Сотрудники Института открыли новые для науки формы гумуса
Сотрудники лаборатории экотоксикологии популяций и сообществ Института экологии растений и животных УрО РАН к.б.н. И.Н. Коркина и д.б.н. Е.Л. Воробейчик исследовали строение верхней части профиля лесных почв, долгое время подвергавшихся загрязнению тяжелыми металлами. Результаты оказались очень неожиданными: были описаны ранее не известные для науки формы гумуса. Их подробная характеристика приведена в статье “Non-typical degraded and regraded humus forms in metal-contaminated areas, or there and back again” , которая опубликована в ведущем международном журнале в области почвоведения Geoderma (импакт-фактор 6.1).
Несколько непривычный для отечественного почвоведения термин «формы гумуса» обозначает варианты строения верхней части почвенного профиля. Чередование почвенных горизонтов и все особенности их морфологии не случайны: они четко отражают закономерности протекания процессов разложения растительных остатков, попадающих на поверхность почвы. По формам гумуса можно точно диагностировать, какие именно почвенные животные и насколько быстро утилизируют растительные остатки. Например:
- если растительный опад активно перерабатывают дождевые черви двух жизненных форм – обитающие в лесной подстилке и в минеральных почвенных горизонтах – формируются формы гумуса системы Mull;
- если в переработке участвуют только поверхностнообитающие дождевые черви, энхитредиды и микроартроподы – системы Moder;
- если разложение происходит без участия крупных почвенных беспозвоночных, а преимущественно за счет грибов – системы Mor.
В каждой системе представлено по три-четыре формы гумуса в зависимости от интенсивности процессов разложения. В ряду Mull—Moder—Mor снижается участие почвенной фауны в переработке растительных остатков, уменьшается скорость их разложения, увеличивается мощность лесной подстилки, смещается область преимущественного накопления органического вещества от минеральных горизонтов к органическим.
Формы гумуса почвоведы исследуют уже без малого полтора века. Одно из наиболее значимых достижений последних лет – Европейская морфофункциональная классификация систем и форм гумуса, завоевывающая все большую популярность среди почвоведов всего мира. Ее последняя версия, опубликованная в 2018 г., охватывает практически все разнообразие естественных форм гумуса. А вот антропогенные варианты представлены в ней наименее полно, а химически загрязненные почвы даже не упомянуты. Это досадный пробел, поскольку почвы загрязненных территорий очень специфичны: они отличаются от естественных аналогов не только высокими концентрациями загрязняющих веществ, но и характером протекания биологических, химических и физических процессов, а в итоге – и морфологическим обликом. Хотя занимаемая загрязненными почвами площадь невелика относительно естественных аналогов, они интересны как модель быстрой эволюции почв под действием сильных внешних нагрузок.
Исследования И.Н. Коркиной и Е.Л. Воробейчика посвящены почвам лесов южной тайги, которые около 80 лет подвергались загрязнению от выбросов Среднеуральского медеплавильного завода. Накопление в почве тяжелых металлов крайне негативно сказывается на почвенной фауне, что вызывает закономерную смену форм гумуса (рис. 1). Облик таких форм гумуса не отличается от естественных, а их смена аналогична изменениям при переходе, например, от южной тайги к северной или при подъеме в горах.
Исследованная авторами ситуация уникальна тем, что около десяти лет назад выбросы завода почти прекратились. Это дало возможность изучать процесс естественного восстановления экосистем. Оказалось, что на обратном пути – когда концентрации металлов в верхних горизонтах почв начали снижаться, а почвенные беспозвоночные (дождевые черви, энхитреиды, личинки двукрылых) стали возвращаться на покинутые места – формируются очень необычные формы гумуса. Было обнаружено более 20 таких неизвестных науке форм. Более того, для семи из них нет даже соответствия какой-либо системе форм гумуса – аналогу класса в биологической систематике. В этих безаналоговых формах сочетаются абсолютно несочетаемые в естественных условиях признаки, характерные для разных систем гумуса: подобно мифическим Химерам они как бы механически «составлены» из частей нескольких профилей. Например, хорошо переработанные дождевыми червями верхние слои подстилки, которые типичны для почв умеренного климата в условиях оптимальной температуры и влажности (система Mull), лежат на толстом слое совершенно нетронутого разложением растительного материала, который характерен для холодных и переувлажненных северных лесов (система Mor). Авторы назвали эти формы гумуса Mormull.
Фактически, в ряду нетипичных форм запечатлен процесс возврата деградированных почв к исходным, существовавшим на загрязненной территории до начала действия завода. На основе анализа более 1100 профилей, описанных на участках с разным уровнем загрязнения, была построена подробная схема превращения одних форм гумуса в другие. Оказалось, что «движение туда» (при увеличении загрязнения) не зеркально «движению обратно» (при его уменьшении). Ключевую роль в обоих процессах играют дождевые черви, а главный драйвер – увеличение или уменьшение токсичности почв (рис. 2).
Авторы предложили включить новые формы гумуса в Европейскую классификацию, подобно тому, как это сделано для других вариантов антропогенно преобразованных почв. Работа имеет и прикладное значение: на основе анализа спектров форм можно оценивать здоровье почв и прогнозировать его изменения, что важно для управления почвенными ресурсами.
Исследования были поддержаны грантом РФФИ «Техногенно загрязненные почвы: морфофункциональная диагностика неравновесных состояний» (19-29-05175).
Ирина Коркина:
- Считаю, что мне повезло дважды. Первый раз – когда несколько лет назад я только начинала работу с формами гумуса и разбиралась с Европейской классификацией. В тот период на наших участках еще не было заметно никаких признаков восстановления почв после прекращения выбросов и можно было исследовать изменения форм гумуса под действием загрязнения «в чистом виде». Если бы я тогда обнаружила эти нетипичные формы, то просто подумала бы, что для условий загрязнения Европейская классификация неприменима или я не могу с ней самостоятельно разобраться. А второй раз повезло тогда, когда почвенная фауна начала заселять ранее обследованные загрязненные участки: это позволило, фактически, в режиме реального времени отследить процесс восстановления форм гумуса, который протекает очень быстро. И именно такие повторные наблюдения позволили обнаружить новые формы гумуса.
Евгений Воробейчик:
- Статья готовилась долго и мучительно. Главная причина этого заключается в том, что для обнаруженных нетипичных форм гумуса нужно было придумывать буквально все: и новые названия, и типологию. Далеко не сразу удалось расшифровать пути их эволюции. Но когда статья была написана, в журнале она прошла «на ура». Если честно, мы даже не ожидали такого: принципиальных замечаний у рецензентов вообще не было, лишь небольшие терминологические уточнения и стилистические правки. Было приятно прочитать вердикт: «This paper should be given the highest priority for publication. Only minor changes, mostly language editing, have been suggested. As such, this is the first time that a comprehensive inventory of dynamic features is done along humus profiles of polluted areas and, even more, that features of degradation and regradation processes are clearly distinguished». И, действительно, после внесения исправления статья была принята с необычайной скоростью: я загрузил файлы из дома, дошел до института, открываю почту – а там письмо о том, что статью уже приняли, т.е. от момента загрузки до решения редактора прошло менее двух часов.