CC BY
104
УДК 631. 461: 574. 2 (470.13)
МИКРОБИОТА РИЗОСФЕРЫ РАСТЕНИЙ И ЕЕ РОЛЬ В ИЗМЕНЕНИИ СУБСТРАТА НА ПОСТТЕХНОГЕННЫХ ТЕРРИТОРИЯХ КРАЙНЕСЕВЕРНОЙ ПОДЗОНЫ ТАЙГИ (РЕСПУБЛИКА КОМИ)
В.А. КОВАЛЕВА, И.А. ЛИХАНОВА, И.Б. АРЧЕГОВА
Институт биологии Коми НЦ УрО РАН, г. Сыктывкар kovaleva.vera2011 @ua.ru. [email protected]. [email protected]
Изучен микробный комплекс ризосферы растений в почвах восстанавливаемых посттехногенных экосистем Республики Коми на интенсивном этапе системы природовосстановления. Приведены результаты агрохимического и микробиологического анализов субстрата ризосферы растений и вне ее, на основании которых сделано заключение о формировании биогенно-аккумулятивного слоя при взаимодействии растений и микроорганизмов в ризосфере -как очаге первичного почвообразования.
Ключевые слова: ризосфера, восстанавливаемая почва, очаговость почвообразования
V.A. KOVALEVA, I.A. LIKHANOVA, I.B. ARCHEGOVA. MICROBIOTA OF RHIZOSPHERE AND ITS ROLE IN THE CHANGE OF SUBSTRATE ON POST-TEHNOGENIC TERRITORIES IN EXTREME-NORTH SUBZONE OF TAIGA (THE KOMI REPUBLIC)
The paper deals with the research of the rhizosphere microbial complex of plants in soils of the recovered post-technogenic ecosystems of the Komi Republic at “intensive” stage of nature restoration system. Results of agrochemical and microbiological analysis of the substrate of plants rhizosphere and outside it are given, on which basis the conclusion on the formation of biogenic-accumulative layer at interaction of plants and microorganisms in rhizosphere as the focus of primary soil formation is made.
Key words: rhizosphere, restored soil, focus of soil formation
Суровые климатические условия Севера при наличии многолетней мерзлоты обуславливают определенные особенности в строении почв природных экосистем. Это проявляется в резком разделении профиля почвы на маломощный продуктивный органогенный слой и бедную элементами питания минеральную толщу. Такое строение почвы является, с одной стороны, приспособлением биотической компоненты природных экосистем к суровым условиям Севера, с другой - усиливает их уязвимость к техногенным (антропогенным) воздействиям. При техногенном воздействии разрушается плодородный слой и обнажается минеральный, малопригодный для самовосстановления растительного сообщества (экосистемы в целом), увеличивая начальный период самовосстановительной сукцессии и активизируя развитие эрозионного процесса.
С учетом отмеченного была разработана система приемов природовосстановления, ускоряющая начальный период самовосстановительной сукцессии [1]. Система включает два этапа: на первом, интенсивном этапе с помощью комплекса агротехнических приемов (внесение удобрений и посев адаптированных к условиям Севера многолетних трав) в короткие сроки (три-пять лет) вос-
станавливается уничтоженный биогенно-аккумулятивный слой, который и обеспечивает активизацию самовосстановления древесного яруса и в целом экосистемы зонального типа на втором, ассимиляционном этапе. В биогенно-аккумулятивном слое сосредоточена подавляющая масса корней и почвенных микроорганизмов, функционирующих в ризосфере растений. Для выявления механизма формирования органогенно-аккумулятивного слоя в посттехногенном субстрате необходимо изучение взаимодействия растений и сообщества почвенных микроорганизмов в ризосфере.
Ризосфера растений как динамическая среда, где взаимодействуют микроорганизмы, корни растений и абиотические компоненты субстрата, изучалась рядом исследователей [2-6]. Взаимодействие растений и микроорганизмов в ризосфере является важным аспектом в проблеме восстановления экосистем на Севере, который в настоящее время практически не изучен.
Исследования проведены в Усинском р-не Республики Коми (крайнесеверная подзона тайги) -районе интенсивной добычи нефти, где остро стоит проблема восстановления природных экосистем на посттехногенных территориях. Цель исследования -
определить качественно-количественные характеристики комплекса микроорганизмов ризосферы растений в процессе восстановления почвы на первом интенсивном этапе системы природовосстановления.
Объекты и методы исследования
Исследования проводили на территории песчаного карьера, где весной 2006 г. был заложен опыт, схема которого приведена в табл. 1. Повторность опыта трехкратная. Субстрат карьера, на котором был заложен опыт, - песчаный, перевиваемый, бедный питательными веществами: содержание органического углерода (Сорг.) - 0.1-0.2 %, гидролизуемого азота (Чидр.) - 0.1-0.3 мг/100 г в.с.п. Несмотря на прошедшие 28 лет после окончания разработки карьера, самовосстановления растительного покрова к началу опыта не происходило.
Таблица 1
Схема опыта на первом этапе системы природовосстановления
Интенсивный этап
Вари- ант опыта Посадоч- ный материал Агротехничес- Система ухода
кие приемы улучшения субстрата при закладке опыта Весенние подкормки Осенние подкормки
Двулетние сеянцы 1 сосны
(5000
шт./га)
ежегодные на второй Двулетние БИДК„ - 5т/га в течение (N45) и
, 4 лет третий
^45Р45К45), ^45Р45К45) начиная со годы
второго года опыта
ежегодные на второй в течение (N45) и
4 лет третий
^45Р45К45), ^45Р45К45) начиная со годы
второго года опыта
Примечание: * - состав травосмеси: мятлик луговой, овсяница красная, овсяница луговая, кострец безостый, тимофеевка луговая (соотношение 1:1:1:1:1);
** - БИАК - органическое удобрение, продукт биотехнологической переработки гидролизного лигнина.
Агрохимический анализ субстрата проводили общепринятыми в почвоведении методами [6,7]. Для изучения микробного комплекса ризосферы растений отобраны в вариантах 1 и 2 монолиты площадью 15х15 см на глубину 25 см с растениями сосны. В варианте 2 корни сосны плотно переплелись с корнями травянистых растений, поэтому были отобраны вместе в одном монолите.
Обычно выделяются микроорганизмы, поселяющиеся на поверхности корня - микрофлора ри-зопланы и группа обитающих в слое почв, приле-
гающем к корням - микрофлора ризосферы [8,9]. Разделение это достаточно условно и носит субъективный характер, так как практически нельзя точно разграничить ризосферу и ризоплану. В связи с отмеченным, нами внесено методическое уточнение. В ризосфере выделяли «прикорневую» зону, относя к ней легко отделяющийся от корня субстрат и «корневую» зону - субстрат, плотно прилегающий к корню и отделяющийся при встряхивании, а также зону расположения микроорганизмов, развивающихся непосредственно на корнях растений (смыв с поверхности корня растения). Отдельно был отобран субстрат вне зон влияния корней.
Общее количество микроорганизмов определяли методом люминесцентной микроскопии. Расчет количества клеток (длины мицелия) на 1 г почвы проводили по стандартной формуле:
N=S1an/vS2c,
где N - число клеток (длина мицелия, мкм) на 1 г почвы; S1 - площадь препарата (мкм2); а - количество клеток, длина мицелия (мкм) в одном поле зрения (усреднение производится по всем препаратам); п - показатель разведения почвенной суспензии (мл); V - объем капли, наносимой на стекло (мл); S2 - площадь поля зрения микроскопа (мкм2); с - навеска почвы (г) [10].
Количество разных эколого-трофических групп микроорганизмов определили методом разведения почвенной суспензии с последующим высевом ее на плотные питательные среды. Повторность чашек Петри при посевах - трехкратная [10].
Результаты исследований
Формирование травянистого покрова является одним из важнейших показателей интенсивного этапа системы природовосстановления. В варианте 1 полевого опыта растительный покров практически отсутствует при ОПП (общее проективное покрытие) менее 1%. В вариантах 2 и 3 на шестой год ОПП травостоя достигло 80-90%, высота травостоя 3040 см (генеративные побеги до 80 см). Сохранность сосны в варианте 1 - 38%, в вариантах 2 и 3 - ниже (около 20%), по-видимому, из-за заглушения низкорослых растений сосны травами. Так, высота сосны на шестой год опыта в вариантах составляет 24±2; 26±3; 20±3 см соответственно.
Активное развитие травянистого покрова в вариантах 2 и 3 обеспечило поступление на поверхность субстрата до 300 г/м2 биомассы растений. При замедленном разложении в суровых климатических условиях на поверхности субстрата образовался рыхлый слой травянистых остатков («подстилка»), около 1 см. Под ним выделяется слабо уплотненный массой корней растений одернованный слой мощностью около 5-7 см.
Аккумуляция органического углерода в субстрате идет медленно, что согласуется с данными наблюдений других исследователей за преобразованием техногенных субстратов [11, 12]. В вариантах без посева трав (вариант 1) и с посевом трав (вариант 3) содержание органического углерода в
соТьЬ ^5Р45К45,
ш°» тр“
шт./га) 4 '
Двулетние сеянцы N45Р45К45, сосны травосмесь* (5000 (20 кг/га)
шт./га)
2
3
верхнем 5-сантиметровом слое составляет 0.10.2 % во все годы опыта. В варианте 2 при внесении 5 т/га органического удобрения (БИАК) содержание органического углерода в верхнем слое субстрата в первый год резко увеличилось - до 0.6%. В последующие годы без повторного внесения органических удобрений оно снижается до 0.2%.
При рассмотрении изменения содержания биогенных элементов следует обратить внимание на существенно большее содержание азота в одернованном слое варианта 2 в сравнении с вариантом 3. Это, возможно, связано с влиянием внесенного ранее органического удобрения (рис. 1).
Сравнивая численность микроорганизмов в ризосфере растений вариантов 1 (контроль) и 2 (с внесением удобрений и посевом трав), следует подчеркнуть существенную разницу между ними. В смыве с корней сосны в варианте 2 численность бактерий примерно в десять раз выше, чем в смыве с корней сосны варианта 1. Это, очевидно, связано с влиянием удобрений (особенно органических) на развитие сосны, а также корневой системы трав на ризосферу сосны. Высокая и примерно равная численность в обоих вариантах спор грибов свидетельствует о неблагоприятных условиях для развития микромицетов, однако в варианте 2 длина
Рис. 1. Профильное распределение элементов-биогенов по вариантам на шестой год опыта (мг на 100 г воздушно-сухой почвы).
Несмотря на прекращение с осени пятого года внесения минеральных удобрений в вариантах 2 и 3, содержание основных элементов питания растений на шестой год опыта в одернованном слое сохраняется высоким. При этом в профильном распределении прослеживается четкое и равное в обоих вариантах увеличение (аккумуляция) оксидов фосфора и калия в одернованном слое, которое под органогенным слоем резко снижается. Отмеченное, очевидно, связано с начавшимся развитием биологического круговорота органического вещества.
Накоплению элементов-биогенов в субстрате способствует взаимодействие растений и микробных сообществ в ризосфере. При этом развитие комплекса микроорганизмов ризосферы идет совместно с сукцессией растительного сообщества [13].
Данные микробиологического анализа (табл. 2) показывают, что максимальная численность микроорганизмов отмечена на поверхности корней растений (смыв с корней). В «корневой» и «прикорневой» зонах как у сосны, так и травянистых растений происходит резкое снижение численности микроорганизмов. В зоне вне влияния корней численность микроорганизмов незначительна, т.е. налицо проявляется ризосферный эффект.
грибного мицелия в почве, смытой с поверхности корня, всё же значительно больше, чем в варианте 1 (табл. 2).
Таблица 2
Количественная характеристика комплекса микроорганизмов в почве, г/а.с.п.*
Почвенный Бактерии, Споры грибов, Грибной
образц млрд. кл. млн. кл. мицелий, м
Вариант 1
Смыв с корней соснь 2.17±1.4 12.79±5.6 0.22±0.07
Корневая и прикорневая зоны 0.01±0.007 0.43±0.12 0
Зона вне корней 0 0.22±0.09 0
Вариант 2
Смыв с корней сосны 19.22±6.8 17.19±3.1 25.03±7.2
Смыв с корней травы 14.78±5.1 12.39±4.6 9.22±2.1
Корневая зона 0.07±0.03 0.28±0.11 0.09±0.02
Прикорневая 0 0 0
зона
Зона вне корней 0 0 0
«о» - отсутствие микроорганизмов, * - абсолютно сухая почва.
Внесение удобрений, в том числе органических, и посев трав в варианте 2 существенно увеличивают численность микроорганизмов в субстрате и активизируют микробиологические процессы, связанные с трансформацией вновь поступающего органического вещества (растительный опад). Иными словами, именно с растениями связано начало формирования субстратной микробиоты, питающейся корневыми выделениями растений. С ризосферы начинается процесс биологического оборота веществ, связывающий все компоненты в систему. В песчаном посттехногенном субстрате эта система еще только начинает развиваться, поэтому максимальная численность микроорганизмов сосредоточена на поверхности корней.
Следует отметить, что общая численность бактерий, полученная методом прямого счета, характеризует лишь потенциальный запас микроорганизмов в исследуемом субстрате и не может указывать на то, в каком состоянии находятся микроорганизмы - активном или неактивном. Одной из важных характеристик почвенной микробиоты является соотношение экологотрофических групп бактерий, позволяющих косвенно судить о биохимических процессах, которые интенсивно протекают в ризосфере и связаны с превращением основных биогенных элементов.
Сравнивая численность и соотношение основных экологотрофических групп бактерий в варианте 1, отметим, что на поверхности корней сосны активно развиваются все группы бактерий, которые участвуют в превращении, поступающего в виде корневых выделений органического вещества (рис. 2).
По мере удаления от корня поступление питательных веществ снижается, что ведет к сокращению численности и замедлению жизнедеятельности микроорганизмов. Это отмечено и другими исследователями микробиоты ризосферы [3, 14, 15].
Изменение численности микроорганизмов и соотношения эколого-трофических групп в ризосфере сосны в варианте 2 имеет ту же закономерность, что и в ризосфере сосны в варианте 1 (рис. 3). Однако количественные показатели в варианте 1 в сотни раз ниже.
Активизация процессов преобразования субстрата в ризосфере растений подтвер-
ждается данными агрохимического анализа субстрата. Слабое развитие ризосферных микроорганизмов в варианте 1 пока не может обеспечить преобразование субстрата: содержание основных биогенных элементов Сорг. и ^идр. как в ризосфере сосны, так и во внекорневой зоне незначительно -0.1 % и 0.1-0.2 мг/100 г.возд.-сух.почвы, соответственно. В варианте 2 при примерно одинаковом содержании органического углерода в рассматриваемых зонах, содержание Кидр. различается: 1.8 мг/ 100 г в.с.п. - в корневой зоне и 1.0 - во внекорневой.
Заключение
Применение двухэтапной схемы природовосстановления на ее «интенсивном» этапе обеспечивает за счет формирования травянистого сообще-
Еаркант 1
мпнКОЕ/г а.с.п. 40
30
20
10
0
■ падотрофьт га опигокш-р о фипы
□ ОПГІГОТрСіф&І
□ амьюнификаторы С минер алж ат оры
Рис. 2. Эколого-трофические группы бактерий в субстрате варианта 1 (млн. КОЕ/1г абсолютно сухой почвы).
1 - смыв с корней сосны, 2 - корневая и прикорневая зоны, 3 - зона вне корней.
Вариант 2
мій КОЕ/г а.с.п
4000
3000 2000 3 000 0
■IV
■«V
■ педотрофы
СІ ОЛЇІГОНИІ ро фо-ЕП ы ПОПНГОТрСХ}*!
И \ г."' о і п :іхат оръ: Вминерапиз 4Т ары
Рис. 3. Эколого-трофические группы бактерий в субстрате варианта 2 (млн. КОЕ/1 г абсолютно сухой почвы).
1 - смыв с корней сосны, 2 - смыв с корней травянистых растений, 3 -«корневая» зона, 4 - прикорневая зона, 5 - зона вне корней.
ства активизацию процесса развития микробного сообщества ризосферы и связанного с этим процесса формирования биогенно-аккумулятивного слоя восстанавливающейся почвы. В результате проведенного исследования установлено, что в варианте 1 (без приемов улучшения субстрата) комплекс микроорганизмов ризосферы сеянца сосны развит слабо и, как следствие, преобразование субстрата практически не происходит. В ризосфере растений варианта 2 по сравнению с субстратом, лишенным корней, отмечено значительное увеличение количества микроорганизмов и содержания элементов-биогенов, т.е. четко выявляется ризосферный эффект. На шестой год опыта в вариантах 2 и 3 взаимодействие корней растений и микроорганизмов приводит к формированию одернованного слоя с выраженной тенденцией накопления в нем элементов-биогенов.
Таким образом, ризосфера представляет собой систему взаимосвязанных и взаимодействующих между собой компонентов: растения, которые поставляют органическое вещество микроорганизмам, преобразующим корневые выделения растений, и снабжающим доступными элементами питания, самого преобразующегося субстрата. С момента появления на нарушенных землях растений в субстрате начинают проявляться сложные и длительные процессы, совокупное действие которых обуславливает направленность и интенсивность возникающего процесса почвообразования. Результаты полевого опыта позволяют отметить очаговый характер почвообразования, связанный с влиянием ризосферы растений.
Работа выполнена при поддержке Программы РФФИ, проект №3-04-98818 «Ускоренное восстановление лесных экосистем на посттехно-генных территориях таежной зоны Республики Коми».
Литература
1. Арчегова И.Б. Эффективная система природовосстановления - основа перспективного природопользования на Крайнем Севере. Сыктывкар, 1998. 12 с. (Научные доклады / Коми НЦ УрО РАН; Вып. 412).
2. Rovira A.D. Plant root exudates // The Botanical Review, 1969. Vol. 35. № 1. P. 3537.
3. Kennedy AC. The rhizosphera and spermos-phera // Principles and applications of soil microbiology. New Jersey: Prentice Hall, 1998. P. 389-407.
4. Browen G.D., Rovira A.D. The rhizosphera and its management to improve plant growth // Adv. Agron. 1999. Vol. 66. P. 1-102.
5. Возможности современных и будущих фундаментальных исследований в почвоведении/ Под ред. В.О.Таргульяна. М.: ГЕОС, 2000.
С. 72-74.
6. Агрохимические методы исследования почв / Под ред. А.В.Соколова, Д.Л.Аскинази, И.П.Сер-добольского. М.: Изд-во Академии наук СССР, 1960. 556 с.
7. Теория и практика химического анализа почв/ Под ред. Л.А.Воробьевой. М.: ГЕОС, 2006. 400 с.
8. Теппер Е.З., Шильникова ВК., Переверзева ТИ. Практикум по микробиологии. М.: Колос, 1993. 175 с.
9. Мишустин Е.Н., Емцев В.Т. Микробиология. М.: Изд-во «Агропромиздат», 1987. 368 с.
10. Методы почвенной микробиологии и биохимии / Под. ред. Д.Г.Звягинцева. М.: Изд-во МГУ, 1991. 304 с.
11. Абакумов Е.В. Накопление и трансформация органического вещества на разновозрастных отвалах песчаного карьера // Почвоведение. 2008. №8. С. 955-963.
12. Железнова Г.В., Кузнецова ЕГ, Евдокимова Т.В, Турубанова Л.П. Мониторинг формирования растительного покрова на техногенно-нарушенных территориях Усинского нефтяного месторождения // Экология. 2005. № 4. С. 269-274.
13. Узбек И.Х. Развитие корней и интенсивность их разложения в толще рекультивируемых почв // Почвоведение. 1995. № 9. С 11321136.
14. Мишустин Е.Н. Микроорганизмы и плодородие почвы. М.: Изд-во АН СССР, 1956. 247 с.
15. Красильников Н.А. Микроорганизмы почвы и высшие растения. М.: Изд-во АН СССР, 1958. 218 с.
Статья поступила в редакцию14.06.2012.
