УДК 631.4:574.4.08:502/504
ББК 40.38в7
Б63
Печатается по решению кафедры экологии и природопользования
Академии биологии и биотехнологии им. Д. И. Ивановского
Южного федерального университета (протокол № 15 от 17 июня 2024 г.)
Рецензенты:
доктор биологических наук, профессор кафедры экологии
и природопользования Академии биологии и биотехнологии
им. Д. И. Ивановского Южного федерального университета Т. В. Денисова;
доктор биологических наук, профессор кафедры геодезии, картографии
и географических информационных систем Уфимского университета
науки и технологии Р. Р. Сулейманов
Коллектив авторов:
К. Ш. Казеев (отв. редактор), Е. В. Даденко, Ю. С. Козунь,
Б63
С. И. Колесников, А. В. Горовцов, О. Ю. Ермолаева, Р. В. Романчук
Биологическая диагностика почв и экосистем : учебное
пособие / К. Ш. Казеев (отв. ред.), Е. В. Даденко, Ю. С. Козунь,
С. И. Колесников и др. ; Южный федеральный университет. – Ростовна-Дону
; Таганрог : Издательство Южного федерального университета,
2025. – 443 с.
ISBN 978-5-9275-5055-5
Приведены методы исследований экологического состояния наземных экосистем.
Обоснована методология проведения комплексных исследований экологического
состояния биоценозов и почв. Дана характеристика, оценка и область
применения конкретных методов в диагностике, индикации и мониторинге
природных и антропогенных экосистем. Проведен сравнительный анализ
используемых биологических показателей (зоологических, фитоценологических,
геоботанических, микробиологических, биохимических, почвенных и
др.). Определены возможности использования биодиагностики с помощью индивидуальных
и интегральных параметров.
Пособие адресовано студентам, аспирантам и специалистам в области экологии,
биологии, почвоведения, географии и охраны окружающей среды.
Публикуется в авторской редакции.
ISBN 978-5-9275-5055-5
УДК 631.4:574.4.08:502/504
ББК 40.38в7
© Южный федеральный университет, 2025
Стр.3
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ ...................................................................................................... 8
ГЛАВА 1. МЕТОДОЛОГИЯ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ .... 11
1.1. БИОМОНИТОРИНГ: СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ, ПРОБЛЕМЫ, ПЕРСПЕКТИВЫ ..... 11
1.2. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ МЕТОДОЛОГИИ ИССЛЕДОВАНИЯ И ОЦЕНКИ
БИОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ПОЧВ ............................................................... 15
1.2.1. Комплексный подход ...................................................................... 16
1.2.2. Выбор наиболее информативных показателей ............................ 17
1.2.3. Определение интегрального показателя биологической
активности ....................................................................................... 19
1.2.4. Профильно-генетический метод .................................................... 20
1.2.5. Сравнительно-географический анализ .......................................... 21
1.2.6. Учет пространственной и временной вариабельности ................ 21
1.2.7. Единообразие методики и методов исследования ....................... 22
1.3. ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ И БИОЛОГИЧЕСКИХ
СВОЙСТВ ПОЧВЫ ............................................................................................... 23
1.4. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ МОДЕЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ .................................... 25
1.5. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ПОСЛЕДСТВИЙ АНТРОПОГЕННЫХ
ВОЗДЕЙСТВИЙ ................................................................................................... 26
1.6. НОРМИРОВАНИЕ АНТРОПОГЕННОЙ НАГРУЗКИ ПО СТЕПЕНИ НАРУШЕНИЯ
ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ФУНКЦИЙ ПОЧВЫ ................................................................. 27
1.7. ОЦЕНКА ПРИМЕНИМОСТИ РАЗЛИЧНЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ БИОЛОГИЧЕСКОГО
СОСТОЯНИЯ В МОНИТОРИНГЕ И ДИАГНОСТИКЕ ПОЧВ ...................................... 34
ГЛАВА 2. ПОЛЕВОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЧВ ..................................... 44
2.1. ТИПЫ ПОЧВЕННЫХ РАЗРЕЗОВ .............................................................................. 46
2.2. ЗАЛОЖЕНИЕ ПОЧВЕННЫХ РАЗРЕЗОВ .................................................................... 47
2.3. ОПИСАНИЕ ПОЧВЕННЫХ РАЗРЕЗОВ ..................................................................... 49
2.4. МОРФОЛОГИЧЕСКИЕ ПРИЗНАКИ ПОЧВ ................................................................ 51
2.5. ОТБОР ПОЧВЕННЫХ ОБРАЗЦОВ ............................................................................ 67
2.6. ПРОБОПОДГОТОВКА И ХРАНЕНИЕ ОБРАЗЦОВ ПОЧВ ............................................. 68
2.7. ПОЛЕВЫЕ АНАЛИЗЫ ............................................................................................ 71
2.8. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЛОТНОСТИ ПОЧВЫ ..................................................................... 74
2.9. МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ ПЕНЕТРАЦИИ
ПОЧВЫ)
(ТВЕРДОСТИ
76
2.10. ПОЛЕВЫЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ И ВЛАЖНОСТИ ПОЧВ .............. 79
2.11. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ МОДЕЛЬНЫХ ПОЛЕВЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ................. 81
ГЛАВА 3. ФИТОИНДИКАЦИЯ И ГЕОБОТАНИЧЕСКИЕ
ИССЛЕДОВАНИЯ ........................................................................................ 89
3.1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАСТЕНИЙ .................................................................................... 89
3.1.1. Оборудование для сбора растений ................................................ 90
3.1.2. Техника сбора растений для коллекций ........................................ 93
3.1.3. Укладка в пресс ............................................................................... 96
3.2. МОРФОЛОГИЧЕСКИЕ ИЗМЕНЕНИЯ РАСТЕНИЙ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В БИОИНДИКАЦИИ
.......................................................................................................................... 98
3.2.1. Фитоиндикация почв на уровне видов ........................................ 100
3.2.1. Экологические шкалы Л. Г. Раменского ..................................... 103
3.3. ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ГЕОБОТАНИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ ....... 109
3
Стр.4
3.3.1. Закладка пробных площадей и учётных площадок.................... 110
3.3.2. Описание экологических рядов и профилей ............................... 112
3.3.3. Описание пробных площадей и учётных площадок
Флористический состав растительных сообществ и методы его
изучения ......................................................................................... 113
3.3.4. Учет обилия и характера размещения растений в сообществе . 114
3.3.5. Геоботаническое описание лесной растительности ....................... 124
3.3.6. Геоботаническое описание травянистого (степного, лугового)
фитоценоза ..................................................................................... 136
3.3.7. Учёт запасов надземной и подземной фитомассы ..................... 141
3.4. ПОЛЕВОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОЕКТИВНОГО ПОКРЫТИЯ МЕТОДОМ ЛИНЕЙНЫХ
ТРАНСЕКТ (LINE-TRANSECT METHOD) (SHELTON, 1990) ................................. 141
3.5. КАМЕРАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОЕКТИВНОГО ПОКРЫТИЯ НА ОСНОВАНИИ
ФОТОСНИМКОВ ПОВЕРХНОСТИ ........................................................................ 142
ГЛАВА 4. ЗООЛОГИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ............. 143
4.1. ЗООИНДИКАЦИЯ ПОЧВЫ ..................................................................................... 143
4.1.1. Установление таксона почвы и ее происхождения .................... 143
4.1.2. Выяснение отдельных свойств почвы ......................................... 144
4.2. ОСНОВНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ЛОВЛИ БЕСПОЗВОНОЧНЫХ ............................. 146
4.3. ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЕ ХРАНЕНИЕ СУХИХ НАСЕКОМЫХ ......................................... 151
4.4. МЕТОДИКА СБОРА И УЧЁТА ЧИСЛЕННОСТИ БЕСПОЗВОНОЧНЫХ ТРАВЯНОГО
ЯРУСА .............................................................................................................. 153
4.4.1. Методика оптимизации размера учётной единицы и допустимого
количества проб при мониторинге полевых вредителей .......... 155
4.4.2. Подходы к расчётам плотности населения беспозвоночных
травяного яруса ............................................................................. 157
4.5. УЧЁТ КРУПНЫХ ПОЧВЕННЫХ БЕСПОЗВОНОЧНЫХ .............................................. 159
4.5.1. Учёт герпетобионтных членистоногих ....................................... 162
4.6. УЧЁТ МЕЛКИХ ПОЧВЕННЫХ ЧЛЕНИСТОНОГИХ ................................................... 163
4.7. МЕТОДИКА СБОРОВ НАСЕКОМЫХ НА СВЕТ ........................................................ 165
4.7.1. Выбор источника света и работа со светоловушкой .................. 166
4.7.2. Активность насекомых в течение ночи ....................................... 167
4.7.3. Работа с морилками на примере сбора чешуекрылых ............... 168
4.7.4. Замечания по технике безопасности ............................................ 169
4.7.5. Порядок работы со светоловушкой ............................................. 170
4.8. Трофическая активность фауны ...................................................... 171
4.9. ИНТЕРПРЕТАЦИЯ ДАННЫХ ПОЧВЕННО-ЗООЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ ....... 173
ГЛАВА 5. ИССЛЕДОВАНИЕ МИКРОБИОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ
....................................................................................................................... 175
5.1. МИКРОБНОЕ СООБЩЕСТВО ПОЧВЫ, ЕГО СТРУКТУРА И ФУНКЦИИ ..................... 175
5.2. ОТБОР И ПОДГОТОВКА ПОЧВЕННЫХ ОБРАЗЦОВ ДЛЯ МИКРОБИОЛОГИЧЕСКИХ И
БИОХИМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ ................................................................. 187
5.2.1. Отбор почвенных образцов для микробиологических и
биохимических исследований ..................................................... 187
5.2.2. Подготовка почвенных образцов для микробиологических
исследований ................................................................................. 188
4
Стр.5
5.3. ИЗУЧЕНИЕ ПОЧВЕННЫХ МИКРООРГАНИЗМОВ МЕТОДАМИ ПРЯМОЙ
МИКРОСКОПИИ ................................................................................................ 190
5.3.1. Метод Виноградского ................................................................... 190
5.3.2. Люминесцентный метод ............................................................... 191
5.4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЧИСЛЕННОСТИ ПОЧВЕННЫХ МИКРООРГАНИЗМОВ МЕТОДОМ
ПОСЕВА НА ПЛОТНЫЕ ПИТАТЕЛЬНЫЕ СРЕДЫ.................................................. 194
5.4.1. Приготовление сред ...................................................................... 195
5.4.2. Подготовка посуды и материалов для микробиологического
посева ............................................................................................. 197
5.4.3. Учет численности микроорганизмов ........................................... 200
5.4.4. Определение численности почвенных микроорганизмов методом
комочков обрастания.................................................................... 208
5.4.5. Методы расчета количества микроорганизмов и их биомассы в
почве .............................................................................................. 209
5.4.6. Соотношение между показателями численности бактерий в
почве по данным микроскопии и посева ................................... 210
5.4.7. Расчет эколого-трофических индексов почвы ........................... 210
5.5. ИССЛЕДОВАНИЕ РАЗЛИЧНЫХ ГРУПП ПОЧВЕННЫХ МИКРООРГАНИЗМОВ .......... 212
5.5.1. Исследование бактерий ................................................................ 212
5.5.2. Исследование актиномицетов ...................................................... 221
5.5.3. Исследование микроскопических грибов ................................... 224
5.5.4. Исследование дрожжей................................................................. 235
5.5.5. Почвенные водоросли ................................................................... 237
Методы изучения видового состава почвенных водорослей .............. 238
5.5.6. Методы оценки жизнеспособности микроорганизмов .............. 245
5.6. МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ БИОМАССЫ МИКРООРГАНИЗМОВ В ПОЧВЕ ................. 248
5.6.1. Регидратационный метод определения биомассы
микроорганизмов .......................................................................... 248
5.6.2. Измерение микробной биомассы методом фумигацииэкстракции
..................................................................................... 251
5.7. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СТРУКТУРЫ МИКРОБНЫХ СООБЩЕСТВ ...................................... 254
5.7.1. Показатели структуры микробных сообществ по данным метода
посева ............................................................................................. 254
5.7.2. Метод определения структуры комплекса почвенных грибов и
актиномицетов по радиальной скорости роста ......................... 256
5.8. АНТАГОНИЗМ МИКРООРГАНИЗМОВ ................................................................... 257
5.9. МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ АКТИВНОСТИ НЕКОТОРЫХ МИКРОБИОЛОГИЧЕСКИХ
ПРОЦЕССОВ В ПОЧВЕ ....................................................................................... 258
Определение активности нитрификации .............................................. 258
Определение полевой активности азотфиксации ................................ 260
Определение азотфиксации по методу Ватанабе ................................. 262
Метод определения потенциальной активности азотфиксации с
использованием ацетилена .......................................................... 262
Оценка актуальной и потенциальной активности денитрификации . 263
5.10. МОЛЕКУЛЯРНО-ГЕНЕТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ МИКРОБИОЛОГИИ .......................... 264
ГЛАВА 6. ФЕРМЕНТАТИВНАЯ АКТИВНОСТЬ ПОЧВ ...................... 271
6.1. ФЕРМЕНТЫ В ПОЧВАХ ....................................................................................... 271
5
Стр.6
6.2. КОМПЛЕКСНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ ОЦЕНКИ СОСТОЯНИЯ И КАЧЕСТВА ПОЧВ,
ОСНОВАННЫЕ НА ОПРЕДЕЛЕНИИ АКТИВНОСТИ ФЕРМЕНТОВ .......................... 282
6.3. МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ АКТИВНОСТИ ФЕРМЕНТОВ .......................................... 290
6.3.1. Каталаза .......................................................................................... 292
6.3.2. Дегидрогеназы ............................................................................... 296
6.3.3. Ферриредуктазы ............................................................................. 300
6.3.4. Пероксидазы и полифенолоксидазы ............................................ 302
6.3.5. Инвертаза ........................................................................................ 305
6.3.6. Целлюлазы ...................................................................................... 307
6.3.7. - Глюкозидаза .............................................................................. 310
6.3.8. - и -амилазы ............................................................................... 313
6.3.9. Протеазы ......................................................................................... 316
6.3.10. Уреаза ............................................................................................ 322
6.3.11. Фосфатазы .................................................................................... 325
6.3.13. Хитиназы ...................................................................................... 331
6.3.14. Флуоресцеин диацетат гидролиз ................................................ 333
6.4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ «ДЫХАНИЯ» ПОЧВЫ ................................................................... 335
6.4.1. Метод В.И. Штатнова .................................................................... 337
6.4.2. Метод Г. М. Оганова ..................................................................... 339
6.4.3. Определение «дыхания» почвы в лаборатории по Галстяну .... 339
6.4.4. Определение «дыхания» почвы в полевых условиях по
Карпачевскому, Киселевой .......................................................... 341
6.4.6. Анализ состава почвенного воздуха с помощью ПГА-7 (Полевые
и лабораторные методы…., 2001; Смагин, 2005) ...................... 342
6.4.7. Определение дыхания почвы методом закрытых камер (Смагин,
2005) ............................................................................................... 345
6.4.8. Определение дыхания почвы с помощью газоанализатора EGM-5
PP System ....................................................................................... 346
6.4.9. Определение интенсивности дыхания микробной биомассы по
Роуэллу ........................................................................................... 347
6.5. АППЛИКАЦИОННЫЕ МЕТОДЫ ............................................................................. 349
6.5.1. Определение целлюлозолитической активности почвы ............ 349
6.5.2. Определение интенсивности накопления свободных
аминокислот .................................................................................. 350
6.5.3. Определение протеазной активности методом фотобумажной
автографии ..................................................................................... 351
6.6. ОПРЕДЕЛЕНИЕ НИТРИФИЦИРУЮЩЕЙ АКТИВНОСТИ ПОЧВЫ .............................. 351
6.7. СКОРОСТЬ РАЗЛОЖЕНИЯ МОЧЕВИНЫ ПО АРИСТОВСКОЙ, ЧУГУНОВОЙ ............. 352
6.8. МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТОКСИЧНОСТИ ПОЧВЫ ................................................... 353
6.9. УЧЕТ ИНТЕНСИВНОСТИ РАЗЛОЖЕНИЯ РАСТИТЕЛЬНЫХ ОСТАТКОВ ................... 354
6.9.1. Учет интенсивности разложения растительных остатков в
лабораторных условиях ................................................................ 354
6.9.2. Весовой метод учета разложения растительных остатков ........ 355
6.9.3. Учет степени разложения растительных остатков на
фиксированных полевых площадках .......................................... 355
6.9.4. Определение скорости разложения растительных остатков с
помощью метода чайных пакетиков ........................................... 356
6
Стр.7
ГЛАВА 7. ОПРЕДЕЛЕНИЕ УГЛЕРОДА ОРГАНИЧЕСКИХ
СОЕДИНЕНИЙ ........................................................................................... 358
7.1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГУМУСА ПО МЕТОДУ ТЮРИНА В МОДИФИКАЦИИ НИКИТИНА .. 366
7.2. МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА (ГОСТ
27753.10-88) ................................................................................................... 368
7.3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГРУППОВОГО ФРАКЦИОННОГО СОСТАВА ГУМУСА ПО ТЮРИНУ В
МОДИФИКАЦИИ ПОНОМАРЕВОЙ И ПЛОТНИКОВОЙ ........................................ 369
7.4. УСКОРЕННЫЙ ПИРОФОСФАТНЫЙ МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОСТАВА ГУМУСА ПО
КОНОНОВОЙ И БЕЛЬЧИКОВОЙ ........................................................................ 376
7.5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОБЩЕГО СОДЕРЖАНИЯ УГЛЕВОДОВ В ПОЧВАХ ПО МЕТОДУ М.
ДЮБУА (DUBOIS ET AL., 1956) ....................................................................... 378
7.6. ОПРЕДЕЛЕНИЕ АКТИВНОГО УГЛЕРОДА МОДИФИЦИРОВАННЫМ МЕТОДОМ БЛЕЙРА
(BLAIR ET AL., 1995; WEIL ET AL, 2003) ......................................................... 379
7.7. ОПРЕДЕЛЕНИЕ УГЛЕРОДА МИКРОБНОЙ БИОМАССЫ МЕТОДОМ СУБСТРАТИНДУЦИРОВАННОГО
ДЫХАНИЯ (ANDERSON, DOMSCH, 1978; АНАНЬЕВА И ДР.,
2011) ............................................................................................................... 382
ГЛАВА 8. ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ПОЧВЫ ................................ 385
8.1. ИССЛЕДОВАНИЕ ЩЕЛОЧНО-КИСЛОТНЫХ СВОЙСТВ ПОЧВЫ .............................. 385
8.1.1. Определение кислотности (рН) почв потенциометрическим
методом.......................................................................................... 385
8.1.2. Оценка величины рН ..................................................................... 389
8.2. ИССЛЕДОВАНИЕ ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНОГО СОСТОЯНИЯ ПОЧВ 390
8.2.1. Определение окислительно-восстановительного потенциала (Eh)
потенциометрическим методом .................................................. 391
8.2.2. Оценка величины Eh ..................................................................... 392
8.2.3. Определение общей суммы водорастворимых веществ (сухой
остаток) .......................................................................................... 393
8.3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВОДОПРОЧНОСТИ АГРЕГАТОВ ПО П.И. АНДРИАНОВУ .............. 394
8.4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОЛНОЙ (НАИМЕНЬШЕЙ) ВЛАГОЕМКОСТИ ПОЧВ ...................... 395
8.5. МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЕМКОСТИ КАТИОННОГО ОБМЕНА (ГОСТ 17.4.4.01-84) 397
8.6. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КАРБОНАТОВ ГАЗОМЕТРИЧЕСКИМ СПОСОБОМ .......................... 398
8.7. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОДЕРЖАНИЯ КАРБОНАТОВ АЦИДИМЕТРИЧЕСКИМ МЕТОДОМ . 400
8.8. МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОДВИЖНЫХ СОЕДИНЕНИЙ АЗОТА В ПОЧВЕ .............. 401
ГЛАВА 9. СТАТИСТИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ......... 406
ПРИЛОЖЕНИЯ ........................................................................................... 409
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ........................................................................... 423
7
Стр.8