Size and Content of Organic Particles in the Casts of Aporrectodea caliginosa and Lumbricus rubellus (Mode.pdf Введение Среди большого разнообразия почвенных беспозвоночных важную роль в процессах накопления, перемешивания и преобразования почвенного органического вещества (ПОВ) играют дождевые черви [1, 2]. Поглощение дождевыми червями почвенной массы гумусовых горизонтов достига- 8 Фролов О.А., Милановский Е.Ю. Размер и содержание органических частиц ет 200-400 мг сухого веса на 1 г массы тела дождевого червя в сутки; скорость прохождения по кишечнику дождевого червя колеблется от нескольких часов до суток [3]. Активно воздействуя на почву, дождевые черви меняют ее свойства. Результат жизнедеятельности дождевых червей в почве отражается на свойствах почвы: содержание углерода органических соединений (Сорг) и его стабилизация [4-8], пористость, устойчивость и влагоотталкивающие свойства [9-11], содержание обменных катионов, рН [12-14], влияние нор дождевых червей на миграцию влаги. Дождевые черви воздействуют на почву и как природную систему, и как сельскохозяйственный объект [15-17]. Например, no-till вызывает увеличение содержания ПОВ [18, 19]. Вклад в это увеличение вносят все микроорганизмы почвы, животные, в том числе и дождевые черви. Есть исследования, свидетельствующие о том, что численность дождевых червей возрастает при использовании системы земледелия no-till [20]. Оценка воздействия дождевых червей на почву основывается на изучении почвы с дождевыми червями и сравнении ее с эталонным образцом почвы без дождевых червей. Такой подход не позволяет точно определить, что вызывает изменение тех или иных свойств почвы. В частности, не всегда ясно, произошло ли изменение за счет появления на поверхности растительных остатков и преобразования их микроорганизмами или различия вызваны деятельностью почвенных животных. Также при оценке свойств почвы в целом, где обитали дождевые черви, неизбежно будет происходить усреднение и наложение результатов, тогда как наиболее активные процессы и изменения происходят именно в копролитах, которые являются «горячими точками» для микроорганизмов [4]. В природе, особенно в условиях агроценоза, значение дождевых червей трудно переоценить. В работе P. Hedenec et al. [21] проведен эксперимент с Lumbricus rubellus, результат которого показал, что наибольшая численность и высокая активность микроорганизмов приурочена к дрилосфере. Авторы, к сожалению, копролиты не выделили в отдельную группу, а включили в «дрилосферу». Тем не менее полученные результаты исследования согласуются с нашим предположением - максимальный эффект и результат воздействия дождевых червей на почву локализован в копроли-тах. В ряде исследований [22, 23] отмечается важность присутствия дождевых червей в почвах сельскохозяйственных угодий, их вклад в стабилизацию ПОВ [7]. В работе [7] показано, что слизь дождевых червей стимулирует микробиологическое разложение органических веществ (ОВ) в почве, где микроорганизмы находятся в адгезированном состоянии [23]. Увеличение площади поверхности органических частиц способствует росту микробной биомассы и как следствие общей скорости управляемых ими процессов. Большая площадь поверхности органических частиц способствует росту количества микроорганизмов помимо слизи. Дождевые черви разрушают растительные остатки, таким образом увеличивая площадь поверхности органических частиц [24], что свидетельствует об изменении гранулометрического 9 Агрохимия и почвоведение / Agrochemistry & Soil science состава (ГС) с учетом ОВ. Измельчение растительных остатков дождевыми червями является необходимым условием эффективного функционирования почвенных экосистем. ГС почвы являются ее фундаментальной физической характеристикой [25]. Соотношение разноразмерных элементарных почвенных частиц (ЭПЧ) в ГС и их тип зависят от свойств и генезиса почвы [25, 26]. О ГС копролитов известно немного, несмотря на большое количество публикаций о характеристике свойств копролитов и влиянии дождевых червей на почву. ГС копролитов позволяет оценить роль дождевых червей в изменении физических свойств почвы (плотность, пористость, агрегатный состав почвы и др.), определяющих ее плодородие и агротехническую ценность. Существующие литературные данные по ГС копролитов трудно сопоставимы, так как они получены разными методами (просеивание, седиментация, лазерная дифракция), а также либо для исходных образцов, либо после удаления из них ОВ, но не для двух вариантов одновременно. О. Шульманн и А. Тиунов [27] анализировали копролиты дождевых червей ситовым методом в трех диапазонах (2-3, 1-2 и 0,5-1 мм) с учетом их субстратов (песок смешанный с опадом). Они показали, что скорость кормления Lumbricus terrestris снижалась, когда не было песка. В работе [28] показано, что наличие песка полезно для дождевых червей. Другой автор [29] показал, что компостным дождевым червям не нужен песок. Косвенное предположение об избирательном накоплении песка дождевыми червями продемонстрировано в работе [30], где отмечено увеличение содержания кремния в копролитах. Наши исследования [31] показали повышенное содержание мелкой и средней фракций песка в ГС копролитов по сравнению с почвой (в которой жили дождевые черви) из микрокосма. Остается неясной причина (генезис) обогащения копролитов дождевых червей песчаными частицами - избирательное поступление/накопление в кишечнике червя из вмещающей почвы или это связано с органическим генезисом. Таким образом, определение содержания органических и минеральных частиц в ГС копролитов Aporrectodea caliginosa и Lumbricus rubellus необходимо для понимания механизмов, влияющих на функционирование почвенных экосистем и, следовательно, на функционирование большого числа наземных экосистем, как естественных, так и антропогенных. Цель исследования заключается в обнаружении органических и минеральных частиц в ГС копролитов A. caliginosa и L. rubellus. Проверены две гипотезы. Первая - дождевые черви изменяют ГС путем измельчения ОВ. Вторая - дождевые черви не оказывают влияния на гранулометрический состав минеральной части почв. Объекты и методы Образцы почвы. В данном исследовании использовали модельный эксперимент, основанный на микрокосмах с дождевыми червями. Почва взята из пахотного горизонта агрочернозема миграционно-мицеллярного (Классификация и диагностика почв России, 2004) Курской области 10 Фролов О.А., Милановский Е.Ю. Размер и содержание органических частиц (51°37'17,1"N; 36°15'42,0"E). Эта почва диагностирована в [32] как Protocalcic Chernozem (Loamic, Pachic) и имеет большое агротехническое значение. Плотность твердой фазы в слое 0-20 см составляет 2,55 г/см3 [33]. Плотность почвы в слое 0-20 см составляет 1,18 г см3 [44], pHH2O -6,32±0,11 [34]. Южнее, в 15 км от места отбора образцов, расположен Центрально-Черноземный государственный биосферный заповедник им. В.В. Алехина. В 1947 г. на территории заповедника (51°34'12,5"N; 36°05'22,5"E) был распахан участок чернозема под регулярно скашиваемой целинной разнотравно-луговой растительностью площадью 0,6 га [35]. Проведенное исследование важно для интерпретации результатов изучения трансформации почв этого распаханного участка. Микрокосмы. Воздушно-сухая почва хранилась в течение двух лет, что обеспечивает минимальное остаточное воздействие собственной биоты образцов исходной почвы на дождевых червей. Пробы почвы для вариантов опыта отбирали из фракций сухого рассева исходной почвы на ситах 10; 7,15; 5; 3,15; 2; 1; 0,5 и 0,25 мм (амплитуда колебаний 2,5 мм, время 2 мин, (Anallysette 3 Spartan Fritsch, Германия)) согласно методике в [36]. Перед проведением опыта влажность почвы доводили до полевой вместимости (25%), почву перемешивали и равномерно распределяли по мик-рокосам, представляющим собой цилиндрические сосуды объемом 500 мл. Исходные массы воздушно-сухой почвы составляли 350 г. Экспериментальные сосуды выдерживали в темноте при температуре 17-22 °С и гравитационной влажности 35-40% в течение четырех месяцев. Влажность почвы поддерживали путем равномерного добавления воды на поверхность почвы. Уровень влажности контролировали взвешиванием высушенных (105 °С) образцов почвы (исходная масса 5 г) со всех микрокосмов один раз в месяц. Для исследования были отобраны эндогейные дождевые черви Apporec-todea caliginosa (почвенные дождевые черви, живущие в минеральной толще почвы, являются микрофагами) и эпигейные дождевые черви Lum-bricus rubellus (почвенно-подстилочные дождевые черви, живущие на поверхности почвы, мезофаги [37, 38]). Отбор дождевых червей проводили согласно международному стандарту ISO 23611-1, видовую принадлежность дождевых червей определяли по определителю [39]. Дождевые черви были представлены ювенильными и половозрелыми особями в равных пропорциях. Дождевых червей двух видов A. caliginosa и L. rubellus содержали раздельно в сосудах с опадом (отбор весной перезимовавших листьев) Acerplatanoides (L.). Масса дождевых червей в микрокосме 10 г. Вносили 5 г опада в виде воздушно-сухих цельных листьев на поверхность почвы без перемешивания. В отличие от исследований [7, 9, 12] в нашей работе растительный опад помещался на поверхность почвы без предварительного измельчения и смешивания с минеральной массой. Кленовые листья, лежащие на поверхности почвы, имитируют естественные условия в лабораторном эксперименте (из статьи [40]). Это позволяет объективно определить функции дождевых червей по переходу и трансформа- 11 Агрохимия и почвоведение / Agrochemistry & Soil science ции органического вещества из опада в горизонты почвы. Опад из кленовых листьев был выбран как хорошо потребляемый дождевыми червями [3, 40, 41]. Были сделаны микрокосмы в четырех вариантах: почва и почва с опа-дом в качестве эталонов; почва с опадом и черви A. caliginosa, почва с опа-дом и черви L. rubellus. Все варианты имели четырехкратную повторность. Всего отобрано 24 пробы (средняя проба из 10 разных частей микрокосма) из каждого варианта условий с учетом повторности и времени отбора проб (рис. 1). Пробы эталонной почвы отбирали с глубины 0-2 см, суточные копролиты собирали с поверхности почвы. Пробы отбирали через один, два, три и четыре месяца пребывания дождевых червей в микрокосме. Данные за все месяцы анализируются в едином массиве. Почва&Опад+ A. caliginosa Почва&Опад + L rubellus Рис. 1. Дизайн эксперимента [Fig. 1. The experimental setup] Содержание органического углерода. Общее содержание углерода после сухого сжигания в токе кислорода при 1000 °С измеряли на анализаторе углерода АН-7529 (Гомельский завод измерительных приборов, Республика Беларусь) методом автоматического кулонометрического титрования. В пахотном горизонте чернозема карбонаты отсутствуют (они глубже 40 см), а весь анализируемый углерод - углерод органических соединений [42]. 12 Фролов О.А., Милановский Е.Ю. Размер и содержание органических частиц Лазерный дифракционный анализ размера частиц. Для анализа ГС использовали лазерный дифрактометр Malvern Mastersizer 3000E, оснащенный гелий-неоновым красным светом на длине волны 632,8 нм, диспергатор Hydro LV объемом 600 мл, диапазоны измерения размеров частиц от 0,01 до 2 000 мкм (Malvern Panalytical Inc., Великобритания). ГС определяли в образцах почвы и копролитах до и после окисления ОВ. Определение ГС следует проводить после разрушения агрегированных частиц в образце. Применение пирофосфата натрия или гексаметафосфата натрия для этой цели невозможно. Обменные катионы из поглощающего комплекса почвы переходят в практически нерастворимый в воде осадок фосфатов кальция и магния, что приводит к несоответствию при определении ГС методом лазерной дифракции [25]. Предварительные испытания показали, что ультразвуковое диспергирование водной суспензии образца на Hydro LV не обеспечивает полного разрушения агрегированных частиц. Образцы диспергировали с помощью предварительно откалиброванного ультразвукового диспергатора Digital Sonifier S-250D (Branson Ultrasound, США). К воздушно-сухой пробе добавляли 30 мл дистиллированной Н2О (120-130 мг с ОВ, 100-110 мг после окисления ОВ) и диспергировали суспензию при энергии ультразвука 450 Дж/мл стандартным роговым наконечником [43-45]. При анализе использовалась теория рассеяния света сферической частицей Mi с показателем преломления твердой фазы 1,55, коэффициентом поглощения 0,1 и показателем преломления воды 1,33 [46, 47]. Классификация фракций ГС проведена по USDA/FAO: ил (0-2 мкм), пыль (мелкая 2-20 мкм, крупная 20-50 мкм) и песок (очень мелкий 50100 мкм, мелкий 100-250 мкм, средний 250-500 мкм; крупный 500- 1000 мкм), обеспечивающая детализацию фракций пыли и песка. Окисление ОВ. Мокрое окисление органического вещества Н2О2 проводили по методике, описанной в работе [48]. В этой процедуре использовали количество образца, обеспечивающее уровень затемнения лазерного луча > 10% при определении ГС. 1-2 мл 30% H2O2 добавляли к 100-110 мг образца в пробирке «Falcon» (50 мл) при комнатной температуре. На следующий день образцы помещали в термостат (40 °С). Ежедневно добавляли свежую H2O2 до прекращения вскипания (10-15 дней). После окисления образцы высушивали при 40 °С и использовали для гранулометрического анализа. Статистика. Анализ содержания углерода проводили в трех измерениях для каждого микрокосма. Результаты ГС были получены в 24 повторах для каждого объекта (см. рис. 1), каждый из которых представляет собой среднее значение трех сканирований суспензии образца. На рисунках представлены средние арифметические значения и доверительные интервалы стандартного отклонения на уровне значимости (а = 0,05), рассчитанные с помощью программы Excel (2010). Дисперсионный анализ (ANOVA) и анализ методом главных компонентов (МГК) рассчитывали с использованием преобразования аддитивного логарифмического отношения для нормализации данных. 13 Агрохимия и почвоведение / Agrochemistry & Soil science Результаты исследования и обсуждение Общий органический углерод. По сравнению с контрольным вариантом «почва» содержание Сорг в почве из варианта опыта «опад-почва» увеличивается на 0,30±0,05%, в варианте «опад-почва-A. caliginosa» - на 0,39±0,08%, в варианте «опад-почва-L. rubellus» - на 1,33±0,4%. Вклад дождевого червя A. caliginosa в накопление почвенного Сорг незначителен. По сравнению с контрольным вариантом «почва» содержание Сорг в ко-пролитах A. caliginosa повышено на 0,32±0,06%. Содержание Сорг в почве с дождевым червем L. rubellus (4,99±0,4%) и его копролитами (5,03±0,24%) достоверно выше, чем в других вариантах опыта (рис. 2). Рис. 2. Содержание Сорг (%) в пробах почвы и копролитах [Fig. 2. The content of OC (%) in the samples of soil and casts] Части кленовых листьев из опада, переваренного дождевыми червями, пространственно локализованы как на поверхности почвы (откуда были взяты пробы), так и внутри нее. Гранулометрический состав почвы и копролитов (с ОВ). Гранулометрический состав (ГСОВ) образцов почвы и копролитов (с ОВ) представлен на рис. 3, из которого видно изменение соотношения гранулометрических фракций за счет значительного увеличения содержания песчаных частиц с ОВ размером более 100 мкм по сравнению с их содержанием в тех же образцах, но после окисления ОВ. Гранулометрический состав почвы и копролитов (без ОВ). Международный метод определения ГС почв предусматривает предварительное удаление ОВ из образца [47, 48]. Результаты определения гранулометрического состава (ГСшс») после окисления ОВ пероксидом водорода представлены на рис. 4. Содержание (об. %) илистой фракции в образцах постепенно снижается от 12,5±0,4 в исходной почве до 12,2±0,4 в копролитах L. rubellus (табл. 1). В ГС почвы и копролитов преобладает пылеватая фракция (2-50 мкм). Повышенное содержание пыли в копролитах L. rubellus (83,4 об. %) обусловлено содержанием субфракций 2-20 мкм (53±2,6 об. %). 14 Фролов О.А., Милановский Е.Ю. Размер и содержание органических частиц Рис. 3. Гранулометрический состав до окисления органического вещества в образцах почвы и копролитах [Fig. 3. The PSD before the organic matter oxidation in the samples of soil and casts] < 2 2 - 20 20-50 50- 100 100-250 250-500 500- 1000 MKM Рис. 4. ГС после окисления ОВ в образцах почвы и копролитов [Fig. 4. The PSD after the OM oxidation in the samples of soil and casts] Среднее содержание частиц размером 2-20 мкм в пробах «почва», «почва-опад» и копролитах A. caliginosa существенно не различается и составляет 49,1-49,4 об. %. Доля частиц размером 20-50 мкм колеблется в пределах 30-31,5 об. % во всех выборках и статистически не различается. Среди четырех фракций песка (очень мелкий, мелкий, средний и крупный песок) преобладает очень мелкий песок (50-100 мкм). Максимальное его содержание (7,3±0,8 об. %) обнаружено в образце почвы из варианта «почва-опад». Минимум (4,5±1,8 об. %) - у копролитов L. rubellus. В «почвенном» варианте и копролитах A. caliginosa содержание очень мелкого песка составляет 6,5±0,8 и 6,4±1,8 об. % соответственно. Содержание мелких частиц песка в «почве» очень низкое (0,02±0,03 об. %), напротив, его содержание значительно выше в образцах варианта «почва и опад», копроли-15 Агрохимия и почвоведение / Agrochemistry & Soil science тах A. caliginosa и L. rubellus в 9, 23 и 18 раз соответственно. Частицы среднего размера песка в образце «почва» не наблюдались. В вариантах опыта «опад-почва» (0,07±0,05 об. %) и копролитах L. rubellus (0,04±0,02 об. %) содержание этой фракции сравнимо с погрешностью измерения. И только в копролитах A. caliginosa значимо присутствие среднего песка (0,4±0,1 об. %). Крупный песок (500-1000 мкм) присутствует только в ГС копролитов A. caliginosa (0,07±0,03 об. %). Статистический анализ. Содержание (об. %) илистой фракции в образцах исходной почвы и копролитов L. rubellus составляет 20,41±0,41 и 14,60±1,55 соответственно, что в 1,6 и 1,2 раза выше, чем в ГС после окисления ОВ. В пробах «опад-почва» и копролитах A. caliginosa содержание илистой фракции с учетом ОВ увеличилось в 1,5 раза до 18,16±0,69 и 18,83±0,50 об. % соответственно (табл. 1). Таблица 1 [Table 1] Сравнение содержания частиц (об.%) в ГСОВ (до окисления ОВ) с ГСН2О2 (после окисления ОВ) образцов с использованием U-критерия Манна-Уитни [The content of particles (Vol.%) in the PSDom (before oxidation of OM) and in the PSDh202 (after oxidation of OM). Mann-Whitney U Test] Фрак ция, мкм Окисление ОВ Копроли-ты A. caliginosa Копролиты L. rubellus Опад и почва Почва Среднее Сред нее p1 Сред нее p1 p2 Сред нее p1 p2 0-2 до 18,83 14,6 0 18,16 0,15 0 20,41 0 0 после 12,25 11,79 0 12,29 0 0 12,49 0,02 0 2-20 до 53,27 49,14 0 54,04 0,62 0 54,99 0 0 после 49,7 53,35 0,23 49,13 0,01 0,98 49,56 0 0,41 20 50 до 21,91 21,68 0 21,78 0,85 0 21,36 0,04 0 после 30,72 30,03 0,28 31,07 0,59 0,03 31,47 0,05 0,01 50-100 до 4,25 6,56 0 4,93 0,85 0 3,2 0,04 0 после 6,44 4,43 0,28 7,26 0,59 0,03 6,46 0,05 0,01 100-250 до 1,12 4,74 0 0,92 0,4 0 0,04 0,03 0 после 0,45 0,36 0,55 0,18 0,63 0,86 0,02 0,01 0,01 250-500 до 0,4 2,24 0 0,13 0,66 0 0 0,02 0 после 0,37 0,04 0,21 0,07 0,1 0,93 0 0 0,02 500 1000 до 0,22 1,04 0 0,04 0,52 0 0 0 0 после 0,07 0 0,03 0 0 1 0 0 1 Примечание. p - сравнение с копролитами A. caliginosa, p - сравнение с копролитами L. rubellus. * Жирным выделены достоверно различающиеся пары при p < 0,05. * Significantly different pairs are highlighted in bold at p < 0.05. Сумма фракций ила и мелкой пыли (76,4 ^ 70,8 об. %) преобладает в ГСОВ образцов всех вариантов опыта в случае ГСН202. Изменение содержания мелкой пыли (2-20 мкм) в ГС с ОВ исходных проб обратно пропорционально результату ГС проб без ОВ. Максимальное количество мелкой пыли наблюдалось в «почвенном» варианте (54,99±0,38 об. %), минимальное - в копролитах L. rubellus (49,14±2,13 об. %). Содержание (21,4±0,3 16 Фролов О.А., Милановский Е.Ю. Размер и содержание органических частиц 21,9±0,3 об. %) крупной пыли (20-50 мкм) в образцах почвы и копролитах имеет слабые различия. Различие между ГСОВ и ГСш02 коррелировало с Сорг в объектах этого эксперимента (табл. 2). Потери об.(%) после окисления во всех фракциях во всех вариантах обусловлены разложением почвенного органического вещества. Суммарное содержание песчаных фракций в ГСОВ и доля частиц размером 50-1000 мкм составляют 3,2/0,04% (почва), 6/1% (почва-опад), 6/1,7% (копро-литы A. caliginosa), 14,6/8% (копролиты L. rubellus). Другие значения для этих фракций были получены в ГСша: 6,5/0,3% (почва), 7,3/3,3% (почва-опад), 6,4/2,2% (копролиты A. caliginosa), 4,4/8,2% (копролиты L. rubellus). Т а б л и ц а 2 [Table 2] Отношение содержания частиц в ГСОВ к их содержанию в ГСН2О2 для каждой фракции (левый столбец таблицы). Линейная корреляция между фракциями ГСОВ и содержанием общего углерода. Соотношение между фракцией частиц (у = ГС(об.%)) и содержанием Сорг (х = Сорг (%)) [The ratio of the particles content in the PSDom (a) to their content in the PSDH202; the linear correlation between “a” and the TOC. Relationship between particle fraction (the Y = PF(Vol.%)) and OC content (the X = OC (%))] Фракция, мкм Контроль Копролиты R2 Зависимость ГС (об. %) и Сорг (%) Почва Опад и почва A. caliginosa L. rubellus 0-2 1,6 1,5 1,5 1,2 0,97 у = -4,0556* + 34,89 2-20 1,1 1,1 1,1 0,9 0,99 у = -4,3061* + 70,795 20-50 0,7 0,7 0,7 0,7 0,05 у = -4,3061* + 70,795 50-100 0,5 0,7 0,7 1,5 0,9 у = 2,2504* - 4,6386 100-250 2,7 5,1 2,5 13,2 0,999 у = 3,4892* - 12,825 250-500 - 1,9 1,1 62 0,98 у = 1,7338* - 6,5296 500-1 000 - - 2,9 - 0,97 у = 0,7984* - 3,0022 МГК использовали для оценки влияния видов дождевых червей и опада на размер и содержание органических частиц в копролитах и почве (рис. 5). Результаты МГК выявляют основные фракции для диагностики органических (> 100 мкм) и минеральных (250-500, 500-1 000 мкм) частиц в ГС. С помощью ANOVA проведена оценка влияния факторов на перераспределение частиц по размерам в копролитах (табл. 3). Рассматривались факторы: наличие опада, наличие дождевых червей, наличие опада и дождевых червей, наличие опада и дождевых червей (с учетом вида). Последние два варианта были наиболее важными (на основе p-уровня (альфа = 0,05)). Виды дождевых червей влияют на ГС копролитов (на основе частичного п-квадрата). Наиболее важными факторами являются виды дождевых червей и опад (на основе частичного п-квадрата). На их долю приходится основная часть дисперсии ГС в почве и копролитах. Увеличение содержания общего углерода в вариантах («опад-почва», «опад-почва + A. caliginosa», «опад-почва и L. rubellus») обусловлено поступлением: 1) мелких сегментов листьев клена; 2) водорастворимых продуктов микробиологического преобразования опада, мигрирующих в почву при увлажнении опада. 17 Агрохимия и почвоведение /Agrochemistry & Soil science Проекция объектов на факторную плоскость Элипсы равны 95% доверительному интервалу о копролиты Л.caliginosa _ о копролиты L.nibellps^'^ д почва с опадо*г -- ♦ почва о / / о / / ( о\\ О / о 1 / 1 ° о\\ \\ о ° А / \\ ° \\ ° О Factor 1: 84,83% Проекция объектов на факторную плоскость Элипсы равны 95% доверительному интервалу о копролиты A.calig

Скачать электронную версию публикации