CC BY
24
УДК 631.461;504.7
ИЗМЕНЕНИЕ ЧИСЛЕННОСТИ И АКТИВНОСТИ ПОЧВЕННОЙ БИОТЫ В АГРОЭКОСИСТЕМАХ РАЗНОЙ ИНТЕНСИВНОСТИ
Е.В. Коваленко, аспирант, Н.В. Малахов, аспирант (научныйруководитель - Н.С. Матюк, д.с.-х.н.)
РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева, e-mail: zem@timacad.ru
Изучены закономерности изменения численности и интенсивности жизнедеятельности почвенной биоты в агроэкосистемах разной интенсивности. При низком уровне обеспечения энергетическим материалом в деградированных и экстенсивных агроэкосистемах численность микроорганизмов, усваивающих как органические, так и минеральные формы азота, уменьшается в 1,3-1,5 раза по сравнению с интенсивными. Дополнительное обогащение почвы органическим веществом за счет внесения навоза (17,8 т/га) увеличивает их количество 2,3 раза, что повышает энергетическую устойчивость сверхинтенсивных агроэкосистем в 2,42 раза по сравнению с экстенсивными и в 1,5 раза в сравнении с интенсивными. Интенсивность жизнедеятельности микробного сообщества целлюлозоразлагающих микроорганизмов тесно коррелировала с массой органического вещества, поступающего в агроэкосистемы с навозом и пожнивно-корневыми остатками, и была наиболее высокой в интенсивных (41%) и сверхинтенсивных (47%) агробио-ценозах. При резком уменьшении массы поступающей органики этот показатель снижается до 5,1% в деградированных и 6,8% в экстенсивных агроэкосистемах.
Ключевые слова: агроэкосистема, микрофлора, дыхание почв, углерод, распад и синтез органических соединений, метаболический коэффициент.
CHANGES OF QUANTITY AND ACTIVITY OF SOIL BIOTA IN AGROECOSYSTEMS OF DIFFERENT INTENSITY
PhD. student E.V. Kovalenko, PhD. student N.V. Malakhov
Russian Timiryazev State Agrarian University, e-mail: zem@timacad.ru
The regularities of changes in the number and vital activity intensity of soil biota in varying intensity agroeco-systems. At a low level to ensure energy material in degraded agroecosystems and the extensive number of microorganisms that use both organic and mineral forms of nitrogen is reduced by 1.3 to 1.5 times compared to the intense. Additional enrichment of soil organic matter due to manure (17.8 t/ha) increases the number of 2.3 times, which increases the stability of the ultra-intense energy of agro-ecosystems in 2.42 times compared with the extensive and 1.5 times in comparison with the intensity . The intensity of the vital activity of the microbial community cellulose-decomposing microorganisms is closely correlated with the mass of organic matter entering the agro-ecosystem with manure and crop residues, root, and was highest in the intensive (41%) and ultra-intense (47%) agrobiocoenosis. With a sharp decrease in the mass of organic matter entering this figure is reduced to 5.1% and 6.8% degraded in extensive agro-ecosystems.
Keywords: agroecosystem, microflora, soil respiration, decomposition and synthesis of organic compounds.
С точки зрения плодородия почвы и условий корневого питания растений наибольшее значение имеют сообщества почвенной микрофлоры (грибы, маслянокислые бактерии и др.), осваивающие растительные остатки с образованием перегноя и сообщества микрофлоры, связанной с переработкой (минерализацией) перегноя - аэробные целлюлозные бактерии, нитрификаторы, бактерии, минерализующие органические соединения фосфора, серы и др., с образованием доступных для растений питательных веществ - нитратов, фосфатов и других окисленных соединений [1, 2]. Усиленное размножение микроорганизмов при достаточном количе-
стве питательных веществ приводит к закреплению биофильных элементов, освобождаемых в доступной для растений форме после отмирания микробов и минерализации их плазмы. Одновременно с этим достигается предохранение от вымывания и химического поглощения легкорастворимых соединений почвы и минеральных удобрений, а также устранение возможного вредного влияния высокой концентрации солей [3]. С другой стороны, при недостатке питательных веществ в почве чрезмерное размножение микроорганизмов может привести к потреблению ими питательных веществ, то есть к явлению иммобилизации и ослаблению продуктив-
ности различных агробиоценозов [4-7]. Количество, скорость и полнота преобразования органического вещества микробной биотой определяют характер формирования почвенного профиля, складывающегося в той или иной экосистеме. Ежегодные колебания природных факторов определяют незначительные колебания параметров экосистемы (флуктуации) в рамках «нормы» [3].
Цель исследований - изучение численности и активности почвенной биоты в агроэкосистемах разной интенсивности.
Исследования проводили в длительном полевом опыте РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева, заложенном профессором А.Г. Дояренко в 1912 г. Почва опытного участка дерново-слабоподзолистая легкосуглинистая старопахотная сформировалась на неоднородной супесчаной и суглинистой морене.
Объект исследований - агроэкосистемы, различающиеся по продуктивности, соотношению вложенной и отчужденной антропогенной энергии, а именно:
1 - деградированные - поле чистого пара без удобрений и извести с содержанием органического углерода на уровне квазиравновесного состояния, обеспеченного гранулометрическим составом (0,50,6% Сорг.); с соотношением энергии, накопленной сорной растительностью к потерям энергии при минерализации гумуса как 1:9. Продуктивность 3,2 тыс. МДж;
2 - компромиссные (приближенные к естественным) - многолетняя травянистая залежь с содержанием Сорг. 1,4-1,5% и соотношением накопленной энергии биоценозом многолетних трав к энергии минерализации гумуса как 10:1. Продуктивность 92,8 тыс. МДж;
3 - экстенсивные - монокультуры яровых зерновых, технических (лен) и пропашных культур (картофель) на фоне без удобрений и извести с содержанием Сорг. 0,8-0,9% и соотношением поступившей энергии с растительными остатками к отчужденной с минерализацией гумуса, основной и побочной продукцией как 1:2. Продуктивность 55,9 тыс. МДж;
4 - интенсивные - севооборотные участки с биоразнообразием сельскохозяйственных растений с 1950 г. после 38-летнего чистого пара на фоне внесения К100Р150К120 и 20 т/га навоза ежегодно с соотношением поступившей энергии с растительными остатками, минеральными и органическими удобрениями к ее потерям за счет минерализации гумуса и отчуждению с основной и побочной продукцией как 1:1,7. Содержание Сорг. 1,2-1,3%. Продуктивность 101,3 тыс. МДж;
5 - сверхинтенсивные - участки зернопропаш-ного севооборота (чистый пар - оз. рожь - картофель - ячмень с подсевом клевера - клевер - лен) на идентичном фоне питания с 1912 г. (Сорг. 1,1-
1,2%) с соотношением между теми же компонентами как 1:1,5. Продуктивность 125,6 тыс. МДж.
Определение численности и состава сапротроф-ных микроорганизмов в пахотном слое почвы проводили в трехкратной повторности, выращивая их на питательных средах и подсчитывая количество. Целлюлозоразлагающие микроорганизмы определяли на среде Гетчинсона. Определение численности почвенных микроорганизмов проводится на твердых питательных средах методом разведений [8, 9]. Бактерии, использующие органический азот почвы, учитывали на мясопептонном агаре (МПА); минеральный азот - на крахмало-аммиачном агаре (КАА). Относительный показатель минерализации органических веществ определяли по соотношению КАА/МПА [9]. Биологическую активность почвы определяли по интенсивности дыхания микроорганизмов методом газовой хроматографии.
Углерод микробной биомассы и показатель устойчивости микробного сообщества почвы (микробный метаболический коэффициент) определяли расчетным путем по формулам:
СМик = СИД х 40,04 + 0,37.
QR = БД/СИД [9].
Содержание углерода в почве проводили по методу Тюрина в модификации ЦИНАО [11].
В мониторинге экологического состояния почв особое место занимает оценка количественных и качественных изменений жизнедеятельности микробного сообщества, а также соотношения эколого-трофических групп микроорганизмов в нем. Численность микрофлоры обусловлена как экологическими характеристиками почвы, так и количеством привнесенной энергии в агроэкосистемы за счет использования различных форм агрохимикатов.
Результаты. Установлено, что численность и разнообразие микрофлоры зависит как от агрометеорологических факторов, так и от наличия источников питания, а также интенсивности агроэкоси-стем. В зависимости от интенсивности функционирования агроэкосистем изменяется соотношение численности микроорганизмов, использующих минеральные или органические формы азота. В деградированных агроэкосистемах преобладала группа микроорганизмов, использующих в пищевых целях минеральный азот, в интенсивных - их численность примерно равная, а в сверхинтенсивных резко уменьшается доля сообщества, использующего органические соединения (табл. 1).
Коэффициент минерализации, отражающий направленность биохимических процессов разложения органического вещества и рассчитанный по отношению численности микроорганизмов, усваивающих минеральные формы азота на КАА к численности аммонифицирующих бактерий на МПА, во всех исследуемых агробиоценозах в годовом цикле имеет значение более единицы, что указывает
2. Сезонная динамика численности микроорганизмов, использующих органические соединения (среда МПА) (среднее в 2012-2014 гг.), КОЕ/г
1. Влияние интенсивности использования пашни на численность микроорганизмов
Показатель Агроэкосистемы
деградированная экстенсивная интенсивная сверхинтенсивная компромиссная
Общее число микроорганизмов (среда МПА) 44,1х104 28,9х104 54,9х104 43,2х104 58,8х104
Число микроорганизмов (среда КАА) 43,4х104 54,5х104 56,2х104 79,8х104 67,2х104
Коэффициент минерализации 0,98 1,88 1,02 1,85 1,14
Число аэробных целлюлозо-разлагающих микроорганизмов, % (среда Гетчинсона) 1,10 2,50 14,20 7,40 28,4
Агроэкосистема Этапы функционирования агроэкосистем
формирование продуцирование биомассы затухание и отмирание
Деградированная 18,0х104 82,5х104 34,0х104
Экстенсивная 22,5х104 78,0х104 37,0х104
Интенсивная 29,0х104 121,0х104 62,5х104
Сверхинтенсивная 25,5х104 138,0х104 70,5х104
Компромиссная 28,0х104 94,0х104 54,5х104
НСР05 2,70 15,0 9,10
на доминирование биохимических процессов распада органического вещества над его синтезом и приводит к снижению продуктивности и экологической устойчивости агроэкосистем.
Общая численность и соотношение различных групп микроорганизмов в структуре микробного сообщества изменяется не только при длительном воздействии природных и антропогенных факторов, но и в годичном цикле на разных этапах функционирования агроэкосистем. Общая численность микроорганизмов возрастала ко времени достижения максимальной продуктивности агробиоценоза-ми и снижалась к этапу затухания роста и отмирания растительного покрова (табл. 2).
При этом на начальном этапе формирования продуктивной части в структуре микробного сообщества всех изучаемых агроэкосистем, кроме деградированной, численность микроорганизмов, усваивающих минеральный азот была в 2,1-3,1 раза выше, чем микробов, использующих органические соединения. В деградированных агроэкосистемах, которые не получают свежее органическое вещество, на всех этапах функционирования преобладала группа микроорганизмов, усваивающих органические соединения. Их сезонная динамика четко коррелировала с температурой почвы, ее влажностью и плотностью сложения. В компромиссной агроэкосистеме, представленной многолетней залежью из разнообразных злаковых трав с замкнутым циклом круговорота органического вещества, в сезонной динамике изменяется лишь численность микроорганизмов, усваивающих органические соединения при стабильной численности микробов, усваивающих минеральный азот (65,5-69,5 х 104
КОЕ/г почвы).
Положительное влияние биоразнообразия полевых культур, минеральных и органических удобрений проявилось в увеличении количества микроорганизмов на этапе продуцирования накопленной биомассы, что связано с большей массой поступающих пожнивно-корневых остатков и более качественным их составом. В интенсивных агроэкоси-стемах общая численность микроорганизмов увеличилась в 1,82 раза, а в сверхинтенсивных - в 2,18 раза (табл. 3).
3. Динамика численности микроорганизмов,
использующих минеральные формы азота _(среда кАа), КОЕ/г_
Агроэкосистема Этапы функционирования агроэкосистем
формирование пик продуктивности затухание
Деградированная 8,5х104 25,5х104 17,0х104
Экстенсивная 48,0х104 66,0х104 85,0х104
Интенсивная 90,5х104 94,5х104 72,0х104
Сверхинтенсивная 47,5х104 97,0х104 81,0х104
Компромиссная 67,5х104 69,5х104 65,5х104
НСР05 20,5 17,2 12,8
На этапе затухания жизнедеятельности агроэко-систем общая численность микроорганизмов уменьшается, особенно сильно в 2,42 и 2,10 раза в деградированных и экстенсивных агроэкосистемах. Таким образом, степень интенсивности воздействия на агроэкосистемы различными антропогенными факторами (культивируемые растения, удобрения, мелиоранты) усиливает рост численности
микрофлоры, учитываемой на МПА и КАА. При этом в деградированных и экстенсивных агроэко-системах преобладают группы микроорганизмов, усваивающих органические соединения, а в интенсивных и сверхинтенсивных - минеральные формы азота, что подтверждается расчетом коэффициента направленности биохимических процессов превращения органических соединений в сезонном цикле.
На этапе формирования биохимические процессы преобразования органического вещества в деградированных и экстенсивных агроэкосистемах направлены на гумусонакопление, а в компромиссных и сверхинтенсивных - на слабую минерализацию. На этапе продуцирования биомассы, а также затухания и отмирания во всех изучаемых агроэко-системах преобладают процессы минерализации, которые имеют разную интенсивность в зависимости от количества органического вещества, поступающего в агроэкосистему. Наиболее высокая степень минерализации органических соединений присуща компромиссным и сверхинтенсивным аг-роэкосистемам с более замкнутым круговоротом веществ.
Интенсивность жизнедеятельности микробного сообщества целлюлозоразлагающих микроорганизмов также изменялась в зависимости как от интенсивности функционирования агроэкосистем, так и в сезонных циклах их функционирования. Усредненные данные годового цикла определения интенсивности деятельности целлюлозоразлагающих микроорганизмов показали, что наиболее высоким уровнем (41 и 47%) обладают почвы интенсивных и сверхинтенсивных агроэкосистем, а наиболее низким - деградированные (5,1%) и экстенсивные (6,8%). В сезонном цикле функционирования агро-биоценозов интенсивность целлюлозоразлагающих микроорганизмов усиливалась от формирования до периода максимального продуцирования биомассы
компонентами агроэкосистемы, особенно значительно в 8,4 раза в сверхинтенсивных и интенсивных - в 17,6 раза (табл. 4).
4. Динамика интенсивности деятельности целлюлозоразлагающих микроорганизмов _(среда Гетчинсона), %_
Агроэкосистема Этапы функционирования
агроэкосистем
формирование продуцирование биомассы затухание и отмирание
Деградированная 1,95 6,05 7,30
Экстенсивная 2,35 8,50 9,45
Интенсивная 3,70 65,30 72,30
Сверхинтенсивная 6,65 56,0 59,6
Компромиссная 3,25 7,65 8,45
НСР05 0,94 11,8 13,0
В агроэкосистемах меньшей интенсивности увеличение их активности было менее значимым и в деградированных составило 3,1 раза, в экстенсивных - 3,6 раза и 2,35 раза в компромиссных. Такая же закономерность по интенсивности целлюлозо-разлагающих микроорганизмов сохранялась до отмирания агробиоценозов.
Одним из основных экологических показателей при изучении микробиологического ценоза служат метаболический коэффициент, по которому можно судить об устойчивости микробного сообщества почвы. Чем ближе он к 0, тем в более устойчивом состоянии находится биоценоз [6]. В исследуемых агроэкосистемах коэффициент устойчивости изменялся от 0,29 в экстенсивных до 0,18 в интенсивных, до 0,12 - в сверхинтенсивных и до 0,08 - в компромиссных, что свидетельствует о более высокой экологической устойчивости последних к воздействию неблагоприятных факторов внешней среды (табл. 5).
5. Базальное дыхание (БД), субстрат-индуцированное дыхание (СИД) и _метаболический коэффициент (qCO2) в агроэкосистемах_
Агроэкосистема БД, мкг С-СО2/г/ч СИД, мкг С-СО2/г/ч ЯС02, мкг С-СО2/мг С мик/ч
Экстенсивная 0,39± 0,03 1,36±0,25 0,29±0,05
Интенсивная 0,27±0,02 1,47±0,17 0,18±0,03
Сверхинтенсивная 0,28±0,03 2,26±0,21 0,12±0,02
Компромиссная 0,45±0,08 5,24±0,43 0,08±0,01
Наибольшая интенсивность базального и субстрат-индуцированного дыхания соответственно 0,45 и 5,24 мкг С-СО2/г/час, и наименьший метаболический коэффициент (0,08) отмечены в компромиссной аг-роэкосистеме многолетней травянистой залежи, что обусловлено многовидовым разнообразием компонентов биоценоза, а также непрерывным процессом накопления и отмирания растительной массы.
Таким образом, установлено, что в деградированных и экстенсивных агроэкосистемах преобладают группы микроорганизмов, усваивающие азот органических соединений, а в сверхинтенсивных -минеральные формы азота. В естественных агроэкосистемах процессы синтеза и распада органического вещества имеют уравновешенный или накопительный характер.
Литература
1. Курчева Г.Ф. Роль почвенных животных в разложении и гумификации растительных остатков. - Москва: Наука, 1971. - 156 с.
2. Кураков А.В., Прохоров И.С., Костина Н.В., Махова Е.Г., Садыкова В.С. Стимуляция грибами азотфиксации в дерново-подзолистых почвах // Почвоведение, 2006, № 9. - С. 1075-1081.
3. Buchanan M., King L.D. Seasonal fluctuations in soil microbial biomass carbon, phosphorus, and activity in no-till and reduced-chemical-input maize agroecosystems // Biol. Fertil. Soils, 1992, Y 13. - P. 211-217.
4. Русакова И.В., Кулинский Н.А., Мосалева А.А. Альтернативная система земледелия с применением растительных остатков на серых лесных почвах Владимирского Ополья / Совершенствование технологического и технического обеспечения производства и применения органических удобрений. - Владимир, 2003. - С. 133-137.
5. Русакова И.В. Воспроизводство плодородия почв на основе использования возобновляемых биоресурсов // Агрохимический вестник, 2013, № 4. - С. 7-12.
6. Ананьева Н.Д., Стольникова Е.В., Иващенко К.В., Васенев В.И. Микробный почвенный компонент, его структура и продуцирование парниковых газов почвами // Агроэкология, 2014, № 1. - С. 19-27.
7. Ананьева Н.Д. Оценка способности почвы к самоочищению от пестицидов и ее устойчивости к антропогенным воздействиям // Агро XXI, 2003/2004, № 7/12. - C. 155-158.
8. Теппер Е.З., Шильникова В.К., Переверзева Г.И. Практикум по микробиологии: издание второе, переработанное и дополненное. - М.: Колос, 1979. - 216 с.
9. Звягинцев Д.Г. Микроорганизмы и охрана почв. - М.: Изд-во МГУ, 1989. - 206 с.
10. Мишустин Е.Н. Ассоциации почвенных микроорганизмов. - М.: Наука, 1975. - 107 с.
11 . Кидин В.В. Зенкина В.В. Действие рыхления и аэрации почвы разных горизонтов на ее биологическую активность, аммонификацию и денитрификацию // Проблемы агрохимии и экологии, 2008, № 1. - С. 44-50.
ОБЩЕСТВЕННЫЕ СЛУШАНИЯ
12 июля 2016 г. в 11:00 в здании администрации городского округа Серебряные Пруды: 142970, Московская обл., р.п. Серебряные Пруды, ул. Первомайская, д. 11 состоятся общественные обсуждения с гражданами и общественными организациями проектов документации, объектов Государственной экологической экспертизы агрохимикатов: «Удобрения минеральные»: Удобрение для декоративнолистных растений NPK 4-5-6 с микроэлементами, Удобрение для кактусов и бонсай NPK 6-3-6 с микроэлементами, Удобрение для орхидей NPK 5-4-6 с микроэлементами, Удобрение для рододендронов, азалий и гортензий NPK 7-3-5 с микроэлементами, Удобрение для роз NPK 7-6-7 с микроэлементами, Удобрение для хвойных растений с магнием, Удобрение для цитрусовых и тропических растений NPK 9-3-5 с микроэлементами, Универсальное жидкое удобрение NPK 6-4-5 с микроэлементами, Универсальное жидкое удобрение NPK 6-4-5, Долгодействующее удобрение для газона NPK 20-5-8+2+1 с магнием и железом, Удобрение с запрограммированным действием для комнатных, балконных и садовых растений NPK 18-14-14+2 с магнием, Долгодействующее удобрение для рододендронов, азалий и гортензий NPK 18 -10-12+2 с магнием, Долго-действующее удобрение для роз NPK 10-10-18+2 с магнием, Долгодействующее удобрение для хвойных растений NPK 10-8-16+2 с магнием, Ускоритель компостизации NPK 4-1-1+6 с магнием, Удобрение в палочках для декоративнолиственных растений NPK 15-5-8+2 с магнием и микроэлементами, Удобрение в палочках для орхидей NPK 7-12-10+3 с магнием, Универсальное удобрение в палочках NPK 12-6-9+3 с железом и магнием, Универсальное удобрение в палочках NPK 10-5-7+2 с магнием; «Удобрения органические и спреи»: 100% органическое удобрение для зелени NPK 4-1-5, 100% органическое удобрение для томатов и овощей NPK 6-2-2, 100% органическое удобрение для томатов и овощей NPK 6-3-2, 100% органическое удобрение для ягод и фруктов NPK 2,6-1,4-3,3, Быстродействующая органическая подкормка для овощных культур, Органическое серное удобрение, 100% Органический корнеобразователь, 100% органический укрепляющий спрей для комнатных растений, регистрант ООО «Соломис Трейд» (Россия); Агрохимикат Сульфат аммония марки: кристаллический, компактированный, регистрант ОАО «Ще-киноазот» (Россия); Микробиологическое удобрение на основе ризосферных бактерий Bacillus subtilis Ч-13: жидкая форма «Экстрасол», торфяная форма «Бисолби», сухая форма «БисолбиФит», регистрант ООО «Бисолби-Интер», (Россия). Агрохимикаты, как объекты ГЭЭ, рекомендуются к применению на территории России. Копии материалов агрохимиката доступны для рассмотрения с 10 июня 2016 г. в ООО «Сельхозхимия», 142970, р.п. Серебряные Пруды, ул. Мичурина д. 1. Тел.: (496) 673-14-45. Письменные предложения направлять в ООО «Сельхозхимия». Приглашаются все желающие. При себе иметь паспорт. Проведение обсуждений обеспечивает Администрация городского округа Серебряные Пруды с вышеуказанными организациями.
