительные к токсинам, особи. Кроме этого, для такого крупного и живущего не один год дождевого червя-норника, как большой выползок, 40-дневный срок явно недостаточен для выявления сублетальных эффектов. В другом, проведенном несколько позднее, аналогичном эксперименте, но длившемся уже 200 дней, выяснилось, что масса тела L.terrestris, питавшихся трансгенными растительными остатками, снижалась в среднем на 18%, в то время как у контрольной группы она на 4% повышалась .

К сожалению, пока еще не исследовалась миграция Bt-токсинов в трофических цепях, в которых дождевые черви служат кормовой базой для многих хищных беспозвоночных, птиц и млекопитающих. К примеру, в Англии в рационе рыжих лис (Vulpes vulpes) большой выползок составляет в среднем 10-15%, а на участках, где этих дождевых червей особенно много, - до 60%. Не брезгует большими выползками и обыкновенная неясыть (Strix aluco), которая за час может поймать более 20 червей. Отмечена и особая любовь к L.terrestris и у европейского барсука (Meles meles); более 20 лет назад их даже сочли специализированными хищниками дождевых червей. Впоследствии гипотеза была отвергнута, но справедливости ради отметим, что в некотором роде специализация у этого хищника все же есть, - проявляется она в технике захвата пищи.

Для почвенных микроорганизмов (как чистых, так и смешанных культур) токсичность Cry-белков не выявлена; количество бактерий и грибов в почвах, содержащих биомассу генетически модифицированной и нетрансгенной кукурузы, статистически не различалось. Однако в экспериментах с почвенными микрокосмами, в которых отсутствовали почвенные беспозвоночные, показано, что и в этом случае биодеградация Bt-культур (кукурузы, риса, табака, хлопка и томатов) происходит значительно медленнее по сравнению с контролем. Об этом свидетельствовало значительно меньшее количество углерода, уходящего из экспериментальных почвенных микрокосмов в виде CO2, по сравнению с контролем .

Пониженная скорость разложения трансгенных растительных остатков требует дальнейшего и всестороннего исследования, поскольку потенциальный ущерб от этого имманентного свойства Bt-культур может иметь отдаленные экологические последствия. Еще более пристального внимания требуют особенности миграции Cry-белков по пищевым цепям. И, наконец, появляется все больше данных о том, что популяции вредителей сельского хозяйства начинают вырабатывать устойчивость к Bt-токсинам и начинают питаться трансгенными растениями.

Обнаружение Bt-токсинов в корневых выделениях кукурузы, риса и хлопка и их длительное сохранение в почве говорит и о том, что особые меры предосторожности должны быть приняты перед тем, как растения и животные, генетически модифицированные с целью производства лекарственных (антибиотиков, вакцин, гормонов, ферментов) и прочих биологически активных веществ, будут покидать стены лабораторий и оказываться в менее контролируемых условиях промышленного производства. В отличие от Bt-растений, мишени этих соединений - не насекомые, а млекопитающие, в том числе и люди. Практически все эти вещества - ксенобиотики, но их способность сохраняться в окружающей среде исследована недостаточно. Ясно поэтому, что потенциальный ущерб выращивания в окружающей среде синтезирующих их трансгенных растений даже приблизительно оценить невозможно.

Список литературы

1. Saxena D., Stotzky G. Release of Larvicidal Cry Proteins in Root Exudates of Transgenic Bt Plants. ISB News Report. 2005. February. P.1-3.

2. Zwahlen C., Hilbeck A., Gugerli P. et al. // Mol. Ecology. 2003. V.12. №3. P.765-775.

3. Saxena D., Flores S., Stotzky G. // Soil Biol. and Biochemistry. 2002. V.34. P.133-137.

4. Sims S.R., Holden L.R. // Environmental Entomology. 1996. V.25. P.659-664.

5. Wandeler H., Bahylova J., Nentwig W. // Basic and Applied Ecology. 2002. V.3. №4. P.357-365.

6. Saxena D., Stotzky G. // Amer. J. of Botany. 2001, V.88. №9. P.1704-1706.

7. Poerschmann J., Gathmann A., Augustin J. et al. // J. Environ. Qual. 2005. V.34. №5. P.1508-1518.

8. Flores S., Saxena D., Stotzky G. // Soil Biol. and Biochem. 2005. V.37. №6. P.1073-1082.

9. Smirnoff W.A., Heimpel A.M. // J. of Insect Pathology. 1961. V.3. №403-408.

10. Addison J.A., Holmes S.B. // Canad. J. of Forest Res. 1996. V.26. P.1594-1601.

11. Ahl Goy P., Warren G., White J. et al. Interaction of an insect tolerant maize with organisms in the ecosystem // Proceedings of the Key Biosafety Aspects of Genetically Modified Organisms. 10-11 April 1995. V.309. P.50-53. Mitteilungen aus der Biologischen Bundesanstalt fьr Land- und Forstwirtschaft, Berlin-Dahlem, Blackwell, Berlin, 1995.

12. Saxena D., Stotzky G. // Soil Biol. and Biochem. 2001b. V.33. P.1225-1230.

13. Zwahlen C., Hilbeck A., Howald R. et al. // Mol. Ecology. 2003b. V.12. №4. P.1077-1086.

Для подготовки данной работы были использованы материалы с сайта http://vivovoco.rsl.ru

УДК 57.047 ББК 28.08

Яброва Ю.И., Швабенланд И.С.

РОЛЬ ПОЧВЕННОЙ БИОТЫ НА ПЕРВИЧНОЕ ПОЧВООБРАЗОВАНИЕ ОТВАЛОВ ВСКРЫШНЫХ ПОРОД ВОСТОЧНО-БЕЙСКОГО УГОЛЬНОГО

РАЗРЕЗА РЕСПУБЛИКИ ХАКАСИЯ

Yabrova Y.I., Shvabenland I.S.

SOIL BIOTA"S ROLE ON PRIMARY SOIL FORMATION OF DUMPS VSKRYSHNYKH OF BREEDS OF EAST BEISCOV COAL MINE

OF THE REPUBLIC KHAKASSIA

Ключевые слова: почвенная биота, почвообразовательный процесс, первичное почвообразование, отвалы вскрышных пород и т.д.

Keywords: soil biothat, pochvoobrazovatelny process, primary soil formation, dumps of vskryshny breeds etc.

Аннотация

В статье рассматривается роль почвенной биоты в первичном почвообразовании отвалов вскрышных пород Восточно-Бейского угольного разреза Республики Хакасия. Первичное почвообразование характеризуется малой мощностью субстрата, охватываемой почвообразованием, медленной аккумуляцией элементов почвенного плодородия. Профиль очень слабо дифференцируется на генетические горизонты. Начальное почвообразование сменяется стадией развития почвы, которая протекает с нарастающей интенсивностью, вплоть до формирования зрелого почвы с характерным профилем и комплексом свойств.

In article the role soil biota,s in primary soil formation of dumps of vskryshny breeds of East Beiscov coal mine of the Republic Khakassia is considered. Primary soil formation is characterized by the low power of a substratum covered by soil formation, slow accumulation of elements of soil fertility. The profile is very poorly differentiated on the genetic horizons. Initial soil formation is replaced by a stage of development of the soil which proceeds with accruing intensity, up to formation mature soils with a characteristic profile and a complex of properties.

Стремительный рост потребления природных ресурсов сопровождается не только изменением количественных масштабов антропогенного воздействия, но и проявлением новых факторов, влияние которых на природу становится доминирующим. В процессе горного производства образуются и быстро увеличиваются пространства, нарушенные горными выработками, отвалами пород и отходов переработки и представляющие собой бесплодные поверхности, отрицательное влияние которых распространяется на окружающие территории. Такие антропогенные нагрузки негативно воздействуют на природные экосистемы. Наиболее важную категорию представляют собой почвенные микроорганизмы. Почвенные беспозвоночные используются в качестве индикаторных видов, так как они наиболее чувствительные к антропогенному воздействию .

Почвенная биота представляет собой живой компонент, состоящий из разнообразных представителей растительного и животного мира. Большая часть биоты -микроскопические создания, невидимые простым глазом. Основные группы биоты составляют: почвенные бактерии, актиномицеты, почвенные грибы и водоросли,

простейшие одноклеточные организмы, черви, мелкие животные. Согласно особенностям образа жизни и влияния на почву животных делят на группы - микро-, мезо- и макрофауну (рис. 1). Из первой группы еще вычленяют нанофауну, которая представлена

одноклеточными простейшими, размеры которых не выходят за пределы двух-трех десятков микрометров. К этой группе также относятся микроорганизмы .

Почвенная фауна

микрофауна

жгутиковые

амебы инфузории круглые черви колвратки ■ тихоходки

мезофауна

Лжескорпионы

Многоножки

Коллемболы

макрофауна

Дождевой

Мокрица

Жужелица

Медведка

Рис. 1. - Главные группы почвенной фауны и их представители (Черновой Н.М., 2004 по Би^ег 1974)

Почвообразовательный процесс - это неоднородный процесс, который представляет сложное явление, составляющееся из элементарных процессов - отдельных физико-химических явлений: разложение минеральной основы и органического вещества,

новоообразования, выщелачивание, засоление, оглеение, гумусонакопление и так далее

Разложение и гумификацию органических остатков нужно рассматривать как почвенно-биологические процессы специфического характера, обусловленные главным образом сопряженной деятельностью почвенной микрофлоры и фауны. Разложение растительных остатков происходит также при взаимодействии почвенной биоты, где между представителями почвенной фауны складываются симбиотические отношения (рис. 2.)

Рис. 2. - Схема детритной пищевой цепи в почве (по Б. Р. Стригановой, 1980) Отличительными характеристиками первичного почвообразования являются: малая мощность субстрата, медленная аккумуляция элементов почвенного плодородия и слабая дифференциация на генетические горизонты. В этих экстремальных экологических условиях первыми поселенцами являются разнообразные автотрофные микроорганизмы, среди которых преобладают неспороносные бактерии и микобактерии, способные к азотфиксации. Именно микроорганизмы синтезируют вещества, необходимые для жизнедеятельности других организмов. Далее в первичном почвообразовании последовательно сменяют друг друга следующие группировки организмов: лишайники, сначала эндолитические, затем эпилитические (накипные, листоватые, кустистые), мхи -древесные и травянистые растения. Таким образом, почва является неотъемлемым компонентом природных экосистем, из которых состоит биосфера, входя в них в качестве особой подсистемы, связанной с другими подсистемами данной экосистемы и окружающих экосистем многочисленными прямыми и обратными связями (рис. 3.) .

Рис. 3. - Структура природных наземных экосистем и их связей в ландшафте

Вопрос о микроорганизмах особенно важен еще и потому, что по-своему значению в природе и практике человека микробы являются чем-то вроде живых «химических реакторов» и по интенсивности биохимической деятельности не имеют себе равных. В основе физиологических функций лежит непрерывный обмен веществ, включающий в себя питание и выделение. Однако в природе этого не происходит, поскольку рост микробных популяций всегда ограничен лимитом внешних факторов. В почве за счет деятельности

микроорганизмов непрерывно протекают процессы распада растительных и животных остатков, сложных синтетических соединений до минеральных веществ и газообразных продуктов. Микроорганизмы используются в процессах биосинтеза самых различных продуктов, что делает их особенно важными .

При микроморфологическом изучении почв можно наблюдать характерные особенности расположения микроорганизмов. Большинство микроорганизмов находится в адсорбированном на твердых частицах состоянии: в перегнойно-глеевой почве и в черноземе 90% всех клеток, в дерново-подзолистых и в серых лесных почвах 50-60%, в каштановых почвах, красноземах, сероземах 70-80 %. При этом выяснилось, что одни частицы засеелны очень плотно, другие слабее. Также важной особенностью распространения микроорганизмов в почвах является его микроочаговость,

микрозональность. Прослеживаемая вплоть до отдельных почвенных частиц. Наблюдается тесная связь микроорганизмов в почвенном профиле с распределением новообразований, многие из которых обязаны своим происхождением именно

деятельности микроорганизмов, особенно нвообразования железа и сульфидов. Основной закономерностью распределения микроорганизмов в почве служит совершенно четкая связь с генетическими горизонтами. Каждый горизонт имеет специфический состав микрофлоры и особую плотность микробных популяций .

Восточно-Бейский угольный разрез республики Хакасия ведет добычу угля открытым способом и входит в состав Минусинского каменноугольного бассейна. На территории месторождения отмечены отвалы вскрышных пород различной давности (возраста). На разрезе имеется несколько участков. Горный участок производит вскрышные работы и добычу угля, транспортный участок занимается перевозками угля и

породы, эксплуатацией и ремонтом карьерных автосамосвалов, автобусов, грузовых и легковых автомашин. Погрузочно-транспортный участок отвечает за перевозки угля на железнодорожную станцию и погрузку угля в железнодорожные вагоны. Таким образом, отвалы вскрышных пород соответственно называются: бестранспортный, транспортный и отвалы с естественным самозарастанием.

Расселение микроорганизмов на исследуемых отвалах происходит по-разному, что характеризуется возрастом и природой отвала. Отвальная смесь - бесструктурная, находится в несвязанном состоянии и свободно рассыпается отдельными зернами.

Фоновыми почвами Бейского района являются черноземы выщелоченные, для которых характерно следующее содержание микроорганизмов: азотфиксирующих (1,7*106 кл/г почвы), сапротрофных (8,2*106 кл/г почвы), железовосстанавливающих (0,78*106 кл/г поч-вы) и сульфатвосстанавливающих (0,13*106 кл/г почвы) (рис. 4).

■ сапртрофн -+ азотфиксир

железовосст

■ сульфатвосст

На территории Восточно-Бейского угольного разреза, а именно, на отвалах вскрышных пород нами были отмечены следующие группы микроорганизмов: азотфиксирующие, сульфатвосстанавливающие и железовосстанавливающие. Под воздействием антропогенной нагрузки снижается общая численность всех выявленных микроорганизмов. Численность сульфатвосстанавливающих микроорганизмов уменьшается, так как идет потеря гумусовых веществ (рис. 5).

Численность азотфиксирующих микроорганизмов также уменьшается, но на отвалах с естественным зарастанием повышается, так как микрофлора взаимодействует с корнями растений (рис. 6).

3 - отвал естественнозарастающий)

Фактором, ограничивающим размножение железовосстанавливающих бактерий на отвалах вскрышных пород, является снижение количества железа (рис. 7).

3 - отвал естественнозарастающий)

Таким образом, количество микробной флоры напрямую зависит от плодородия почв: чем плодороднее почвы, чем больше в них перегноя, тем плотнее заселены они микроорганизмами. Накопление микроорганизмов в значительной степени зависит от количественного и качественного содержания органических веществ в свежеотмерших растительных и животных остатках и продуктах их первичного распада; вначале микробов больше, а после минерализации уменьшается .

При исследовании данной проблемы нами были определены запасы растительного вещества на территории исследования, что позволяет иметь представление о количестве растительной массы, участвующей в процессах почвообразования .

В результате исследования нами было выявлено, что запасы растительного вещества в исследуемых объектах изменяются в широких пределах.

Таким образом, соотношение между надземными и подземными компонентами растительного вещества составляет: 0,34 - на фоновой почве (каштановая почва); 1,89 и 1,65 на отвале, занятом под естественной растительностью; 0,19 - на бестранспортном отвале; 0,12 - на транспортном отвале.

Среди соотношения между подземным и надземным растительным веществом предпочтение отдается подземному, хотя на транспортном отвале доминирует надземное растительное вещество.

Также нами было установлено, что почвенная микрофлора в субстратах-загрязнителях насчитывает не более нескольких тысяч КОЕ на 100 г субстрата. Данные микробиологического анализа показывают, что почвенная микрофлора золоотвала на Восточно-Бейском угольном разрезе представлена аммонифицирующими, денитрофицирующими, масляно-кислыми бактериями. В образцах обнаружено малое количество олигонитрофильных нитрифицирующих, а также бактерий, разлагающих клетчатку, грибов и актиномицетов. Содержание подвижного калия (К2О) - 6,7 мг на 100 г субстрата, нитратного азота менее 1,3 мг на 100 г субстрата, рН сол. 9,0. Самозарастание отвалов Восточно-Бейского каменноугольного разреза идет крайне медленно, что связано с небольшим содержанием азота в субстрате и неустойчивостью водного режима. Поэтому разработанная ранее композиция биопрепаратов на основе бактерий - Azotobacter chroococcum, Bacillus mucilaginosus, а также консорциумов микроорганизмов, продуцирующих фитогормоны и регуляторы роста, применяется к каждому субстрату-загрязнителю. Этот способ рекультивации оказался очень эффективным. Его можно

рассматривать как интродукцию комплекса отселектированных почвенных микроорганизмов в субстрат, которые приживаются в почвогрунте уже через 2-3 месяца.

На рекультивируемую площадь вносились минеральные удобрения (нитроаммофос), а непосредственно перед посевом семян - активатор почвенной микрофлоры. Предпосевную обработку семян многолетних трав эндемиков (люцерна, волосенец) проводили активатором прорастания семян, азотовитом, ризокомплексом и бактофосфином. Через месяц после появления всходов посевы обрабатывали активатором фотосинтеза. Визуальная оценка рекультивируемой площадки на второй год (2010 г) рекультивации выявила 82-84% зелёного покрова от проектного. Высота травостоя в среднем составляла 56-72 см. Появились дикорастущие травы, семена которых были занесены ветром (полынь горькая, пырей ползучий, бескильница и др.). С помощью трав происходит также очищение рекультивируемого грунта от тяжелых металлов, которые через корневую систему попадают в листья и стебли. После скашивания трава сжигалась в герметичных печах, а из золы выделялись металлы.

К концу вегетационного периода (осенью) начался процесс активного развития почвенной микрофлоры. Определение состава микробиоценоза золоотвала рекультивации в 2009-2010 гг., показало, что внесённые в золоотвал биопрепараты значительно активизировали в нём процессы почвообразования и биологическую активность. При этом численность актиномицетов и олигонитрофилов повысилась на два порядка, численность бактерий, разлагающих клетчатку, - на несколько порядков, рН достигало 7,4 - 7,8 по сравнению с 9,0 начальным значением, отмечено начало накопления органического вещества. Каталазная активность составляла 5-7,5 мл О2, в то время как в начальной пробе, до начала обработки биопрепаратами, определить величину каталазной активности не удавалось. Содержание гумуса составляло 0,15-0,28% , что свидетельствовало о протекании активного процесса почвообразования.

Таким образом, апробированный способ биологической рекультивации имеет высокую экологическую и социальную значимость, так как направлен на решение таких проблем, как: восстановление плодородия пахотных земель без нанесения плодородного слоя, ликвидация операций по технической рекультивации, возвращение в землепользование техногенно и антропогенно нарушенных земель, использование их под кормовые угодья и т.д. Почва при высушивании обедняется микроорганизмами. Иногда численность их при высушивании образцов почвы уменьшается в 2-3 раза, а нередко в 510 раз. Наиболее стойко сохраняют жизнеспособность актиномицеты, затем микобактерии. Самый высокий процент гибели отмечается среди бактерий. Однако полного вымирания бактерий, даже в условиях длительной засухи почвы, как правило, не происходит. Даже у весьма чувствительных к высушиванию культур имеются единичные клетки, которые длительное время сохраняются в сухом состоянии.

На распределение отдельных микробов сильное влияние оказывает кислотность почвенного раствора. В почвах с нейтральной или слегка щелочной реакцией бактерий бывает значительно больше, чем в кислых, заболоченных или торфяных почвах. Вопрос о распределении микробов в почве освещен недостаточно. Повседневные микробиологические исследования почв показывают, что клетки бактерий размещаются отдельными очагами, в каждом из которых разрастаются и концентрируются клетки одного или нескольких неантагонистических видов .

Самый верхний слой почвы беден микрофлорой, потому что находится под непосредственным влиянием вредно действующих на нее факторов: высушивание, ультрафиолетовые лучи солнечного света, повышенная температура и прочее. Наибольшее количество микроорганизмов располагается в почве на глубине 5-15 см, меньше - в слое 20-30 см и еще меньше - в подпочвенном горизонте 30-40 см. Глубже могут существовать лишь анаэробные формы микробов.

Огромное влияние на интенсивность микробиологических процессов имеет обработка почвы. Это связано с нарушением водно-воздушного режима почв .

В настоящее время перспективным направлением является оценка и инвентаризация биоразнообразия животного населения почвы. При этом проводятся исследования таксономического и фаунистического разнообразия и оценка разнообразия многовидовых сообществ, изучение их пространственно-временной динамики, устойчивости к антропогенному воздействию.

Библиографический список

1. Певзнер, М.Е., Костовецкий В.П. Экология горного производства. - М.: Недра, 1990- 230 с.

2. Звягинцев, Д.Г., Бабьева И.П., Зенова Г.М. Биология почв. - М.: МГУ, 2005. - 445

3. Розанов, Б.Г. Морфология почв. - М.: Академический проект, 2004. - 432 с.

4. Аристовская, Т.В. Микробиология процессво почвообразования. - Л.: Наука, 1980. - 187 с.

5. Почвоведение: учебник для ун-тов. В 2 ч. / под ред. В.А. Ковды, Б.Г. Розанова. Ч.1. Почва и почвообразование / Г.Д. Белицина, В.Д. Василевская, Л.А. Гришина и др. -М.: Высшая школа, 1988. - 400 с.

6. Шкидченко, А.Н. Основы физиологии роста и культивирования микроорганизмов. -Пущино: ПГУ, 2008. - 133 с.

7. Экология микроорганизмов: учебник / под ред. А.И. Нетрусова. - М.: Академия, 2004. - 272 с.

8. Горшкова, А.А. Биодиагностика сохранения и восстановления степных пастбищных экосистем Сибири [Текст] / А.А. Горшкова, В.Г. Мордкович, С.К. Стебаева // Сибирский экологический журнал. - 1994. - № 5. - С. 403-416.

9. Пяткин, К.Д., Кривошеин Ю.С. Микробиология. - 4-е изд., перераб., и доп. - М.: Медицина, 1981. - 512 с.

10. Звягинцев, Д.Г. Почва и микроорганизмы. - М.: МГУ, 1987. - 255 с.

Живые организмы - обязательный компонент почвы. Количество их в хорошо окультуренной почве может достигать не­скольких миллиардов в 1 г почвы, а общая масса - до 10 т/га.

Основная их часть - микроорганизмы. Доминирующее значение принадлежит растительным микроорганизмам (бактерии, грибы, водоросли, актиномицеты). Животные организмы пред­ставлены простейшими (жгутиковые, корненожки, инфузории), а также червями. Довольно широко распространены в почве моллюски и членистоногие (паукообразные, насекомые).

Почвенные организмы разрушают отмершие остатки растений и животных, поступающие в почву. Одна часть органического вещества минерализуется полностью, а продукты минерализации усваиваются растениями, другая же переходит в форму гумусо­вых веществ и живых тел почвенных организмов.

Некоторые микроорганизмы (клубеньковые и свободноживущие азотфиксирующие бактерии) усваивают азот атмосферы и обогащают им почву.

Почвенные организмы (особенно фауна) способствуют пере­мещению веществ по профилю почвы, тщательному перемеши­ванию органической и минеральной части почвы.

Важнейшая функция почвенных организмов - создание проч­ной комковатой структуры почвы пахотного слоя. Последнее в решающей степени определяет водно-воздушный режим почвы, создает условия высокого плодородия почвы.

Наконец, почвенные организмы выделяют в процессе жизне­деятельности различные физиологически активные соединения, способствуют переводу одних элементов в подвижную форму и, наоборот, закреплению других в недоступную для растений форму.

В обрабатываемой почве функции почвенных организмов сводятся к поддержанию оптимального питательного режима (частичное закрепление минеральных удобрений с последующим освобождением по мере роста и развития растений), оструктуриванию почвы, устранению неблагоприятных экологических ус­ловий в почве.

В интенсивном земледелии экологические условия могут иног­да в решающей степени определять эффективное плодородие почвы. В ней существуют тесные многообразные связи между всеми почвенными организмами. Причем вся эта система нахо­дится в состоянии непрерывно изменяющегося равновесия. Одни группы микроорганизмов предъявляют простые требования к пи­ще, другие - сложные. Между одними группами существуют симбиотические (взаимно полезные) связи, между другими - антибиотические. Микроорганизмы в последнем случае выделяют в почву вещества, подавляющие развитие других микроорганизмов.

Практическое значение имеет способность некоторых микро­организмов оказывать губительное действие на представителей фитопатогенной микрофлоры. Усилить активность желательных микроорганизмов можно путем внесения в почву органиче­ского вещества. В этом случае отмечается вспышка в разви­тии почвенных сапрофитов, которые, в свою очередь, стимулиру­ют развитие микроорганизмов, угнетающих фитопатогенные виды. Для нормального функционирования почвенных организ­мов необходимы прежде всего энергия и питательные вещества. Для подавляющего большинства микроорганизмов такой источник энергии - органическое вещество почвы. Поэтому активность почвенной микрофлоры главным образом зависит от поступления или наличия в почве органического вещества.

Для оценки деятельности почвенной биоты используют пока­затель «биологическая активность почвы». Под биологической активностью понимают, в одних случаях общую биогенность почвы, определяемую, как правило, подсчетом общего количества поч­венных микроорганизмов. Если иметь в виду несовершенство методик, применяемых в этом случае, и малую кратность опреде­лений во времени, то результаты анализа дают примерную картину биологической активности почвы.

Другая точка зрения относительно методов определения био­логической активности почвы заключается в учете результатов деятельности почвенных организмов. Особенно важен такой под­ход в агрономии. Однако привести к общему знаменателю исклю­чительно многообразную деятельность почвенной флоры и фауны методически непросто.

Наиболее универсальный показатель деятельности почвенных организмов - продуцирование ими углекислого газа. Поэтому учет выделяемого почвой углекислого газа - первостепенный из других биохимических способов определения биологической активности почвы.

Почвенная биота - биологический мир почвы

Что такое почвенная биота? Кто самый важный?

Если спросить садовода, какие из живых существ почвы наиболее полезны для растений? Что делает почву плодородной? Кто из живых существ максимально увеличивает плодородие? Большинство ответят, конечно, дождевые черви. Так ли это? Кто ещё работает на наш урожай?

Я в предыдущих статьях, с разных сторон осветил роль невидимых нашему взгляду микроорганизмов. Не просто сапрофитов, разлагающих органику и минералы почвы, а именно азотофиксаторов, которые живут в ризосфере, и которых растение привлекает своими подкормками и которые дают ей дефицитный азот из воздуха. А также грибов - симбионтов, которые делают доступным для растений дефицитный фосфор.

Покинем ризосферу. Поговорим обо всём другом. Представим, что на почву упала листва, или прошла корова на лугу и оставила «лепёшку». Трансформация органического материала в почве осуществляется последовательно сменяющими друг друга живыми организмами. Вначале, буквально за считанные дни сахарная микрофлора потребит сахара, затем с небольшим отставанием аминокислотная микрофлора усвоит энергию белка. Затем им на смену придут сотни видов живых существ разрушающих целлюлозу, этот процесс достигает пика за месяц, и стихает к концу года. А микроорганизмы, разрушающие лигнин, будут работать несколько лет. И, в конце концов, в почве произойдет накопление гумуса, улучшится структура и плодородие почвы, если садовод не будет этому сильно мешать.

Итак, численность бактерий в почве достигает колоссальных размеров (от 1 до 10 млрд. клеток в 1 г почвы, а в зоне корня, в ризосфере ещё в 100 раз больше). Она никогда не остается постоянной в течение вегетационного периода, так как зависит от поступления органического вещества, от свойств почвы, её влажности и температуры. Поэтому даже в течение одного месяца в почве может быть зарегистрировано от 6 до 10 пиков максимума численности, за которыми следует 3-кратное уменьшение. Основная масса бактерий, сосредотачивается в верхних богатых органикой слоях. Общая биомасса бактерий в почве составляет примерно от 1 до 5-7 т/га. Бактерии гибнут, нарождаются, сменяются виды, и все это сотни раз за сезон, и это «лучшая пища» для наших растений.

Второе место по значимости надо отдать грибам. Именно они первыми начинают разрушать недоступную для растений грубую органику, высокомолекулярные углеводы. В 1 г почвы разных типов обнаруживается от 10 до 300 тыс. грибов. Предпочитаемое ими место обитания ограничено поверхностным слоем почвы. Суммарная длина грибного мицелия в почвах холодного и умеренного климата измеряется от нескольких сотен до тысяч метров на 1 г почвы. Максимальная биомасса грибов (мицелии + споры) отмечена в дерново-подзолистых почвах и составляет более 200 г/м2. В некоторых почвах биомасса грибов оценивается в 100-1000 кг/га. Это примерно в 5 раз меньше чем бактерий, но намного больше, например, биомассы дождевых червей.

Мало кто знает, что после грибов, по влиянию на плодородие почв, ненамного отстают водоросли. Если бактерии и грибы разрушают органику, то водоросли, как и высшие растения, являются продуцентами органического вещества. В настоящее время известно около 2000 видов водорослей, встречающихся в разных типах почв. Наибольшее количество водорослей сосредоточено в верхнем горизонте почвы, ограниченном глубиной проникновения солнечного света. Обычно в 1 г почвы содержится от 5 тыс. до 1,5 млн. клеток. Но в благоприятных условиях численность водорослей на 1 см2 поверхности почвы может достигать 40 млн., а биомасса 1,5 и даже 2 т/га. Во время массового размножения колонии водорослей становятся хорошо заметными, так как придают почве зелёный оттенок или образуют на ней зелёную корочку в несколько миллиметров толщиной. Растения активно привлекают водоросли и в свою ризосферу, так как они и азот из воздуха аккумулируют и почву подщелачивают, понижая кислотность. А главное, склеивают частицы почвы своей слизью и нитями, быстро улучшая её структуру.

Кратко, о животных почвы. Самые маленькие и многочисленные - это микроскопические одноклеточные: жгутиконосцы, корненожки, амёбы и инфузории. Все они обитают в почвенных порах и капиллярах, заполненных водой, но в отличие от организмов, живущих в водоёмах, почвенные животные способны длительное время сохранять жизнеспособность при недостатке воды и низких температурах. В почвах России обнаружено около 600 видов простейших. В пахотных угодьях Московской области найдено 38 видов жгутиконосцев, 27 видов голых амеб, 54 вида раковинных амеб и 26 видов инфузорий. В одном грамме почвы может быть до 15 тыс. раковинных корненожек и до 200 тыс. жгутиконосцев, живая масса жгутиконосцев составила 50, а инфузорий - более 200 кг/га. Общая же биомасса простейших достигает 300-400 кг/га.

К микрофауне относят и мелкие многоклеточные (коловратки, тихоходки, нематоды, клещи и ногохвостки). Эти организмы обитают в плёнках воды или в почвенных порах, заполненных влажным воздухом. Наиболее многочисленными и превосходящими остальных по биомассе являются нематоды. В почве их насчитывается от 1 до 2,5 млн. особей на 1 м2. Суммарная биомасса ногохвосток и клещей невелика и составляет 10-20 кг/га. Нематод в пять - десять раз больше.

Самыми многочисленными организмами в почве являются энхитреиды. Это мелкие кольчатые черви длиной 5-30 мм. Их численность на 1 м2 составляет от 2 до 10, а в луговых почвах - до 120 тыс. особей. Биомасса энхитреидов в благоприятных для размножения условиях может достигать 500 кг/га. Энхитреиды ведут подвижный образ жизни. Они передвигаются по проделываемым ходам или по естественным почвенным порам, что позволяет им проникать на относительно большую глубину. Питаются энхитреиды отмершими частями растений, но встречаются среди них и хищные виды, поедающие картофельных нематод.

Многоножки являются представителями класса членистоногих. Их размеры колеблются от 1,5 до 2 мм у мелких видов и от 10 до 15 см у самых крупных. Общая численность многоножек в слое луговой почвы 15-20 см - 4873 экз./м2. В южных тёплых почвах преобладают не многоножки, а мокрицы. По характеру питания многоножки и мокрицы сапрофаги и хищники. И все они выделяют в почву свои экскременты, по качеству не хуже, чем дождевые черви и делают такие же ходы, чем улучшают проницаемость почвы для воздуха и воды на глубину до 1 метра.

Макрофауна. В эту группу почвенных животных включаются земляные черви, насекомоядные, грызуны и землерои. Наиболее изученными организмами, с точки зрения их роли в почвообразовании, являются земляные черви. В почвах нашей страны встречается около 100 видов дождевых червей, но широкое распространение имеют только 16 видов. Продолжительность жизни дождевых червей в естественных условиях составляет 2-3 года. Основное место сосредоточения - гумусовый слой почвы. Очень часто они углубляются и в нижние горизонты. Считается, что в культурных почвах численность дождевых червей должна быть не менее 1,0 млн. особей, а масса 0,5-0,6 т/га. Всем понятно, что число их зависит от вносимой органики, от нагрузки пестицидами и минеральными удобрениями и от минимума обработки почвы.

Основным источником питания для дождевых червей служат растительные остатки и заглатываемая почва, содержащая органические вещества и различного рода микроорганизмы. За 24 часа дождевыми червями перерабатывается такое количество почвы, которое сравнимо с массой их тела. Остатки пищи и заглатываемый грунт после прохождения через кишечник выбрасываются на поверхность почвы или в подземных ходах в виде копролитов - округлых комочков почвы диаметром 1-5 мм. На полях и лугах дождевыми червями ежегодно откладывается от 20 до 80 т/га копролитов. Полагают, что весь гумусовый горизонт почвы, где обитают дождевые черви, полностью перемешивается за 100 лет. Эффект перемешивания почвы особое значение имеет при минимальных поверхностных обработках почвы. Мы способствуем более быстрому накоплению органического вещества в верхних горизонтах, а дождевые черви перемещают его в нижние, что, естественно, положительно влияет на рост растений. Хотя большее значение имеет аэрация почвы ходами червей и то, что они переносят эффективные микроорганизмы в новые слои почвы.

Я перечислил основных представителей флоры и фауны почвы и их количественную роль в накоплении плодородия почвы. Но ведь важнее понять другое. Живые организмы, населяющие почву, существуют не сами по себе, а входят в состав биологических ассоциаций, точнее экосистем. Почвенные экосистемы по своим законам и функционированию почти не отличаются от обычных наземных и водных, привычных для нас. В них имеются все основные структурные компоненты, связанные между собой прямыми и обратными вещественными и энергетическими связями.

Приведу маленький пример из жизни невидимого нам микромира. Так, водоросли положительно влияют на жизнедеятельность бактерий и простейших. Обогащение цианобактериями почвы способствует росту численности и биомассы простейших в 1,5-2 раза, а таких их видов, как инфузории, в 4-8 раз. Водоросли стимулируют рост и большинства грибов. Грибы, в свою очередь, усиливают азотфиксирующую активность бактерий и водорослей находясь в тесном симбиозе с ними.

Жизнедеятельность простейших в большой степени зависит от присутствия микроорганизмов, которые являются для них основным источником питания.

А теперь представьте. Мы внесли гербициды, чтобы уничтожить всего лишь сорняки и незаметно для наших глаз уничтожили почвенные водоросли. И вся цепочка важнейших связей обрушилась от начала до конца. Резко уменьшились в численности по цепочке бактерии, простейшие, грибы, и дождевые черви и все другие помощники для наших растений. И эту нишу заняли вредители и болезни.

Ещё пример. Отдельные виды микроорганизмов, и в частности водоросли, поедаемые почвенными животными, не перевариваются в их организме и выбрасываются с экскрементами. Находясь в этой среде, они используют легко доступные питательные вещества, содержащиеся в ней, и поэтому очень быстро развиваются. Так происходит селекция и размножение отселектированных особей.

Закончу цитатой из одной умной книги:

«… Выделительная функция у корней зависит от многих факторов окружающей среды. Но самое примечательное то, что её могут стимулировать микроорганизмы ризосферы. Это наталкивает на мысль о существовании очень тесной связи между растениями и микроорганизмами, выходящей за рамки простого взаимодействия. Их можно рассматривать как единую систему, состоящую из двух блоков, между которыми имеется постоянно действующая двусторонняя связь, позволяющая каждому из них в той или иной мере регулировать функции другого. Иначе говоря, выделительную функцию корневой системы растений и клеток микроорганизмов, посредством которой осуществляется обмен информацией, следует рассматривать как одно из эволюционных приобретений, позволяющее им в меньшей степени зависеть от условий окружающей среды…»

(Иванов В. П. Растительные выделения и их значение в жизни фитоценозов)

Почвенная биота. Почва - сложнейшая система, одним из основных функциональных компонентов которой являются населяющие ее живые организмы. От деятельности этих организмов зависят характер и интенсивность биологического круговорота веществ, масштабность и интенсивность фиксации основного биогенного элемента - атмосферного азота, способность почвы к самоочищению и пр. Многие ученые обращали внимание на преобладающую роль биохимических процессов в почве, связывали урожайность сельскохозяйственных культур с активным функционированием микроскопических почвенных существ.

Особое значение имеют взгляды на почвенную биоту В. Р. Вильямса, который связывал ее с формированием малого биологического круговорота веществ на Земле, с обогащением почвы азотом в результате фиксации атмосферного азота.В последнее время значение почвенной биоты существенно возросло, и не только в связи с незаменимой ролью ее в формировании почвенного плодородия. При техногенном загрязнении компонентов биосферы, в том числе и почв, почвенная биота выполняет еще одну важную функцию - детоксикации различных соединений, присутствующих в почве и влияющих на состояние окружающей среды и качество сельскохозяйственной продукции.Почвенный покров представляет собой самостоятельную земную оболочку - педосферу. Почва - продукт совместного воздействия климата, растительности, животных и микроорганизмов на поверхностные слои горных пород. В этой сложнейшей системе непрерывно происходят синтез и разрушение органического вещества, круговорот элементов зольного и азотного питания растений, детоксикация различных загрязняющих веществ, поступающих в почву, и т. д.Эти процессы осуществляются благодаря уникальному строению почвы, которое представляет собой систему взаимосвязанных твердой, жидкой, газообразной и живой составляющих. Например, воздушный режим почвы тесно связан с ее влажностью. Оптимальное сочетание этих факторов способствует лучшему развитию высших растений. Последние, продуцируя большую биомассу, поставляют больше пищевого и энергетического материала для населяющих почву живых организмов, что улучшает их жизнедеятельность и способствует обогащению почвы питательными веществами и биологически активными соединениями. Твердая фаза почвы, в которой в основном сосредоточены источники питательных и энергетических веществ - гумус, органо-минеральные коллоиды, катионы Са г +, Мg 2 на поверхности почвенных частиц, взаимосвязана с почвенно-биотическим комплексом (ПБК).Почвенные частицы, особенно коллоидная и илистая фракции, благодаря большой суммарной поверхности обладают поглотительной способностью. Эта способность имеет большое экологическое значение, так как позволяет почве сорбировать различные соединения, в том числе токсичные, и тем самым препятствовать поступлению токсикантов в пищевые цепи.

Состав ПБК . Принято считать, что верхний слой почвы в целом состоит из минеральной субстанции (93 %) и органического вещества (7 %). В свою очередь, органическое вещество включает мертвое органическое вещество (85 %), корни растений (1 %) и эдафон (5 %). В структуру эдафона входят бактерии и актиноми-цеты (40 %), грибы и водоросли (40 %), дождевые черви (12%), прочая микрофауна (5 %) и мезофауна (3 %).

Масса бактерий составляет примерно 10т/га; такую же массу имеют микроскопические грибы; масса простейших достигает порядка 370 кг/га и т. д. На 1 га пашни приходится 250 тыс. дождевых червей (50... 140 кг/га), на 1 га пастбища-500... 1575 тыс. (1150...1680 кг/га), на 1 га сенокосных угодий - 2...5,6 млн (более 2 т/га). Среди животных организмов биосферы обитатели почвы характеризуются наибольшей биомассой. Исходя из предположения, что в среднем биомасса почвенной фауны составляет 300 кг/га, на площади 80 млн км 2 почвенного покрова Земли (без пустынь) суммарная биомасса почвенных животных всего земного шара составляет 2.5 млрд тДеятельность почвенной фауны, или педофауны, состоит в разложении опада на комплексные органические производные (первоначальная функция дождевых червей); эти соединения затем переходят к бактериям, актиномицетам, почвенным грибам, высвобождающим из органических остатков исходные минеральные компоненты, которые опять ассимилируются продуцентами. От деятельности почвенной биоты зависит плодородие почвы, ее «здоровье», качество сельскохозяйственной продукции, состояние окружающей среды. Знание особенностей функционирования ПБК в различных экологических условиях принципиально важно для создания продуктивных и устойчивых агроэкосистем производства экологически безопасной сельскохозяйственной продукции и минимизации загрязнения биосферы.

Структурно-функциональная организация ПБК в различных экологических условиях. Почва - часть биосферы, где действуют различные экологические факторы; поэтому в природе существует множество почвенных типов и их разновидностей с различным проявлением биологических процессов. Например, южные почвы, сформированные в условиях оптимального сочетания экологических факторов (достаточные количества тепла, влаги, питания), отличаются более высокой биологической активностью. Северные почвы в условиях лимитирующего температурного фактора, промывного типа водного режима, особенностей почвообразующих пород и пр. характеризуются низкой биологической активностью и своеобразным ПБК. Другими словами, разные экосистемы функционируют при участии различных почвенных организмов, что обусловливает уровень почвенного плодородия и устойчивость экосистемы к неблагоприятным факторам среды. Так черноземные почвы характеризуются высокой урожайностью и высокой устойчивостью по отношению к токсикантам. Почвы северного ряда - подзолистые и дерново-подзолистые - обладают менее выраженным плодородием, а также низкой устойчивостью к антропогенному загрязнению. В зависимости от типа почвы и ее культурного состояния эти различия проявляются в значительных колебаниях численности и структуры почвенной биоты вообще и микроорганизмов в частности. Наибольшее количество почвенных микроорганизмов содержится в черноземах и отдельных подтипах каштановых почв. Высокой численностью микроорганизмов характеризуются также сероземные почвы (приорошении). К северу и югу региона распространения этих почв численность микробного населения сокращается. Микробиота активно функционирует в основном в верхнем гумусовом слое, где сосредоточен наибольший запас питательных элементов, т. с. плодородие почв и почвенная биота взаимосвязаны.

Структурные изменения в функционировании экосистем в различных почвенно-экологических условиях определяются участием различных групп почвенного бионаселения в биохимических процессах. Например, в северных экосистемах в биологическом круговороте активное участие принимает грибное население; к югу в структуре микробного ценоза преобладают бактерии и актиномицеты. Выявлены и видовые особенности микроорганизмов в функционировании различных экосистем. В экосистемах со слабым течением минерализационных процессов (дерново-подзолистые и особенно подзолистые почвы) доминантами выступают виды, участвующие в распаде органического вещества на ранних этапах (Бас. cereus , Вас. virgulus , Вас. agglomcratus ). Более глубокая трансформация органического вещества протекает при участииВас. iciosus , Вас. mescntericus , Вас. sublilis . В экосистемах с хорошим азотным режимом почвы присутствуют зародышиВас. megatherium . Индикатором засоленныхпочв является Вас. ga . si / icans . В условиях чрезвычайной засушливости экосистем (регионы сухостепной зоны) в структуре бациллярного населения доминантом выступает Вас. mesentericus niger . Таким образом, по структуре микробного ценоза, и особенно по видовому составу микроорганизмов, можно судить о течении почвообразовательного процесса и состоянии экосистем.

10. Глобальные функции почв. Экологические функции почвы и их ограниченность. Понятие о почвоутомлении. Антропогенное загрязнение почв (тяжелые металлы, диоксины, микотоксины). Нормирование загрязнений. Сохранение и воспроизводство плодородия почв.

Функции почвы. Обеспечение жизни на Земле - глав ная функция почвы . Реализация этой функции зависит от концентрации в почве в доступных формах химических соединений биогенных элементов, необходимых организмам. Почва - своеобразное депо, удерживающее важнейшие биогены (углерод, азот, фосфор, серу, кальций, калий и др.) от быстрого смыва их в Мировой океан.

Почва аккумулирует влагу, обеспечивая в период вегетации потребность в ней автотрофного звена биогеоценозов.

Она служит сферой обитания растений, животных, микроорганизмов и т. д.

Почва упорядочивает все потоки веществ в биосфере, выступая в качестве связующего звена и регулирующего механизма в процессах биологической и геологической циркуляции элементов: по существу, она «замыкает» все биогеохимические циклы.

Почва регулирует состав атмосферы и гидросферы.

В результате постоянного газообмена между почвой и атмосферой в воздушный бассейн трансформируются различные газы(в том числе и «парниковые»), микрогазы. Например,разложении мертвых растительных остатков в среднем на 1 га суши продуцируется 84 кг диоксида углерода в сутки. Остановлено, что 40...70 % этого газа, используемого в процессе фотосинтеза,(обеспечивается «дыханием почвы». Остальное количество привносится путем горизонтального и турбулентного перемещения воздушных масс. В свою очередь, почва одновременно поглощает атмосферный кислород. Обогащая (избирательно) поверхностные и подземные воды химическими веществами, почва влияет на гидрохимическое состояние вод суши и прибрежных акваторий морей и океанов.Важнейшая глобальная функция почвы - накопление в поверхностной части коры выветривания, в почвенных органогенных горизонтах специфического органического вещества - гумуса исвязанной с ним химической энергии.Процессы биогенного накопления, трансформации и перераспределения энергии, поступающей от Солнца на землю, протекают в почве непрерывно.Почва выполняет своеобразную космическую функцию.) Запасы этой энергии являются источником жизненно важных процессов. Сосредоточена потенциальная биогенная энергия в почвенном покрове главным образом в виде корней растений, биомассы микроорганизмов игумуса.

Почва защищает литосферу от влияния экзогенных факторов и регулирует интенсивность геологической денудации.

Почва выступает как регулятор распространения живых организмов, выполняя функцию генерирования и сохранения биологического разнообразия. Будучи средой обитания множества, организмов, она ограничивает деятельность одних и способствует активности других. Чрезвычайное разнообразие почвенных разностей предопределяет весьма различные условия жизнедеятельности организмов. От этого, в частности, зависят плодородие почв и устойчивость агроэкосистем. Например, черноземные почвы, характеризующиеся высокой численностью микробного населения, обладают высоким плодородием и лучшей устойчивостью к неблагоприятным факторам среды. Дерново-подзолистые, а особенно подзолистые почвы отличаются более низкой обсемененностью почвенными микроорганизмами, невысокимплодородием и слабой устойчивостью к различным токсикантам. Следовательно, северные ценозы отличаются большей ранимостью, чем южные, и это необходимо учитывать в процессе производственной деятельности.

Значение почвы в агроэкосистемах. Почва - главное средство сельскохозяйственного производства и основа агроэкосистем. Человечество получает изпочвы около 95 % всех продуктов питания. Забота о сохранении почвенного плодородия, «здоровья» почвы должна быть приоритетной в сельскохозяйственном производстве.

Почва представляет собой жизненное пространство, обеспечивающее обитание живых организмов.

Почва является механической опорой произрастающей на ней растительности.

Незаменима роль почвы как хранителя семян. Способность почвы хранить семена в течение нескольких лет без потери всхожести объясняется наличием веществ, ингибирующих прорастаниесемян. Тем самым в природе поддерживаются биоразнообразие и способность к обновлению растительных популяций.

Почва аккумулирует необходимые для жизнедеятельности населяющих ее организмов, в том числе первичных продуцентов, воду, питательные и энергетические вещества, что в значительной степени определяет ее плодородие. Почва - своеобразный склад фер ментов. В ней находятся все известные в живых организмах ферменты, в том числе определяющие почвенное плодородие и ее «здоровье» - пероксидазы, нитрогеназы, нитратредуктазы, каталаза и др. Работа этих ферментов определяет азотный режим почвы, доступность элементов питания, а также способность почвы к детоксикации различных поллютантов.

Почва регулирует гидротермический режим, что позволяет населяющим ее организмам сохранять свою жизнедеятельность при определенных значениях температуры и влажности.

Почва выполняет санитарную функцию. Высокая самоочищающая способность почвы за счет обитающей в ней биоты обеспечивает обезвреживание многих патогенов и токсикантов, что положительно влияет на качество сельскохозяйственной продукции, состояние окружающей природной среды.

Почве присуща информационная функция. Известно, например, что переход весной температуры почвы через +5 °С стимулирует активизацию (увеличение подвижности) азота, фосфора, калия, т. е. указанный предел температуры служит «сигналом» к началу потребления питательных элементов в связи с наступлением вегетационного периода. От особенностей почвенного покрова зависят «поспевание почвы», продолжительность вегетационного периода в различных экологических условиях.

Почва выступает в качестве биохимического барьера. Способность поглощать различные соединения, в том числе токсичные, позволяет ей выполнять роль химического санитара окружающей среды и тем самым предотвращать поступление загрязнений в сельскохозяйственную продукцию.

Почвоутомление. Рассматривая функциональную роль почвы в эко- и агроэкосистемах, нельзя упускать из виду, определенную ограниченность ее. Эти функции небезграничны и вследствие производственной деятельности мог нарушаться. Один из примеров такнарушений - так называемая «утомляемость почв». Внешнее проявление почвенного утомления выражается в резком снижении урожайности с/х культур, что наблюдается при бессменном возделывании (или частомвозвращении на прежнее поле севооборота) растений одного и того же рода. Наиболее часто это отмечается при повторных посевах льна, подсолнечника сахарной свеклы, хлопчатника и некоторых других культур.Основные причины почвоутомления - накопление в почве токсичных веществ, выделяемых корнями растений и микроорганизмами, специфическими вредителей, возбудителей болезней и сорняков. Из-за возможности продуцирования микотоксинов при почвоутомлении сложившихся экологических условиях способствующих проявлению этого процесса, становится реальной опасность заражения почв, что представляет серьезную угрозу.Предотвратить почвенное утомление достаточно просто. Необходимо соблюдать севообороты, оздоравливать почвы путем внесения органических удобрений, сидератов, выращивать устойчивые сорта и т. д.

Среди перечисленных загрязнений тяжелые металлы и их соединения образуют значительную группу токсикантов, во многом определяющую антропогенное воздействие на экологическую структуру окружающей среды и на самого человека. Учитывая все возрастающие масштабы производства и применения тяжелых металлов, высокую токсичность, способность накапливаться в организме человека, оказывать вредное влияние даже в сравнительно низких концентрациях, или дозах, эти химические загрязнители должны быть отнесены к числу приоритетных. С экологических и токсиколого-гигиенических позиций не все тяжелые металлы могут быть восприняты однозначно. Прежде всего, представляют интерес те металлы, которые наиболее широко и в значительных объемах используют в производственной деятельности человека и в результате накопления во внешней среде представляют серьезную опасность с точки зрения их биологической активности и токсических свойств. К ним относят свинец, ртуть, кадмий, цинк, висмут, кобальт, никель, медь, олово, сурьму, ванадий, марганец, хром, молибден и мышьяк.Тяжелые металлы играют важную роль в обменных процессах, но в высоких концентрациях вызывают загрязнение почв, вредно воздействуют на системы. Токсичное действие тяжелых металлов может быть прямым и косвенным. В первом случае блокируется реакции с участием фермента, что водит к уменьшению либо к прекращению его каталитического действия. Косвенное воздействие проявляется в переводе питательных веществ в недоступное состояние и создании «голодной» среды.Опасность, вызываемая загрязнением тяжелыми металлами, усугубляется еще и слабым выведением их из почвы., период полуудаления в условиях венных лизиметров варьирует в зависимости от вида металлов следующим азом: дляZn- 70...510 лет,Cd-13...1100, Си-310...1500, РЬ-740... 5900лет.Тяжелые металлы претерпевают в почве химические превращения, в ходе которых их токсичность изменяется в очень широких пределах. Наибольшую опасность представляют подвижные формы тяжелых металлов, т. е. наиболее доступные для живых организмов. Подвижность же существенно зависит от почвенно-экологических факторов, основные среди которых - содержание органического вещества, кислотность почвы, окислительно-восстановительные условия, плотность почвы и др.

Для получения продукции растениеводства, свободной от тяжелых металлов, на почвах с повышенным их содержанием необходимо:

провести агрохимическое обследование пашни, определить содержание тяжелых металлов в почве

сопоставить содержание ТМ с содержанием калия и кальция

произвестковать кислые почвы

исключить применение минеральных удобрений, содержащих тяжелые металлы

подобрать культуры, минимально потребляющие эти элементы; на сильно загрязненных полях можно выращивать культуры для технической переработки

периодически проводить контроль продукции на содержание тяжелых металлов

Кроме того, снизить воздействие тяжелых металлов на здоровье населения можно путем решения следующих задач:

организация точного и оперативного контроля выбросов ТМ в атмосферу и воду;

прослеживание цепей миграции ТМ от источников до человека;

налаживание широкого и действенного контроля (на различных уровнях, вплоть до бытового) содержания ТМ в продуктах питания, воде и напитках.

проведение выборочных, а затем и массовых обследований населения на содержание ТМ в организме.

Сложности решения указанных задач состоят в том, что: 1) миграция и токсичность элементов зависят от физико-физических форм, поэтому методы анализа должны давать возможность определять связанные и лабильные формы вещества, степень окисления элементов; 2) средства контроля должны обладать низким порогом обнаружения, высокой селективностью и низкой стоимостью.

Загрязнение диоксинами. Среди токсикантов антропогенного происхождения, загрязняющих экосистемы (в том числе и почвы), огромную опасность представляют диоксины. Диоксины характеризуются необычайно высокой устойчивостью в почве. При попадании на почву они переходят в ее органическую фазу, мигрируют (главным образом в вертикальном направлении) в виде комплексов с органическим веществом, поступая в водоемы и включаясь в пищевые цепи. В связи с огромной экологической опасностью, связанной с загрязнением окружающей среды диоксинами, введены ограничения на пригодность почв, зараженных данными токсикантами, для различного использования. Непригодными для проживания считаются почвы с концентрацией диоксинов 1 нг/кг; пригодны для использования под промышленное строительство - с концентрацией более 0,25 нг/кг, для использования в сельском хозяйстве - более 0,01 нг/кг.

Обеззараживать почвы от диоксинов исключительно трудно. Пока что можно говорить лишь о снижении опасности, которую они представляют. В первую очередь необходимо совершенствовать технологии на производствах, являющихся источником токсиканта, жестко соблюдать нормы содержания его в различных объектах (воде, почве), разрабатывать технологии, разрушающие препарат. Возможные меры по снижению токсичности уже загрязненных территорий - удаление и разложение диоксинов путем термической обработки с помощью инфракрасного нагрева, методом электрического пиролиза, ультрафиолетового фотолиза и др. Загрязнение микотоксинами. Серьезная угроза для экосистем - загрязнение почв микотоксинами - ядами, продуцируемыми микроскопическими грибами. Микотоксины могут поражать кормовые растения, корма, а также животных и человека. Из известных многочисленных видов грибов (160... 300) способность к продуцированию ядов обнаружена примерно у 50 % (грибы родов Aspergillus, Penicillium, Fusarium, Mucor, Rhizopus, Helmintosporium, Clado-sporium, Alternaria и др.).

Способность к продуцированию токсинов отмечена не только у грибов, она присуща бактериям и актиномицетам, Эта способность усиливается при ухудшении экологической обстановки. При изучении влияния повышенных доз свинца и пестицида купрозана (исключен из применения) было установлено снижение энергии прорастания овса, уменьшение развития корневой системы, что указывает на наличие токсичных веществ в почве. При этом в составе микробного населения доминантами становились актиномицеты группы Niger и их стерильные формы, сокращалось видовое разнообразие бацилл. Для снижения и предотвращения опасности загрязнения микробными токсинами необходимо использовать естественные биологические механизмы защиты почв, включая структуру микробного ценоза и его биоразнообразие. В результате антропогенного воздействия в почвах сильно снизилась активность действия естественных природных механизмов, определяющих устойчивость и продуктивность экосистем, а также качество окружающей среды. Основные причины нарушения этих процессов: дегумификация, увеличение кислотности, нарушение гидрологического режима, переуплотнение почв и др. Для обеспечения в пахотном слое почв оптимального содержания питательных элементов и гумуса необходимо ежегодно вносить в целом по России не менее 16,5 млн т минеральных удобрений, 50 млн т мелиорантов и 600 млн т органических удобрений. Фактически в 1993 г. внесли 4,8 млн т минеральных удобрений и 231 млн т органических, в 1996 г. - соответственно 1,6 и 88,1 млн т. Ухудшение состояния почвенного покрова создает условия для продуцирования микроорганизмами микотоксинов, что в перспективе может привести к непредсказуемым экологическим последствиям. Следовательно, необходимо решать задачи, направленные на сохранение гумуса в почве, оптимизацию кислотности почвенного раствора, предотвращение переуплотнения, регулирование окислительно-восстановительного потенциала.

Агроэкологический мониторинг - представляет собой общегосударственную систему наблюдений и контроля за состоянием и уровнем загрязнения агроэкосистем (и сопредельных с ним сред) в процессе интенсивной сельскохозяйственной деятельности. Основная цель - создание высокоэффективных, экологически сбалансированных агроценозов на основе расширенного воспроизводства почвенного покрова, максимального использования природных ресурсов, рационального применения средств химизации.Задачи агроэкологического мониторинга:

организация наблюдений за состоянием агроэкосистем;

получение объективной, систематической и оперативной информации по регламентированному набору обязательных показателей, характеризующих состояние ифункционирование основных компонентов агроэкосистем;

оценка получаемой информации;

прогноз возможного изменения состояния данного агроценоза или системы их вближайшей и отдаленной перспективе;

предупреждение возникновения экстремальных ситуаций и обоснование путей выхода из них;

направленное управление эффективностью агроэкосистем.

Основными принципами агроэкологического мониторинга являются:

Комплексность, то есть одновременный контроль за тремя группам показателей,отражающих наиболее существенные особенности вариабельности агроэкосистем (показатели ранней диагностики изменений; показатели, характеризующие сезонные или краткосрочные изменения; показатели долгосрочных изменений).

Непрерывность контроля за агроэкосистемой, предусматривающая строгую периодичность наблюдений по каждому показателю с учетом возможных темпов и интенсивности его изменений.

Единство целей и задач исследований, проводимых разными специалистами (агрометеорологами, агрохимиками, гидрологами, микробиологами, почвоведами ит.д.) по согласованным программам под единым научно-методическим руководством.

Системность исследований, то есть одновременное исследование блока компонентов агроэкосистемы: атмосфера-вода-растение-животное-человек.

Достоверность исследований, предусматривающая, что точность их должна перекрывать пространственное варьирование, сопровождаться оценкой достоверности различий.

Одновременность (совмещение, сопряженность)наблюдений по системе объектов, расположенных в различных природных зонах.

Одним из методических приемов изучения природной среды является, как известно, разделение ее на определенные подсистемы (блоки) в зависимости от целей эксперимента. В качестве изучаемых вариантов, например, целесообразно использовать принятые системы земледелия, обеспечивающие различные уровни продуктивности агроэкосистемы. В системе устойчивого развития агроэкосистем агроэкологический мониторинг занимает ведущее место. Важным условием повышения устойчивости экосистем (и особенно агроэкосистем) служит разработка, совершенствование и строгое соблюдение экологических нормативов, стандартов, правил и других регламентов, регулирующих хозяйственную деятельность по использованию ландшафтов.

Величины предельно допустимых концентраций поллютантов, устанавливаемые по степенивредности веществ или рефлекторной реакции организма на них, являются наиболеераспространенными показателями состояния загрязненности природной среды.Одна из распространенных в настоящее время точек зрения заключается в том, чтоконечной целью экологического нормирования является стремление сохранить естественное течение сукцессионных процессов на основании определения норм состояния объекта посредством анализа параметров агроэкосистемы и интервалов их естественных колебаний, а также установления соответствующих пороговых и критическихпределов. Этот этап называют экологической регламентацией. Следующий этап - это собственно экологическое нормирование. Заключается он в определении экологических нормативов на основе экологических регламентов.Использование системы наиболее общих и симптоматичных интегральных параметров агроэкосистем позволяет оценивать отклонения от некоторого состояния, условно принимаемого за норму. Основными блок-компонентами агроэкосистем являются: атмосфера, вода, почва,растения. Проведение мониторинга по каждому из этих объектов имеет определенныеособенности. Почвенный экологический мониторинг состоит из трех последовательных взаимосвязанных частей:

Контроль (наблюдение) за состоянием почв и почвенного покрова и оценка их пространственно-временных изменений.

Прогноз вероятных изменений состояния почв и почвенного покрова.

Усиление негативных антропогенных воздействий, обусловливающих нарушение почв и снижение их плодородия, объективно диктует необходимость включать в программы почвенно-экологического мониторинга комплекс задач. Ориентировочный перечень их можно представить так:

определение потерь почвы (в том числе скорости потерь) в связи с развитием водной эрозии и дефляции;

контроль за изменением кислотности и щелочности почв (прежде всего, в районах сповышенными дозами внесения минеральных удобрений при осушении и орошении, а также при использовании мелиорантов и промышленных отходов, в окрестностях крупных промышленных центров, которые характеризуются высокой кислотностью атмосферных осадков);

контроль за изменением водно-солевого режима и водно-солевых балансов мелиорируемых, удобряемых или каким-либо другим способом изменяемых почв;

выявление регионов с нарушенным балансом основных элементов питания растений; обнаружение и оценка скорости потерь почвами гумуса, доступных форм азота и фосфора; контроль за загрязнением почв тяжелыми металлами, выпадающими с атмосферными осадками, и за локальным загрязнением их тяжелыми металлами в зонах влияния промышленных предприятий и транспортных магистралей;

контроль за загрязнением почв химическими средствами защиты растений в районах их постоянного использования (например, на рисовых полях);

контроль за загрязнением почв детергентами и бытовыми отходами, особенно натерриториях с высокой плотностью населения;

сезонный и долгосрочный контроль за структурой почв и содержанием в них элементов питания растений, за водно-физическими свойствами и уровнем грунтовых вод;

экспертная оценка вероятности изменения свойств почв при сооружении гидромелиоративных систем, внедрении новых систем земледелия и технологий, строительстве крупных промышленных предприятий и других объектов.

Для достижения репрезентативности наблюдений и объективности оценок состояния и изменений почвенно-агрохимических свойств почвенные обследования целесообразно проводить с периодичностью в 10-15 лет, а агрохимические - через 5 лет. Повторные работы такого рода (в инструктивных документах называемые корректировкой материалов ранее проведенных крупномасштабных почвенных обследований),с одной стороны, позволяют устранять недостатки и восполнять пробелы прежних наблюдений, а с другой - (что наиболее существенно) выявлять и фиксировать происшедшие изменения свойств почв и почвенного покрова вследствие антропогенных воздействий, развития процессов эрозии и т.д. Структура агроэкологического мониторинга включает универсальные параметры, характеризующие каждый компонент агроэкосистемы. Важнейшая задача - получение высококачественной продукции - требует всестороннего и разноуровневого контроля.Токсические вещества, поступающие в результате деятельности человека в агроэкосистемы, через атмосферу, гидросферу и почву, включаясь в биогеохимические круговороты, транспортируются по цепочке:Растения-корма-продукты питания - организм животных - организм человека.

Будучи одним из обязательных условий формирования системы целенаправленного управления производством экологически безопасной сельскохозяйственной продукции, агроэкологический мониторинг должен основываться и на знании процессовбиогеохимического круговорота веществ. При этом важна «емкость» мониторинга. В перечень показателей, подлежащих контролю, обязательно входят элементы, влияющие опосредственно или прямо на организм человека и животных. Возможное наличиебиогенных элементов, тяжелых металлов и других ингредиентов следует контролировать в поливной и питьевой воде, растительной и животной продукции, лекарственном сырье; должен также осуществляться контроль за качеством продукции в процессе переработки и т.д.По сути дела подконтрольной должна быть вся трофическая цепь. Для объективного учета биогеохимических особенностей территорий при проведении мониторинга целесообразно основываться на многолетних сведениях, в том числе:

исторических (характер землепользования за период в 50 лет и более, начало эксплуатации земельного фонда, динамика уровней химизации и т.п.);

агрохимических(сравнение с ранее взятыми почвенными монолитами анализов современных почв,особенно по содержанию микроэлементов, тяжелых металлов и др.);

на климатических условиях, развитии процессов химического загрязнения воздуха и водных источников; на наличии естественных биогеохимических провинций.