МЕТОДЫ ИЗУЧЕНИЯ ГЕОХИМИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ ЖИВОТНЫХ

Оценка геохимической деятельности животных в наземных экосистемах основывается на определении и анализе следующих показателей:

химического состава животных, их пищи, продуктов жизнедеятельности;

биомассы и продуктивности популяций животных; величины потока элементов через популяции с пищей; изменений химических свойств почвы в результате деятельности животных;

массы почвы и растительных остатков, перемещаемой животными при гнездостроении или роющей деятельности, химического состава почвы и растительных остатков;

величины изменений прироста и химического состава растений в результате деятельности животных;

изменений химического состава органических остатков при разложении под влиянием деятельности животных;

массы растений и растительного отпада, их химического состава.              '

Отдельным методом изучения геохимической деятельности животных является использование микрокосмов для моделирования отдельных процессов и оценки степени влияния на них животных.

Из приведенного перечня показателей очевидно, что описание методов их оценки является задачей отдельной книги и поэтому мы остановимся лишь на отдельных методических трудностях, с которыми приходится сталкиваться при изучении роли животных в миграции химических элементов в наземных экосистемах.

Методы определения химического состава почвы, растений, растительного опада приведены в ряде'методических пособий [Ковальский, Гололобов, 1969; Аринушкина, 1970; Allen ot al., 1974]. Методы оценки фитомассы, ее продуктивности, химического состава растений рассмотрены в следующих монографиях: JI. Е. Родин и др. [1968], «Методы изучения биологического круговорота в различных природных зонах» [1978], А. А. Титлянова [1977, 1979], «Программа и методика биогеоценологических исследований» [1974]. Методы анализа химического состава наземных животных практически не отличаются от тех, которые применяются при исследовании химического состава почвы или растений.

Материал обычно собирают во время учетов численности. При сборах определяют его видовую или групповую принадлежность и сушат при температуре 105° в сушильном шкафу до постоянного веса. Животных перед сушкой освобождают от содержимого пищеварительного тракта, поскольку на конечные результаты анализа может повлиять не только химический состав содержимого пищеварительного тракта, но и его масса, .которая у дождевых червей может достигать десятки процентов от живой массы тела [Bolton, Phillipson, 1976]. Фиксированный материал для химического анализа не годится, так как фиксирующие жидкости могут быть загрязнены теми или иными соединениями. Для определения ртути используют материал, высушиваемый при температуре не более 60°.

Высушенный материал хранят в большинстве случаев в бумажных пакетах. При этом следует помнить, что некоторые сорта бумаги загрязняют собранный материал определенными элементами. Поэтому для хранения „материала пользуются пакетами из пергамента или кальки или пластмассовыми стаканчиками [Зырин и др , 1974]. При хранении материала в сухом^виде, по мнению некоторых авторов, может изменяться химический состав и калорийность образцов. V моллюсков Helix pomatia L за шесть месяцев храпения при 60° калорийность возросла на 5% и была выше у проб, гомогенизированных в начале хранения, по сравнению с пробами, гомогенизированными непосредственно пег ред сжиганием [Sisula, Virtanen, 1977]. Следовательно, при длительном хранении материала могут происходить некоторые изменения в химическом составе и это необходимо учитывать прй анализе данных.

Для определения концентрации макроэлементов традиционными методами анализа (микрометод Кьельдаля для определения азота, метод Труога для определения фосфора, определение калия и натрия методом фотометрии пламени, кальция и магния — трилонометрическим титрованием) требуются навески 50—100 мг сухой массы (для имаго насекомых 10О—200 мг).

Навески в большинстве случаев озоляют в муфельной печи при 450° в течение 6—12 ч (так называемое «сухое» озо- ление), однако при этом возможны потери некоторых элементов, например калия [Garter Cragg 1976]. Эти авторы, как, впрочем, и многие другие, используют так называемое «мокрое» озоление, когда навеску растворяют в смеси, состоящей на 30% из хлорной и на 70% из азотной концент- рирбйайгіМх Кйслбт, йрй пагрёвайии. Кроме этой смеСй, используется смесь азотной и серной концентрированных кислот, азотная или серная концентрированные кислоты с добавлением в процессе озоления пергидроля, хлорная кислота. Мокрое озоление исключает потери элементов из образца, главным образом фосфора, но при этом возможно загрязнение пробы примесями, содержащимися в реактивах. Поэтому при определении микроэлементов вместо мокрого озоления используется озоление парами азотной кислоты по методу Г. Я. Ринькиса [Лебедев, Усович, 1969; Покар- жевский, 1975]. Нередко пробы животные предварительно озоляют по методу Г. Я. Ринькиса, а затем доозоляют в муфельной печи, что существенно ускоряет процесс озоления.

Определение элементов ведут уже в азотно- или солянокислых растворах золы.

Наряду с традиционными методами анализа большое распространение имеет спектрографический метод, который, к сожалению, дает очень неровные результаты даже из одних и тех же навесок. Поэтому он и носит название полуко- личественный. Кроме того, для спектрографического анализа требуются большие навески золы. Отрицательной стороной этого метода является также отсутствие разработанных эталонов для определения элементов в животных. Большой объем навесок, необходимых для определения тех или иных элементов традиционными методами анализа, ограничивает возможность изучения химического состава мелких животных — микроартропод, нематод, энхитреид, простейших, которые играют существенную роль в биогенной миграции вещества.

Однако развитие новых методов анализа: атомно-абсорб- ццрнного, рентгенофлуоресцентного, нейтронно-активационного раскрывает новые перспективы изучения химического состава животных. Наиболее широкое распространение получил атомно-абсорбционный метод, особенно при определении уровня концентрации в животных микроэлементов и тяжелых металлов. Этот метод -использован практически во всех зарубежных работах при изучении загрязнения биотических компонентов среды, за редким исключением, когда применялись чувствительные колориметрические методы. Однако в последнее время вСе больший^ интерес привлекает нейтронно-активационный щетод, дающий широкий спектр определяемых элементов в малых навесках (порядка 50 мг) вещества. Этот метод хорошо зарекомендовал себя при биоиндикационных исследованиях, образец при анализе не разрушается, что позволяет использовать его в других ви- дах анализа [Paukert, Obrusnik, 4980]. Однако этот метод требует большой технической базы, в том числе и источника нейтронов для активации образца. Это и сдерживает развитие нейтронно-активационного анализа при изучении химического состава живых организмов.

Для определения углерода, азота и водорода в животных в последнее время стали применять CNH-анализаторы, позволяющие определять эти элементы в навесках массой в несколько десятков микрограмм. Следует отметить, что на точность определения того или иного элемента в навесках такого размера влияет точность определения массы навески.

По сути дела, исследования химического состава животных будут во многом зависеть от распространения микрометодов химического анализа.

Сложным вопросом при изучении геохимической деятельности остается точность определения биомассы и продуктивности животных. Это необходимо не только для расчета запасов химических элементов в животной биомассе, но и для расчета потоков элементов через популяции животных в течение года, для сравнительной оценки .вклада отдельных групп животных в миграцию химических элементов в экосистеме.

Пожалуй, наиболее точные методы учета численности и биомассы разработаны для почвенных животных, описание которых можно найти в коллективной работе «Методы почвенно-зоологических исследований» [1975]. Ряд методов, предложенных для учета численности мелких млекопитающих, например мечение и повторный отлов, дают также достаточно точные оценки биомассы. Значительно сложнее с правильной оценкой биомассы обитателей травостоя, крон, поскольку ее точность связана с ошибками пересчета. Широкоиспользуемый метод авиаучета крупных млекопитающих дает существенно заниженную оценку численности, а следовательно и биомассы этих животных [Коли, 1979]. Не случайно оценки биомассы млекопитающих, птиц, по данным разных авторов, нередко различаются на порядок. Не лучше обстоит дело с оценкой величины ежегодной продукции, хотя благодаря исследованиям по МБП этот показатель получен для ряда популяций обитателей наземных экосистем. Методы оценки продуктивности наземных животных описаны в книге Петрусевича и Макфедьена [Petru- sewicz, Macfadyen, 1970] и большинство оценок продуктивности основаны на методах, рассмотренных в этой книге. Однако для правильного определения продуктивности популяций животных необходимо знание особенностей жизнен- ного цикла вида, нужны достаточно точные методы учета численности, определения расходов -энергии на дыхание, знание количества потребленной пищи, выделяемых экскретов. И хотя продуктивность популяций определена для некоторых видов почвенных животных, относительно большого числа насекомых, для мелких позвоночных, тем не менее заметно отсутствие обобщающих работ в этой области, по-видимому, из-за недостаточного числа материалов по продуктивности популяций в наземных экосистемах.

Величина потока элементов через популяции животных определяется в экспериментальных условиях при изучении пищевой активности животных с последующим переносом этих данных на природные популяции. В большинстве слуг чаев, когда сравниваются материалы по пищевой активности животных, полученные непосредственно в полевых исследованиях, с расчетными, полученными в экспериментальных исследованиях, налицо хорошее совпадение результатов.

Чаще других определение пищевой активности ведется методом избыточного питания, т. е. животные получают избыток цищи и после определенного периода по разности веса исходной и оставшейся пищи находят вес съеденной пищи. Кроме того, широко используются изотопный метод и метод меченой пищи для оценки уровня потребления. Изотопный метод позволил оценить показатели пищевой активности мелких членистоногих и олигохет [McBrayer, Reichle, 1971; Crossley et al., 1971]. Пищу метят также введением метки, окрашенной безвредной краской, и по скорости прохождения пищи и весу содержимого желудочно-кишечного тракта определяют величину потребления пищи. Обзор методов изучения пищевой активности сапрофагов дан в монографии Б. Р. Стригановой [1980]. Сходные методы применяются при изучении пищевой активности фитофагов и хищников [Hook, 1971; Petrusewicz, Macfadyen, 1970]. При изучении пищевой активности млекопитающих наиболее точные результаты получены в обменных клетках, описание которых для крупных животных можно найти в учебниках и практикумах по кормлению сельскохозяйственных животных, а для животных размером с крысу, например, в книге Б. Эггума [1977].

Изменения химических свойств почвы в результате деятельности животных достаточно хорошо изучены с методи-

Ческой точки зрения. В качестве примера можно привести работы Б. Д. Абатурова [Абатуров, 1966; Абатуров и др., 1969), Вуда и Ли [Lee, Wood, 1971], а одной из самых ранних работ была статья Ц. А. Димр [1916]. Эти изменения возникают главным образом в результате гнездоетроитель- ной и роющей деятельности животных. Методы оценки величины потока элементов в результате такой деятельности также хорошо разработаны и описаны в работах Б. Д. Абатурова [1968], Б. Д. Абатурова с соавторами [1969],

А.              Д. Покаржевского [Pokarzhevskij, 1981].

Размер косвенного влияния деятельности животных на биогенную миграцию элементов определяется их влиянием на прирост растительности, на микробные популяции, на изменение физических свойств почвы, на вымывание элементов из мертвого растительного опада.

При определении косвенного воздействия животных на биологический круговорот встречаются значительйые трудности, связанные, например, с точностью расчетов изменений прироста растительности (особенно корневой массы) или с применением веществ, исключающих деятельность животных в процессе разложения.

Пожалуй, наибольшие трудности и наибольший интерес представляют данные по изменению прироста корневой массы в результате деятельности животных, поскольку в травянистых сообществах основная масса элементов, вовлекаемых в круговорот, содержится в корнях и мертвых корневых остатках. Однако стандартных методов учета корней и корневых остатков для решения такого рода задач не имеется и более того учет массы корней в целом, без разделения на виды, существенно занижает величину истинного прироста корневой массы, т. е. суммы приростов корневой массы отдельных видов [Утехин, Хоанг Тьюнг, 1976]. Это следовательно, делает неприемлемым учет корневой массы в целом для изучения косвенного влияния животных на прирост растительности. Неслучайно практически нет работ о влиянии животных на прирост корневой массы: оценки, основанные на изменении прироста надземной массы в травянистых сообществах, по-видимому, не соответствуют масштабам воздействия животных на биологический круговорот.

Сложным является вопрос об исключении животных из процесса биогенной миграции элементов для оценки деятельности других групп организмов или оценки косвенного влияния животных на этот процесс. Если исключение крупных животных не представляет особых трудностей, то пре- дотвращбние доступа мелких животных, наприМер к мертвым растительным остаткам при их разложении, породило ряд методов, из которых наиболее известны — отпугивание животных нафталином, предложенный М. С Гиляровым в 1941 г. и успешно примененный в ряде исследований [Курчева, 1971; Покаржевский, 1979, 19816], и метод капроновых мешочков, предложенный английскими учеными [Heath et al., 1964], в-жотором размер ячеи сита определяет доступ той или иной группы организмов к растительным остаткам.

Сравнение этих двух методов, детальное обсуждение преимуществ и недостатков применения нафталина как репеллента или мелких капроновых сит для исключения доступа беспозвоночных к субстрату содержится в ряде работ, в том числе и последних [Курчева, 1971; Best et al., 1978]. Критика нафталинового метода не оказалась убедительной (нафталин к тому же не содержит примесей элементов, могущих повлиять на результаты экспериментов) и в работах, посвященных влиянию животных на динамику элементов в опаде при его разложении, используется нафталин в сочетании с капроновыми мешочками для отделения роли крупных и мелких сапрофильных животных в этом процессе [Покаржевский, 1979; Seadstedt, Crossley, 1980]. Интересный метод предложен польскими авторами [Stachurski, Zimka, 1976а, Ь], работавшими со специально сконструированными фильтрами, которые позволяют при полевых условиях выделить влияние 5КИВ0ТНЫХ на процесс выведения элементов из растительного опада.

Среди лабораторных методов исследования механизмов круговорота и роли различных организмов в этом процессе заметное развитие получил метод микрокосмов, в йотором моделируются условия главным образом детритной подсистемы какой-либо наземной экосистемы. В качестве микрокосмов используются специально сконструированные камеры [Witkamp, Frank, 1970], колбы Эрленмейера [Coleman et al., 1978] и даже полиэтиленовые мешки [Clarholm et al., 1981]. Микрокосмы позволяют отделить влияние отдельных факторов среды на моделируемые процессы, взаимоотношение микрофауны и микрофлоры в процессах круговорота элементов и разложения органического вещества, оценить большое количество параметров упрощенной экосистемы микрокосма и определить влияние факторов среды на эти параметры

В этой главе мы только коснулись тех методических особенностей, которые встречаются при исследовании геохимической деятельности животных, поскольку специфических методов оценки такой деятельности нет. Методические подходы ж этой проблеме были разработаны уже при изучении потока энергии’в сообществах, в радиоэкологических исследованиях животных. По сути дела изучение геохимической деятельности животных является прямым Продолжением работ по изучению потока энергии в экосистемах.

Важными показателями роли животных в этих процессах являются величины биомассы и продуктивности популяций животных и в следующей главе мы рассмотрим эти показатели в зональном аспекте.