Биологическая активность черноземных почв Самарского аграрного карбонового полигона

Полный текст

Современное преобразование почвенного покрова чаще всего осуществляется под антропогенным воздействием, в результате чего формируются антропогенно преобразованные экосистемы. Антропогенная нагрузка оказывает весомое влияние на микробное сообщество почвы, нарушая важные экологические функции в биосфере, связанные с круговоротом элементов питания, регуляцией газового состава атмосферы и формированием почвенной структуры. Микробиологические показатели почвы той или иной территории, в том числе с разными экосистемами, характеризуются высокой пространственной вариабельностью, что затрудняет их использование для биологической оценки почв. Поэтому пространственное изменение микробиологических показателей почвы изучают часто вдоль трансекты (катены), обусловленной климатом, положением в ландшафте, землепользованием или сукцессией растительности, что и позволяет рассматривать их вариабельность под влиянием этих факторов. Почвенные микроорганизмы выполняют системообразующие функции в таких процессах, как почвообразование, разложение почвенного органического вещества, стимуляция роста и обеспечение защиты растений от патогенной микрофлоры. Почвенный микробиом (микробные сообщества) является непосредственным источником формирования микрофлоры, которая определяет питание растений, их устойчивость к патогенам и абиотическим стрессам.

Таким образом, исследования, направленные на изучение биологической активности почвы в рамках оценки влияния агротехнологий на депонирование углерода в агрофитоценозах в условиях лесостепной зоны Среднего Поволжья, являются актуальными.

Цель исследований: изучить биологическую активность микробного сообщества почв в зависимости от типа экосистемы и степени антропогенной нагрузки.

Материал и методы исследований. Объектом исследований являются почвенные образцы аграрного карбонового полигона – территории опытных полей ФГБОУ ВО Самарский аграрный университет, расположенных в центральной агроэкологической зоне Самарской области.

Диагностику численности микроорганизмов различных эколого-трофических групп проводили классическим методом посева на агаризованные элективные питательные среды различного состава.

Отбор образцов почвы проводили методом конверта на глубину пахотного слоя (0-30 см), все работы проводили с соблюдением максимальной стерильности в начале (май), середине (июль) и конце вегетации большинства сельскохозяйственных культур (сентябрь).

Определяли численность организмов-аммонификаторов – деструкторов белка различной природы (посев на мясо-пептонном агаре, МПА), амилолитических микроорганизмов – иммобилизаторов легкодоступного углерода, ассимилирующих минеральные формы азота (посев на крахмало-аммиачном агаре, КАА), учет количества микромицетов проводили на среде Чапека, актиномицетов – на крахмало-аммиачном агаре. После посева чашки инкубировались в термостате при температуре +27 ºС. Разведение составляет: для бактерий – 1:10⁵, для актиномицетов – 1:10⁴, для микромицетов – 1:10³. Количественный учет численности бактерий проводится на 3-5 день после посева, актиномицетов – на 7-10 день, микромицетов – на 10-14 день.

По полученным данным рассчитывали коэффициент минерализации: К_м = КОЕ_КАА/КОЕ_МПА, где КОЕ_КАА и КОЕ_МПА – численность микроорганизмов на средах КАА и МПА соответственно.

Определение целлюлозоразлагающей активности почвы проводилось методом целлюлозных стандартов в пахотном слое почвы. Обшитые хлопчатобумажной тканью стеклянные пластины (10×30 см) закладывались сроком на один месяц в трехкратной повторности.

Результаты исследований. Численность микроорганизмов является показателем их активности в данный период времени в исследуемой почве и может быть критерием интенсивности процессов, которые эти микроорганизмы осуществляют. По всем вариантам опыта особенную активность проявили микроорганизмы углеродного цикла, преобразующие органические вещества: иммобилиза-торы легкодоступного углерода (среда КАА), а также гетеротрофные аммонификаторы, участвующие в разложении сложных белковых веществ вплоть до аммония (среда МПА) и актиномицеты, разлагающие сложные органические вещества почвы до простых соединений.

В среднем за вегетацию (табл. 1) по всем вариантам опыта количество аммонифицирующих бактерий изменялось не значительно и находилось на уровне 1203-3033 тыс. КОЕ/гр. почвы что соответствует бедной и средней обогащенности почвы данной микрофлорой по Д.Г. Звягинцеву.

 

Таблица 1

Среднее значение численности микроорганизмов и коэффициент минерализации в слое почвы 0-30 см за вегетационный период, тыс. КОЕ/ 1 гр. абс. сух. почвы

Вариант	Численность микроорганизмов, тыс. КОЕ на 1 г почвы					Кмин
	бактерии, на МПА	микроорганизмы на КАА	микромицеты	актиномицеты	общая биогенность
№ 1 Культура – пар (предшественник - подсолнечник). Тип почвы - чернозём обыкновенный остаточно-луговатый малогумусный среднемощный легкосуглинистый	2258	3713	20	1219	5991	1,6
№ 2 Культура – пар (предшественник - подсолнечник). Тип почвы - чернозём обыкновенный остаточно-луговатый малогумусный среднемощный среднесуглинистый	2950	3889	23	1151	6862	1,3
№ 3 Культура – яровая пшеница (предшественник –подсолнечник). Тип почвы - чернозём обыкновенный остаточно-луговатый карбонатный малогумусный среднемощный среднесуглинистый	1789	3327	22	1849	5138	1,9
№ 4 Культура – яровая пшеница (предшественник –подсолнечник). Тип почвы – лугово-чернозёмная карбонатная малогумусная среднемощная тяжелосуглинистая	2554	4405	25	2185	6984	1,7
№ 5 Культура – горох (предшественник-яровая пшеница). Тип почвы - чернозём обыкновенный остаточно-луговатый карбонатный малогумусный среднемощный тяжелосуглинистый	3303	4820	27	1994	8151	1,5
№ 6 Луговая растительность Тип почвы - чернозём обыкновенный остаточно-луговатый карбонатный малогумусный среднемощный тяжелосуглинистый	2618	5715	19	1173	8352	2,2
№ 7 Подсолнечник (предшественник - целина). Тип почвы - чернозём обыкновенный остаточно-луговатый карбонатный малогумусный среднемощный тяжелосуглинистый	3104	4791	19	1289	7914	1,5
№ 8 Культура – горох (предшественник – целина). Тип почвы - комплекс: 1.Лугово-чернозёмная карбонатная солончаковая сильнозасолённая малогумусная среднемощная среднесуглинистая 2. Солонец лугово-чернозёмный солончаковый очень сильнозасолённый многонатриевый средний легкоглинистый (10-25%)	2312	2108	25	1682	4445	0,9
№ 9 Солонец Тип почвы - комплекс: 1. Солончак луговой глубокопрофильный корковый легкоглинистый 2. Луговая карбонатная солончаковая очень сильно засолённая среднесолонцеватая среднегумусная маломощная легкоглинистая (25-50%)	2390	1987	25	1199	4402	0,8
№ 10 Луговая растительность (сенокос) Тип почвы – луговая солончаковая слабозасолённая среднегумусная среднемощная среднесуглинистая	1204	2230	16	913	3450	1,9
№ 11 Луговая растительность (сенокос) Тип почвы – луговая солончаковая слабозасолённая среднегумусная среднемощная среднесуглинистая	2102	3648	9	985	5759	1,7
№ 13 Озимая пшеница. Тип почвы - чернозём обыкновенный малогумусный среднемощный среднесуглинистый	3514	4465	15	1328	7994	1,3
№ 14 Лесная растительность Тип почвы - чернозём обыкновенный малогумусный среднемощный среднесуглинистый	2236	5266	25	3135	7527	2,4
№ 15 Культура – яровая пшеница (после гороха.) Тип почвы – чернозём обыкновенный остаточно-луговатый карбонатный малогумусный среднемощный тяжелосуглинистый	2071	3352	21	1817	5444	1,6
№ 16 No-till	3057	3685	14	1435	6756	1,2

 

Численность амилолитиков в вариантах с луговой растительностью №6 – 5266 тыс. КОЕ/гр. почвы, с лесной растительностью № 14 – 5715 тыс. КОЕ/гр. почвы по шкале оценки степени обогащенности почвы микроорганизмами по Д. Г. Звягинцеву относится к средней степени (5-10 млн ед./1 г абсолютно сухой почвы), по другим участкам степень обогащенности почвы микрофлорой бедная (3329-4981 тыс. КОЕ/гр. почвы), наименьшие значения 1987-2230 тыс. КОЕ/гр. почвы наблюдались по вариантам № 8 (культура – горох (предшественник – целина),тип почвы – комплекс: 1) лугово-чернозёмная карбонатная солончаковая сильнозасолённая малогумусная среднемощная среднесуглинистая 2) солонец лугово-чернозёмный солончаковый очень сильнозасолённый многонатриевый средний легко-глинистый (10-25%)), № 9 (солонец, тип почвы – комплекс: 1) солончак луговой глубокопрофильный корковый легкоглинистый 2) луговая карбонатная солончаковая очень сильно засолённая среднесолонцеватая среднегумусная маломощная легкоглинистая (25-50%), № 10 (луговая растительность (сенокос), тип почвы – луговая солончаковая слабозасолённая среднегумусная среднемощная среднесуглинистая).

В среднем за вегетацию наибольшее количество актиномицетов отмечено в варианте № 14 – лесная растительность (5266 тыс. КОЕ/гр. почвы), по другим вариантам опыта данный показатель изменялся от 913 до 2185 тыс. КОЕ/гр. почвы. До 70-80% актиномицетов, обитающих в почве, имеют особенность продуцирования пигментов, из них около 50% видов способны выделять пигменты бурого и черно-бурого цвета меланоидного типа. Меланоиды актиномицетов представляют собой новообразованные гуминоподобные вещества, близкие к почвенным гуминовым и фульвокислотам.

Кроме того, аминокислотный состав этих веществ достаточно разнообразен (до 17 аминокислот) и схож с таковым гумуса почвы. За счет наличия у лучистых грибков широкого спектра ферментов они считаются полисапротрофными микроорганизмами. При этом всех ярче у актиномицетов выражена протеолитическая, амилолитическая и инвертазная активность. Поэтому изучение численности данной группы микроорганизмов в почве, подобно учету грибов, позволяет судить об общем состоянии агроэкосистемы в целом, а также о скорости процесса гумификации растительных остатков.

Численность микромицетов изменялась в пределах от 14 до 27 тыс. КОЕ/гр. почвы, наименьшее значение отмечено в варианте № 11 – луговая растительность (сенокос), тип почвы – луговая солончаковая слабозасолённая среднегумусная среднемощная среднесуглинистая. В целом, грибы считаются жесткими всесторонними деструкторами вещества почвы, но, при этом, различным классам микроскопических грибов (микромицетов) присуща своя предрасположенность к химическому составу пищевого субстрата. Путем регуляции почвообразовательных процессов, состава органического вещества почвы, ее оструктуренности, кислотности и подвижности элементов питания в почвенном растворе, микромицеты осуществляют значимую работу в формировании плодородия целинных и окультуренных земель. В вопросе о роли микромицетов в синтезе гумусовых веществ особое внимание привлекают виды, способные продуцировать темноокрашенные пигменты типа меланинов – полимеров фенольной природы. Меланины являются сложными химическими образованиями, которые формируются в клетках многих микроорганизмов, но больше всего меланинов продуцируется гифами и репродуктивными органами (спорами) грибов. Меланины представляют собой высокополимерные соединения черного и коричневого цвета с молекулярной массой в несколько тысяч или десятков тысяч а.е.м., образующиеся при ферментативном окислении фенолов и индолов (пирокатехина, тирозина, диоксииндола и т.п.) с последующей полимеризацией продуктов окисления. Наибольшее количество меланинов и других видов пигментов образуют грибы р. Alternaria, Aspergillus, Aureobasidium, Cenococcum, Cladosporium, Dicoccium, Diplococcium, Fusarium, Helmintosporium, Mucor, Mycogone, Nadsoniella, Penicillium, Stahybotris, Stemphylium и других родов. В наших исследованиях чаще всего встречались представители родов Mucor, Penicillium, Aspergillus.

Анализ значимости почвенно-биологических процессов, проводили по суммарной численности различных групп микроорганизмов, культивируемых на элективных средах по всем вариантам опыта (рис. 1).

 

Рис. 1. Значимость суммарной численности микроорганизмов, культивируемых на различных эколого-трофических элективных средах

 

Численность микроорганизмов является показателем их активности в данный период времени в исследуемой почве и может быть критерием интенсивности процессов, которые эти микроорганизмы осуществляют. По всем вариантам опыта особенную активность проявили микроорганизмы углеродного цикла, преобразующие органические вещества: иммобилизаторы легкодоступного углерода (среда КАА) а также гетеротрофные аммонификаторы, участвующие в разложении сложных белковых веществ вплоть до аммония (среда МПА) и актиномицеты, разлагающие сложные органические вещества почвы до простых соединений.

Коэффициент минерализации и иммобилизации Мишустина, определяемый отношением численности микроорганизмов, учтенных посевом на крахмало-аммиачном агаре (КАА) и характеризующий процесс преобразования аммиачного азота, к численности микробов, учтенных посевом на мясо-пептонном агаре (МПА), характеризующий превращение белковых веществ почвы в наших исследованиях варьировал на необрабатываемых участках, представленных лесной и луговой растительностью (варианты №6 и №14) находилась на уровне 2,2-2,4, наименьшие значения отмечены на солонцах (варианты № 8,9), К_мин. в среднем 0,8-0,9. Коэффициенты минерализации на землях сельскохозяйственного назначения (в посевах подсолнечника, яровой и озимой пшеницы, гороха) варьировали в пределах от 1,2 до 1,9, что соответствует средней интенсивности мобилизационных процессов. Это свидетельствует о тенденции усиления активности почвенной микрофлоры, направленной на минерализацию соединений азота в длительно и интенсивно используемой почве.

Была проанализирована зависимость численности микроорганизмов, различных функциональных групп в слое почвы 0-30 см с эмиссией углекислого газа мг/(м²*час) по некоторым вариантам опыта (табл. 2).

 

Таблица 2

Эмиссия СО₂ в течении вегетационного периода, м₂*час

Вариант	в начале вегетации	в середине вегетации	в конце вегетации
№1 Культура – пар (предшественник - подсолнечник). Тип почвы - чернозём обыкновенный остаточно-луговатый малогумусный среднемощный легкосуглинистый	43,37	116,04	48,88
№2 Культура – пар (предшественник - подсолнечник). Тип почвы - чернозём обыкновенный остаточно-луговатый малогумусный среднемощный среднесуглинистый	60,10	102,54	88,27
№15 Культура – яровая пшеница (после гороха.) Тип почвы – чернозём обыкновенный остаточно-луговатый карбонатный малогумусный среднемощный тяжелосуглинистый.	52,21	217,25	66,91
№13 Озимая пшеница. Тип почвы - чернозём обыкновенный малогумусный среднемощный среднесуглинистый	44,31	51,87	42,74
№16 No-till	81,17	183,41	237,05

 

Наблюдается слабая отрицательная корреляция между численностью аммонификаторов, амилолитических микроорганизмов, микроскопических грибов, актиномицетов и эмиссией СО₂, что свидетельствует о том, что в проанализированных вариантах сельскохозяйственного использования земель, увеличение численности изучаемых групп микроорганизмов приводит к некоторому снижению эмиссии углекислого газа. Это является косвенным показателем участия микроорганизмов в закреплении углерода в почве. Многие авторы отмечают, что в контексте глобального изменения климата большое внимание привлекает роль почвы как источника или, наоборот, поглотителя парниковых газов. Микроорганизмы способны как потреблять органическое вещество почвы с высвобождением значительных запасов углекислого газа, так и закреплять в почве углерод в виде трудно-разлагаемых веществ (секвестрация углерода).

Самым распространённым методом определения актуальной биологической активности почвы является определение целлюлозоразлагающей способности почвы.

Метод аппликаций свидетельствует об интенсивности разрушения клетчатки и об активности целлюлозных микроорганизмов, но, поскольку активность последних в значительной степени определяется присутствием в почве доступных питательных веществ, в первую очередь, азотных, то можно полагать, что происходит отображение напряженности хода микробиологических процессов вообще.

В наших исследованиях определение целлюлозоразлагающей активности почвы показало, что в целом данный показатель в начале вегетации в слое 0-30 см был на достаточно высоком уровне (рис. 2). По степени разложения целлюлозы все варианты можно разделить на группы.

В вариантах № 1 и 2 – пар (предшественник – подсолнечник, тип почвы - чернозём обыкновенный остаточно-луговатый малогумусный среднемощный легкосуглинистый), № 3 и 4- яровая пшеница (предшественник – подсолнечник, тип почвы - чернозём обыкновенный остаточно-луговатый карбонатный малогумусный среднемощный среднесуглинистый и тяжелосуглинистый) а так же в варианте № 7- подсолнечник (предшественник – целина, тип почвы - чернозём обыкновенный остаточно-луговатый карбонатный малогумусный среднемощный тяжелосуглинистый) степень разложения хлопчатобумажного полотна была наибольшей и составляла в среднем по слою 0-30 см 20,9 – 22,5%, причем отмечено достаточно равномерное разложение во всем пахотном слое, что объясняется достаточной влажностью почвы в начале вегетации и высокой степенью аэрации в нижних слоях почвы.

 

Рис. 2. Целлюлозоразлагающая активность в слое почвы 0-30 см, %

 

При возделывании гороха (№ 5), яровой пшеницы – вариант № 15, и озимой пшеницы (№ 13) целюлозоразлагающая способность в слое 0-30 см находилась на уровне 14,2-17,2%, наблюдается равномерная степень разложения целлюлозы по слоям почвы.

Под лесной растительностью (варианты №14) степень разложения хлопчатобумажного полотна – 12,4%, причем в верхнем слое происходило более интенсивное разложение ткани – 20,2%, по сравнению с нижними слоями 10,8-6,1%.

В почве под луговой растительностью (варианты №6, 10 и №11) и в варианте с нулевой обработкой почвы(№16), целлюлозоразлагающая активность была на достаточно низком уровне и составляла 10,3-10,6%.

Самый низкий показатель целлюлозной активности наблюдался на солонцах (№ 8 и 9) – 8,5-6,9%, повышение концентрации солей подавляло активность целлюлозоразлагающих микроорганизмов.

Заключение. Поскольку черноземы являются плодородными, устойчивыми к внешним воздействиям высоко буферными почвами за счет высокого содержания гумусовых веществ, благоприятной зернистой структуры, оптимальных физических и химических показателей, резко изменить или катастрофически сузить состав микробного сообщества за счет внешних воздействий практически невозможно. Однако задача сохранения и преумножения биоразнообразия является одной из приоритетных для сбережения и спасения естественного плодородия и почвенного биологического потенциала черноземных почв.

Проведенные исследования показали, в условиях вегетационного периода количество микроорганизмов углеродного цикла, особенно аммонификаторов, участвующих в трансформации свежих органических остатков и растительных экссудатов соответствует бедной и средней обогащенности почвы данной микрофлорой по Д.Г. Звягинцеву. Численность амилолитиков в лесных почвах относится к средней степени, а в почвах сельхозназначения – бедная. Почвы под лесной растительность также характеризуются повышенным содержанием актиномицетов и микромицетов, по сравнению с почвами других экосистем.

Коэффициенты минерализации на землях сельскохозяйственного назначения (в посевах подсолнечника, яровой и озимой пшеницы, гороха) варьировали в пределах от 1,2 до 1,9, что соответствует средней интенсивности мобилизационных процессов. Это свидетельствует о тенденции усиления активности почвенной микрофлоры, направленной на минерализацию соединений азота в длительно и интенсивно используемой почве. На участках, представленных лесной и луговой растительностью К_мин в среднем, за вегетационный период находился на уровне 2,2-2,4, наименьшие значения отмечены на солонцах – 0,8-0,9.

В почве залежи (лес, луг) отмечено степени разложения льняного полотна в 1,8 раза, по сравнению с землями сельхоз назначения.

Увеличение степени засоления почв снижало показатели биологической активности почвы.

В условиях вегетационного периода выявлена слабая отрицательная корреляция численности микроорганизмов, изучаемых функциональных групп с эмиссией углекислого газа по вариантам сельскохозяйственного использования земель: в паровых полях, при выращивании озимой и яровой пшеницы, а также в варианте с применением технологии No-till.

Об авторах

Наталья Михайловна Троц

Самарский государственный аграрный университет; Самарский национальный исследовательский университет имени академика С. П. Королева

Email: troz_shi@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-3774-1235

доктор сельскохозяйственных наук, профессор

Россия, Усть-Кинельский, Самарская область; Самара

Елена Хамидулловна Нечаева

Самарский государственный аграрный университет

Email: EXNechaeva@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-5818-8638

кандидат сельскохозяйственных наук, доцент

Россия, Усть-Кинельский, Самарская область

Юлия Владимировна Степанова

Самарский государственный аграрный университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: Yul8075@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0001-9791-4690

кандидат сельскохозяйственных наук, доцент

Россия, Усть-Кинельский, Самарская область

Джамиля Рашидовна Ермолаева

Самарский государственный аграрный университет; Самарский национальный исследовательский университет имени академика С. П. Королева

Email: ermolaeva.djamilya@yandex.ru
ORCID iD: 0009-0008-7710-5560

кандидат технических наук

Россия, Усть-Кинельский, Самарская область; Самара

Список литературы

Дополнительные файлы