CC BY
22
УДК 631.445 (476)
Я. К. Куликов
Доктор биологических наук, доцент, профессор кафедры общей экологии и методики преподавания
биологии, Белорусский государственный университет, г. Минск, Республика Беларусь
МИКРОБИОЛОГИЧЕСКОЕ РАЗНООБРАЗИЕ И БИОЛОГИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ ТОРФЯНОЙ ПОЧВЫ В УСЛОВИЯХ ЕЕ ОКУЛЬТУРИВАНИЯ
Под действием землевания торфяной почвы снижается ее биологическая активность, что проявляется в уменьшении количества микроорганизмов различных эколого-трофических групп, принимающих участие в минерализации органического вещества, а также в снижении активности протеазы и инвертазы, катализирующих реакции расщепления органических соединений. Снижалась активность выделения окультуренной торфяной почвы углекислого газа, что отражает уменьшение скорости минерализации углеродсодержащих органических веществ.
Ключевые слова: торфяная почва, окультуривание, оптимизация, микробиологическое разнообразие.
Введение
Торфяники, являясь геологически молодыми природными образованиями, после осушения легко подвергаются воздействию физико-химических и биологических процессов. Важнейшими из них являются усиленная минерализация органического вещества, приводящая не только к уменьшению его запасов, но и к полному исчезновению торфяных почв, что особенно опасно для маломощных торфяников [1].
Зарубежный опыт, а также ряд исследований, проведенных в нашей республике, свидетельствуют о том, что решить проблему повышения долговечности осушенных торфяников при интенсивном их использовании можно путем обогащения торфа минеральными добавками и формирования на этой основе органоминерального пахотного горизонта, обладающего улучшенными водно-физическими свойствами. Одним из эффективных способов коренного улучшения мелиорированных торфяных почв является их землевание плодородным слоем почвы, который снимается при тех или иных нарушениях почвенного покрова, связанных с промышленным, дорожным, транспортным строительством, добычей полезных ископаемых и т. д. В отличие от традиционных мелиоративных мероприятий землевание дает возможность в более короткие сроки решить задачу коренного улучшения свойств почвы и вовлечь новые земли в сельскохозяйственный оборот в качестве высокопродуктивных и экологически устойчивых угодий. Улучшение мелиорированных торфяных почв путем внесения минерального грунта является эффективным агроприемом, повышающим их плодородие и предохраняющим органическое вещество почвы от активного микробного разрушения. Это способствует более экономному и производительному использованию торфяных почв в культуре. Однако теоретические основы этого метода разработаны недостаточно, вследствие слабой изученности механизма взаимодействия вносимых минеральных компонентов с органическим веществом торфа [2]—[4].
Оценивая результаты исследований по коренному улучшению торфяных почв путем применения добавок минерального грунта, проведенных в нашей республике и за рубежом, следует признать, что многие вопросы остаются еще неясными. В частности, требуется детальное изучение баланса органического вещества и разработка агротехнических мероприятий, обеспечивающих уменьшение микробиологической минерализации торфа.
Центральной проблемой современной почвенной микробиологии является управление микробиологическими процессами и направленное регулирование развития микробных популяций, определяющих трансформацию органического вещества и плодородие почвы. В первую очередь это относится к торфяным почвам, для которых проблема сохранения органического вещества является, прежде всего, микробиологической проблемой.
В связи с этим целью настоящей работы являлось изучение влияния оптимизации торфяной почвы способом землевания на ее микробиологическое разнообразие и ферментативную активность.
© Куликов Я. К., 2020
Материал и методы исследования
Полевые опыты проводились на базе ОПХ «Будагово» Смолевичского района Минской области на торфяных почвах низинного типа в четырехкратной повторности. Оптимизация торфяных почв низинного типа осуществлялась путем внесения супеси в дозах 1500 и 2250 т/га. Опыты по оптимизации закладывались в системе севооборота: картофель - ячмень - многолетние травы (5 лет) -однолетние травы.
В первый год опыта (2009 г.) высевалась пропашная культура (картофель сорта Скарб). Выбор именно этой культуры в качестве исходной определялся ее высокой отзывчивостью на внесение органических и минеральных удобрений. К тому же картофель как пропашная культура характеризуется высоким выносом элементов минерального питания с урожаем клубней. Под картофель вносили Н^^К^ и 10 т/га торфонавозного компоста.
На второй год после внесения супеси изучали последействие оптимизации на урожайность ячменя сорта Надя по фону Р90К180. Азотные удобрения под ячмень не применяли, так как под предшествующую культуру (картофель) был внесен высокий агрофон. Эта особенность минерального питания ячменя обусловлена тем, что на почвах, богатых органическим веществом, внесение азотных удобрений не только не дает положительного эффекта, но, наоборот, уменьшает устойчивость растений к полеганию, снижает их продуктивность и качество зерна. Последействие оптимизации на третий-седьмой год после внесения торфа изучали на многолетних травах (тимофеевка луговая, ежа сборная и овсяница луговая), где в качестве фона применяли Кормовая ценность,
урожайность и долголетие многолетних трав особенно хорошо проявляются при условии возделывания их в условиях обильного питания. Особенностью многолетних злаков является их высокая потребность в питательных веществах. Для нормального роста и развития они используют почвенного азота в 1,5-2,0 раза больше, чем хлебные злаки. Это объясняется тем, что многолетние злаки непрерывно наращивают зеленую массу в течение всего вегетационного периода.
Под однолетние травы, которые возделывались на восьмой год после начала оптимизации, в качестве фона использовали N3^,5^ 20.
Минеральные удобрения вносились в форме аммиачной селитры, двойного суперфосфата и хлористого калия. Учетная площадь делянок - 50 м2, повторность четырехкратная.
Для микробиологического анализа и определения ферментативной активности почвы отбирали образцы с глубины 1-20 см с четырех полевых повторностей. Учет численности микроорганизмов проводили по общепринятой методике на агаризованных питательных средах: бактерии - на мясопептонном (МПА) и почвенном (ПА) агаре, бациллы на МПА - сусло-агаре (1:1); грибы - на сусло-агаре; актиномицеты - на крахмало-аммиачном агаре. Дыхание почвы определяли по выделению С02, протеолитическую активность - по Мишустину, инвертазную активность -по Щербаковой [5], [5].
Результаты исследования и их обсуждение
Особый интерес представляет изучение влияния оптимизации на численность бактерий, участвующих в круговороте азота, потому что от данных микроорганизмов в значительной мере зависит азотный фонд почвы. Как видно из таблицы 1, соотношение численности бактерий, потребляющих органические и минеральные формы азота в исходной и оптимизированной почве, неодинаково. Преобладание первых над вторыми свидетельствует о достаточно высоком содержании в торфе легкодоступных органических соединений.
Аммонифицирующие бактерии, в совокупности с другими представителями почвенной микрофлоры, способны доводить процесс аммонификации до высвобождения аммиака [5]. Снижение их численности в результате обогащения торфяной почвы грунтом даёт основание считать, что темп минерализации органического вещества почв также снижается. Полученные данные показали, что весной численность аммонификаторов наибольшая, а летом (июль) количество их значительно снижается. По-видимому, это связано с тем, что к середине лета почвы не имеют достаточного запаса минеральных солей, обедняются питательными веществами в связи с потреблением их растениями. К осени, пополняясь органическим веществом за счет накопления растительных остатков, почва становится благоприятной средой для развития аммонификаторов. Превращение органических азотсодержащих соединений в почве, начиная со стадии образований аммиака, связано с деятельностью нитрифицирующих бактерий, окисляющих аммиачные формы азота в нитритные и нитратные. Нитрифицирующие бактерии - одна из основных групп почвенных микроорганизмов, отвечающих за ее плодородие.
Таблица 1. - Влияние оптимизации торфяной почвы на численность аммонифицирующих, нитрифицирующих, денитрифицирующих бактерий (тыс./г абсолютно сухой почвы)
Аммонификаторы Нитрификаторы Денитрификаторы
С.-х. культура Вариант опыта Май Июль Сентябрь Май Июль Сентябрь Май Июль Сентябрь
Контроль (фон) 2561 1503 2308 85 109 46 1,86 2,9 2,34
Картофель Фон + 2250 т/га супеси 1868 764 1603 185 201 63 0,92 2,0 1,52
Контроль (фон) 29813 11082 13105 193 284 96 8,6 13,0 10,80
Ячмень Фон + 2250 т/га
супеси (последействие) 10448 4040 6604 490 561 63 1,4 3,5 2,67
Многолетние Контроль (фон) 8926 4521 5208 19 34 22 1,16 2,48 2,05
травы Фон + 2250 т/га
2-го года супеси 2924 1108 1008 37 44 26 0,17 1,35 1,12
пользования (последействие)
Контроль (фон) 10217 4241 6247 102 351 189 7,8 9,8 8,64
Однолетние: Фон + 2250 т/га
овес, вика и др. супеси (последействие) 5795 2000 4304 430 231 69 1,08 1,4 1,16
В целинных торфяниках низинного типа содержание нитрификаторов невелико. В окультуренных почвах численность их возрастает, но под многолетними травами процесс нитрификации идет слабо.
Результаты учета численности нитрификаторов показали, что в июле - августе содержание их в почве максимальное. В это время в почве особенно активно накапливаются нитраты. Возрастание численности нитрификаторов, по-видимому, связано с оптимальными условиями влажности и температуры торфяника, с наличием в почве достаточного количества аммиака. К осени нитрификационные процессы заметно снижаются. Причиной этому является репрессирующее влияние поступающего в почву свежего органического вещества.
Оптимизация торфяных почв низинного типа вызывает существенное увеличение нитрифицирующих бактерий, сопровождающееся накоплением нитратов в почве. Согласно источникам [7] уровень нитрификационного процесса - один из наиболее существенных показателей биологической активности почвы. Учитывая это, можно сделать вывод, что оптимизация торфяных почв значительно повышает их биологическую активность и, как следствие, в них усиливается процесс мобилизации азота.
Образовавшиеся в почве нитраты используются высшими растениями или восстанавливаются (до молекулярного азота или аммиака) денитрифицирующими бактериями, относящимися к анаэробным видам [8].
Как видно из полученных данных, изменение их численности коррелирует с изменением численности нитрифицирующих микроорганизмов. В июле, когда максимально накапливаются в почве нитраты, денитрифицирующие бактерии развиваются интенсивно. Внесение минеральных добавок в торфяную почву вызывает снижение численности денитрифицирующих бактерий, осуществляющих анаэробный процесс восстановления азотных соединений, что обусловлено улучшением водно-воздушного и теплового режимов торфяных почв.
Большую роль в биологической минерализации торфа играют целлюлозоразрушающие микроорганизмы. Эта группа объединяет плесневые грибы, актиномицеты, бактерии, продуцирующие целлюлозолитические ферменты. Основные деструкторы - аэробы (микобактерии, бациллы и грибы), реже встречаются анаэробы [8].
Как видно из таблицы 2, активность факультативно анаэробных бактерий существенно не отличается от аэробных, что свидетельствует об улучшении аэрации почвы. В июле разложение целлюлозы усиливается под пропашными культурами (картофель). По-видимому, это связано с улучшением агрохимического режима почвы в результате её многократной обработки, а под травами и зерновыми культурами разложение целлюлозы приблизительно одинаково. К осени существенных различий в скорости разложения целлюлозы под различными культурами не выявлено.
Таблица 2. - Интенсивность разложения клетчатки микроорганизмами в торфяной почве, %
С.-х. культура Вариант опыта Май Июль Сентябрь
Через 10 сут. Через 30 сут. Через 10 сут. Через 30 сут. Через 10 сут. Через 30 сут.
Картофель Контроль (фон) 10/15* 25/45 40/45 85/95 15/20 25/30
Фон + 2250 т/га супеси 5/1 15/10 30/15 85/65 10/5 20/15
Ячмень Контроль (фон) 10/15 45/50 20/25 45/55 10/10 20/25
Фон + 2250 т/га супеси (последействие) 10/5 35/25 15/5 30/25 10/5 25/15
Многолетние травы 2-го года пользования Контроль (фон) 10/15 25/45 20/30 40/65 15/10 25/30
Фон + 2250 т/га супеси (последействие) 5/1 20/25 10/5 25/45 10/15 20/25
Однолетние: овес, вика и др. Контроль (фон) 20/25 35/45 25/30 50/55 15/25 30/45
Фон + 2250 т/га супеси (последействие) 10/5 25/20 20/15 40/35 5/10 30/25
*Числитель - аэробы, знаменатель - факультативные анаэробы
Оптимизация торфяной почвы путем землевания снижает интенсивность разложения целлюлозы. Это дает основание считать, что путем землевания торфяной почвы можно замедлить скорость минерализации ее органического вещества.
Кроме целлюлозоразрушающих микроорганизмов в разрушении растительных остатков активное участие принимают амилолитические микроорганизмы. Крахмал попадает в почву, в основном, в составе семян, клубней и растительных тканей. Под действием микробных амилаз крахмал превращается в мальтозу и изомальтозу. Обсахарившийся крахмал легче подвергается воздействию других неспецифических микроорганизмов. Результаты количественного учета крахмалразлагающих микроорганизмов и амилолитической активности почвы представлены в таблице 3. Анализ таблицы показывает, что крахмалразлагающие микроорганизмы активнее развиваются в исходной торфяной почве.
Таблица 3. - Влияние оптимизации торфяной почвы на численность крахмалразлагающих микроорганизмов (тыс./г абсолютно сухой почвы) и амилолитическую активность (мг мальтозы/г воздушно сухой почвы за сутки)
С.-х. культура Варианты опыта Крахмалразлагающие микроорганизмы Амилолитическая активность
Май Июль Сентябрь Май Июль Сентябрь
Картофель Контроль (фон) 345 661,8 415 81 89 75
Фон + 2250 т/га супеси 122 400 285 40 62 51
Ячмень Контроль (фон) 359 465 161 50,6 78 63
Фон + 2250 т/га супеси (последействие) 221 532 314 45,2 54 48
Многолетние травы 2-го года пользования Контроль (фон) 160 903 235 25 65 54
Фон + 2250 т/га супеси (последействие) 76 558 382,5 12 39 29
Однолетние: овес, вика и др. Контроль (фон) 110 354 293,3 42 80 67
Фон + 2250 т/га супеси (последействие) 82 204 173 14 26 19
Для торфяных почв (оптимизированных и неоптимизированных) характерно небольшое содержание микроорганизмов этой группы, что, возможно, связано с низким содержанием крахмала в торфе. Об этом свидетельствует и низкая амилолитическая активность данных почв. Максимальное количество амилолитических микроорганизмов и более высокая амилолитическая активность наблюдаются в июле. Это, по-видимому, связано с поступлением в почву свежего растительного материала, корневых выделений и с благоприятным водно-воздушным режимом.
Биологическая активность почвы не может быть определена только учетом численности микроорганизмов, так как на лабораторных питательных средах учитываются далеко не все содержащиеся в почве микроорганизмы. Более надёжные результаты дают прямые методы диагностики почвенных процессов. К их числу относятся методы определения инвертазной, протеолитической активности, дыхания почвы. Результаты этих исследований представлены в таблице 4.
Таблица 4. - Влияние оптимизации торфяной почвы на ферментативную активность и дыхание
С.-х. культура Вариант опыта Выделение СО2 (мг/100 г сухой почвы) Протеолитическая активность (мг глицина/г почвы) Инвертазная активность (мг глюкозы/г почвы)
Май Июль Сентябрь Май Июль Сентябрь Май Июль Сентябрь
Картофель Контроль (фон) 12,41 11,0 12,97 0,009 0,008 0,010 23 35 33
Фон + 2250 т/га супеси 8,80 6,35 8,67 0,007 0,006 0,004 20 31 35
Ячмень Контроль (фон) 19,80 17,40 18,35 0,110 0,101 0,120 25 29 30
Фон + 2250 т/га супеси (последействие) 17,28 16,50 17,91 0,013 0,003 0,014 24 27 28
Многолетние травы 2-го года пользования Контроль (фон) 20,00 18,15 19,03 0,022 0,045 0,138 30 38 40
Фон + 2250 т/га супеси (последействие) 18,34 17,6 18,92 0,014 0,012 0,015 29 32 34
Однолетние: овес, вика и др. Контроль (фон) 16,97 12,11 15,50 0,019 0,018 0,016 24 33 41
Фон + 2250 т/га супеси (последействие) 14,52 11,88 13,80 0,020 0,011 0,021 19 30 34
Как видно из таблицы, между исходной и оптимизированной почвами имеются различия в ферментативной активности. При внесении супеси в торфяную почву ферментативная активность несколько снижается, что коррелирует с общим содержанием микроорганизмов в почве. Внесение супеси в торфяную почву привело к разбавлению органического вещества, а это, в свою очередь, к снижению численности микроорганизмов и ферментативной активности. Исключение составляет протеолитическая активность. Различия в активности протеазы в целинной и окультуренной почвах незначительны. В течение вегетационного периода активность протеазы оставалась в большинстве случаев довольно высокой и постоянной. Инвертазная активность весной незначительна. Возможно, это связано с тем, что в этот период деятельность микроорганизмов и рост корневой системы здесь лишь начинают активироваться, и ферменты еще не успевают накопиться. Снижалась активность выделения оптимизированной торфяной почвой углекислого газа, что отражает снижение скорости минерализации углеродсодержащих соединений.
Таким образом, полученные данные свидетельствуют о том, что оптимизация торфяной почвы путем внесения минерального грунта является эффективным агроприемом, предохраняющим органическое вещество от активного микробного разрушения.
Заключение
1. Оптимизация торфяной почвы на основе землевания снижает численность микроорганизмов различных эколого-трофических групп, принимающих участие в минерализации органического вещества, что способствует сохранению почвенного плодородия.
2. В условиях окультуривания торфяной почвы под действием землевания наблюдается снижение активности гидролитических ферментов - протеазы и инвертазы, катализирующих реакции расщепления органических веществ, а также снижение активности выделения углекислого газа, что отражает уменьшение скорости минерализации углеродсодержащих соединений. Это свидетельствует о важной роли микробиологических механизмов в окультуривании торфяной почвы на основе землевания.
СПИСОК ОСНОВНЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Бамбалов, Н. Н. Агрогенная эволюция осушенных торфяных почв / Н. Н. Бамбалов // Почвоведение. - 2005. - № 1. - С. 29-37.
2. Куликов, Я. К. Почвенно-экологические основы оптимизации сельскохозяйственных угодий Беларуси / Я. К. Куликов. - Минск : БГУ, 2000. - 280 с.
3. Лихацевич, А. П. Изменение свойств маломощной торфяной почвы в процессе многолетнего сельскохозяйственного использования / А. П. Лихацевич, Н. М. Авраменко, В. В. Ткач // Вес. Нац. акад. навук Беларуси Сер. аграр. навук. - 2011. - № 2. - С. 60-65.
4. Семененко, Н. Н. Торфяно-болотные почвы Полесья: трансформация и пути эффективного использования / Н. Н. Семененко. - Минск : Беларуская навука, 2015. - 282 с.
5. Методы почвенной микробиологии и биохимии / Д. Г. Звягинцев [и др.] ; под ред. Д. Г. Звягинцева. - М. : Изд-во МГУ, 1991. - 304 с.
6. Хазиев, Ф. Х. Методы почвенной энзимологии / Ф. Х. Хазиев. - М. : Наука, 2005. - 252 с.
7. Зименко, Т. Г. Биологическая активность мелиорированных почв Выгонощенского торфяного массива / Т. Г. Зименко, Т. В. Филимонова // Экология почвенных микроорганизмов. -Минск : Наука и техника, 1974. - С. 123-128.
8. Колешко, О. И. Экология микроорганизмов почвы / О. И. Колешко. - Минск : БГУ, 1981. - 168 с.
Поступила в редакцию 29.10.2019 E-mail: ecodept@tut.by
Y. K. Kulikov
MICROBIOLOGICAL DIVERSITY AND BIOLOGICAL ACTIVITY PEAT SOILS IN THE CONDITIONS OF ITS CULTIVATION
During the introduction of mineral soil into peat soil, its biological activity decreases, which is manifested in a decrease the number of microorganisms of various ecological and trophic groups involved in the mineralization of organic matter, as well as in a decrease in the activity of protease and invertase, catalyzing the decomposition of organic compounds. The activity of the release of cultivated peat soil of carbon dioxide decreased, which affects a decrease in the rate of mineralization of carbon-containing organic substances.
Keywords: peat soil, cultivation, optimization, microbiological diversity.
