CC BY
243
МИКРОБНАЯ ТРАНСФОРМАЦИЯ ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА ЧЕРНОЗЕМОВ ЛЕСОСТЕПИ И СТЕПИ УКРАИНЫ ПРИ РАЗЛИЧНОМ ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИИ
О.Л. Тонха, А.Д. Балаев, В.Н. Недбаев
Аннотация. Исследованы микробиологические показатели трансформации гумусовых веществ целинных почв природных заповедников «Хомутовская целина» и «Михайловская целина», определена направленность этих процессов под воздействием антропогенных факторов в почвах агроценозов. Установлено, что различное использование чернозёмов типичных и обыкновенных привело к изменению направленности микробной трансформации органического вещества. Распахивание целинных чернозёмов снижает содержание общего гумуса и уменьшает количество микромицетов. В чернозёмах обыкновенных и типичных абсолютной и кошенной целины создаются благоприятные условия для формирования периферической части гумусовых веществ.
Ключевые слова: эколого-трофические группы, микроорганизмы, целина, гумус.
Природа сформировала уникальные почвы - чернозёмы, главной особенностью которых является высокое плодородие, определяющее вместе с формированием урожайности сельскохозяйственной продукции и функционирование эколого-трофических групп микроорганизмов. Распахивание целинных чернозёмов существенно влияет на микробиологический комплекс почв, происходят качественные и количественные изменения их структуры и биоразнообразия [8]. Наличие в почвенных экосистемах разнообразнейших групп микроорганизмов, отличающихся биологической и биохимической специфичностью, обуславливает прохождение почвенных процессов и формирования производительности ценозов.
Роль микроорганизмов в гумусообразовании многогранна. Они разлагают органические остатки, синтезируют соединения, служащие структурными компонентами молекул гумусовых веществ, а также производят фенолоксидазы, которые окисляют полифенолы до хинонов с последующей конденсацией в гумус. Одновременно с синтезом гумусовых соединений в почве происходит противоположный процесс - их деструкция, которая осуществляется микроорганизмами и имеет значение для запаса органических веществ в почве. Если скорость разложения преобладает над новообразованием, то общее количество гумуса уменьшается, происходит дегумификация. При условии равновесия процессов синтеза и деструкции, высвобождаются доступные питательные элементы для растений, и компенсируется синтез новых гумусовых веществ. Разложение гумуса при таком балансе является позитивным процессом [3,4,5].
Учитывая общие закономерности и отличия в трансформации органического вещества под воздействием антропогенных факторов почвообразования, важно исследовать численность эколого-трофических групп микроорганизмов целинных и освоенных почв чернозёмов типичных Михайловской и обыкновенных Хомутовской целины, установить в них интенсивность биологических процессов.
Цель исследования - установить численность разных эколого-трофических групп микроорганизмов, принимающих участие в образовании и минерализации гумусовых веществ в целинных и освоенных чернозёмах типичных и обыкновенных Михайловской и Хомутовской целины; изучить микробиологические показатели трансформации гумусовых веществ целинных почв и опреде-
лить направленность этих процессов под воздействием антропогенных факторов в почвах агроценозов.
Микробиологические исследования проводились на чернозёмах обыкновенных Украинского природного степного заповедника «Хомутовская целина» и черноземах типичных «Михайловская целина» (Сумская область Лебединский район). Согласно агропочвенному районированию [1], территория заповедника «Хомутовская степь» входит в Придонецкий почвенный район, который залегает у подножия Донецкого кряжа в пределах Волновахско-Ждановского агропочвенного района, Новоазовского подрайона.
Для исследования нами были отобраны образцы почв на абсолютно целинном участке заповедной степи (абсолютная целина), на периодически (раз в 2 года) косимом участке (кошеная целина), а также на участках поля №3 полевого севооборота сельхозпредприятия «Маяк» Новоазовского района Донецкой области. За период 2000-2011 гг. в почву участка поля №3 внесено в среднем на год 40,6 кг д.в. азотных, 11,0 кг д.в. фосфорных удобрений, 3,8 тонн навоза на 1 га севооборотной площади.
Украинский естественный степной заповедник «Михайловская целина» размещён в пределах северозападной подпровинции левобережной высокой провинции Лесостепной зоны чернозёмов типичных и серых оподзолённых почв (ЛС4).Образцы почв для исследований в заповеднике «Михайловская целина» были отобраны из целинного участка заповедника (абсолютная целина), периодически кошенной (1 раз на 2 года) участок целинной степи (кошеная целина), перелог с 1965 г., участки лесополосы (лесная полоса), насаждения клёна 1952- 1956 гг. посадки, а также в поле № 4 полевого севооборота (пашня с 1936 г.) КСП "Красная Звезда" Лебединского района Сумской области.
Почвенно-биологические исследования проводились в слоях почвы 0-5; 5-20; 20-40 см. Отбор образцов почвы осуществлялся в третьей декаде мая в течение 2009-2012 гг., подготовку и хранение для исследования аэробной биоты в лабораторных условиях проводили согласно ДСТУ ISO 10381-6-2001, определение численности разных групп почвенных микроорганизмов -с использованием методик Д.Г.Звягинцева [5] посевом почвенной суспензии на твердые питательные среды, количество синтезирующих меланины - на среде Чапека с рН=5,0, разлагающих гуматы - на среде с гуматом натрия, педотрофов - на почвенном агаре. Общее содержание гумуса в исследуемых почвах определяли методом И.В. Тюрина в модификации В.М.Симакова.
Для нормального функционирования почвенных микроорганизмов необходимы, прежде всего энергия и питательные вещества. Для большинства микроорганизмов почвы ими является - органическое вещество почвы. Активность почвенной микрофлоры, в первую очередь, зависит от поступления или наличия в почве органических растительных остатков [3]. По мнению многих исследователей [3,4] процессы минерализации гумусовых веществ обуславливаются биохимической деятельностью специфической микрофлоры. В эту группу они включают микроорганизмы, имеющие способность использовать углеводы наиболее стойких к расщеплению циклических и гетероциклических связей. Некоторые исследователи возражают против специализации микроорганизмов в разложении гумуса и связывают эти процессы с деятельностью всех микроорганизмов почвы [9].
Мишустин Е.Н. [4,5] отмечал, что по степени развития отдельных групп микроорганизмов возможно установить на какой стадии минерализации находятся растительные остатки в почве. Стрептомицеты принимают участие в минерализации полуразложившихся растительных остатков - детрита [6].
Количество колониеобразующих единиц стрепто-мицетов приведено в таблице 1.
Наивысшее количество стрептомицетов наблюдается в 0-5, 5-20 - сантиметровом слое в варианте абсолютной целины и обусловлено поступлением большого количества растительной биомассы, в состав которой входит целлюлоза и биополимеры, минерализация которых формирует детрит.
Обработка почв приводит к уменьшению содержания детрита и численности стрептомицетов. В 0-5- сантиметровом слое почвы пашни количество колониеобра-зующих единиц стрептомицетов в 8,4 раза меньше по сравнению с абсолютной целиной и в 1,5 раза на перелоге, а на вариантах кошеной целины и лесополосы различие было незначительным. Снижение поступления в почву биомассы растительных остатков на варианте кошеной целины приводит к уменьшению количества детрита и, соответственно, в 8 раз численности стрептомицетов. Слой 5-20 см по этому показателю можно разместить в следующей последовательности: абсолютная целина -кошеная целина - перелог - лесополоса - пашня.
Таблица 1 - Количество колониеобразующих единиц стрептомицетов в чернозёме типичном естественного заповедника «Михайловская целина» под разными
Численность педотрофов, утилизирующих водорастворимые фракции органического вещества и микроорганизмов, осуществляющих глубокую деструкцию ядерных ароматических компонентов гумуса природного заповедника «Михайловская целина» приведена в таблице 2.
Таблица 2 - Количество колониеобразующих единиц педотрофных и гуматразлагающих микроорганизмов, общего гумуса под разными фитоценозами чернозёмов типичных естественного заповедника «Михайловская целина», млн. КОЕ/г почвы
с 1936 г. 5-20 5,9±0,04 11,50±0,18 1,78±0,18
20-40 5,43±0,05 9,32±0,42 0,63±0,08
0-40 5,6±0,05 10,9±0,26 1,60±0,17
Перелог 0-5 - 13,50±0,30 1,44±0,12
5-20 7,33±0,03 11,50±0,28 0,67±0,18
20-40 5,81±0,04 5,72±0,09 0,80±0,05
0-40 6,57±0,04 10,2±0,22 0,97±0,12
Результаты исследований показывают, что распахивание чернозёмов приводит к снижению содержания общего гумуса. За 80 лет сельскохозяйственного использования почв количество общего гумуса в чернозёме пашни снижается на 34% по отношению к абсолютной целине и составляет 5,9% в 0-20 - сантиметровом слое.
Разница в количестве педотрофных и гуматразла-гающих микроорганизмов между слоями 5-20 и 20-40 см находится в пределах ошибки опыта. То есть, не только педотрофные микроорганизмы влияют на образование подвижных гумусовых веществ.
Чернозёмы типичные кошеной целины характеризуются меньшим количеством общего гумуса в верхнем слое почвы - 7,79%, количество колониеобразующих зародышей педотрофных микроорганизмов в 2 раза меньше, чем вариант абсолютной целины. С глубиной (20-40 см) содержание гумуса составляет 5,32%, что на 17% меньше, чем на варианте абсолютной целины, а количество педотрофных микроорганизмов уменьшалось в 2,5 раза. Несущественно изменяется количество гуматразлагающих микроорганизмов по сравнению с аналогичным слоем почвы абсолютной целины. В среднем, в слое 0-40 см содержание общего гумуса меньше на 16%, количество педотрофних микроорганизмов - на 62%, а гуматразлагающих больше на 32% по сравнению с вариантом абсолютной целины.
На перелоге содержание общего гумуса возросло на 19%, а количество гуматразлагающих микроорганизмов уменьшилось на 35 и 166% (различные слои почвы) по сравнению с пашней. За 64 года перелога содержание гумуса почвы не восстановилось до показателей чернозёмов абсолютной целинной степи.
Многолетняя древесная растительность положительно влияла на условия гумусообразования и гумификации по сравнению с пашней. На этом варианте наблюдалось большее количество педотрофных микроорганизмов на 21% и гуматразлагающих на 14% по сравнению с абсолютной целиной.
На варианте пашни по сравнению с целиной наблюдалось значительно меньшее содержание педо-трофных микроорганизмов, разлагающих подвижные гумусовые вещества. Количество микроорганизмов, разлагающих ядерную часть гумусовых веществ больше на 14% в слое 0-40 см по сравнению с целиной. Из этого можно сделать вывод, что в почву поступает недостаточное количество растительных остатков и энергетического материала, что является источником питания для микроорганизмов и поэтому осуществляется минерализация гумуса почвы.
По количеству гуматразлагающих микроорганизмов в слое почвы 0-40 см все варианты исследования можно разместить в следующий ряд в порядке убывания: лесополоса-кошенная целина - пашня-абсолютная целина-перелог. Численность педотрофов и микроорганизмов, осуществляющих глубокую деструкцию ядерных ароматических компонентов гумуса природного заповедника «Хомутовская целина» приведена в таблице 3.
Самим высоким содержанием общего гумуса (7,33 %) характеризовался вариант абсолютной целины (в слое 0-5 см), с глубиной показатели уменьшаются, и в 20-40 - сантиметровом слое составляют всего 5,39 %, а в среднем в 0-40 см - 6,27%. В верхнем слое (5-20 см)
Вариант использования Слой почвы, см Содержание общего гумуса, % Педотрофные микроорганизмы, млн. КОЕ/г Гуматраз-лагающие микроорганизмы, млн. КОЕ/г
Абсолютная целина 0-5 - 13,00±0,36 1,50±0,09
5-20 8,81±0,04 14,10±0,18 1,25±0,06
20-40 6,23±0,06 14,34±0,30 1,39±0,42
0-40 7,52±0,05 13,8±0,28 1,38±0,19
Кошенная целина 0-5 - 13,73±0,06 2,72±0,42
5-20 7,79±0,05 6,25±0,36 1,30±0,24
20-40 5,32±0,06 5,58±0,30 1,44±0,12
0-40 6,56±0,06 8,52±0,24 1,82±0,26
Лесная полоса 0-5 - 15,77±0,30 3,09±0,06
5-20 8,60±0,04 13,08±0,48 1,62±0,09
20-40 6,42±0,06 10,68±0,36 0,78±0,08
0-40 7,50±0,05 13,2±0,38 1,83±0,08
Пашня 0-5 - 11,90±0,18 2,38±0,25
фитоценозами, млн. КОЕ/г почвы
Вариант опыта Слой почвы, см
0-5 5-20 20-40
Абсолютная целина 8,44±0,40 2,32±0,18 1,48±0,24
Кошенная целина 1,09±0,12 1,24±0,05 0,78±0,30
Лесополоса 1,25±0,18 0,84±0,12 0,90±0,06
Пашня с 1936 г. 0,98±0,11 0,62±0,07 0,25±0,08
Перелог с 1956 г. 1,50±0,20 1,15±0,06 0,37±0,09
количество педотрофных микроорганизмов было выше, чем в 20-40-сантиметровом. Разница по численности гуматразлагающих микроорганизмов по слоям почвы была несущественной. Индекс педотрофности, характеризующий степень освоения органической части почвы микрофлорой, был самым высоким на варианте абсолютной и кошеной целины в слое 20-40 см.
Определение содержания общего гумуса в чернозёмах обыкновенных Хомутовской степи показывает, что в условиях степной зоны в верхнем слое (0-40 см) выкашивание растительности на целине вызывает более существенные изменения, чем наблюдались в чернозёмах типичных Михайловской целины (таблица 3).
Чернозёмы обыкновенные кошеной целины характеризуются более низким содержанием общего гумуса в верхнем слое почвы (6,62 %). Количество колониеоб-разующих зародышей педотрофных микроорганизмов на 29 % меньше, чем на варианте абсолютной целины, что связано с поступлением в почву меньшего количества растительных остатков. Численность гуматразла-гающих микроорганизмов на этом варианте, наоборот, в 2,9 раза больше, чем в аналогичном слое абсолютной целины. С глубиной (20-40 см) содержание гумуса
уменьшается до 4,59 %, что на 17% меньше. Количество педотрофных микроорганизмов на 6,5 % меньше, а количество гуматразлагающих микроорганизмов - на 28 % больше по сравнению с вариантом абсолютной целины. В среднем, в слое 0-40 см содержание общего гумуса ниже на 12 %, количество педотрофных микроорганизмов - на 21 %, а гуматразлагающих- в 2,24 раза больше, чем в аналогичном варианте абсолютной целины.
Пашня по сравнению c целинной почвой характеризуется значительно меньшим содержанием гумуса. Содержание педотрофных микроорганизмов, разлагающих мобильные гумусовые вещества, существенно не отличался от варианта абсолютной целины в слоях 0-5 и 5-20 см (3,1-14,2%) и на 34-43% выше варианта кошеной целины. Такая же тенденция по количеству педотрофов наблюдалась в слое 0-40см: несущественная разница между вариантами абсолютной целины и на 23% больше по сравнению с кошеной целиной. Из этого можно сделать вывод, что в почву поставляется недостаточное количество растительных остатков и энергетического материала, являющихся источником питания для микроорганизмов.
Таблица 3 - Количество колониеобразующих зародышей педотрофных и гуматразлагающих микроорганизмов, общего гумуса в чернозёмах обыкновенных под различными фитоценозами природного заповедника «Хомутовская целина», млн. КОЕ/г почвы_
Вариант использования Слой почвы, см Гуматразлагающие микроорганизмы млн. КОЕ/г Педотрофные микроорганизмы, млн. КОЕ/г Индекс педотрофности Содержание общего гумуса, %
Абсолютная целина 0-5 0,72±0,12 9,60±0,15 2,46 7,33±0,11
5-20 0,60±0,09 8,30±0,18 2,31 6,09±0,08
20-40 0,53±0,09 7,12±0,23 4,45 5,39±0,09
0-40 0,62±0,10 8,34±0,19 2,75 6,27±0,09
Кошенная целина 0-5 2,02±0,16 7,40±0,10 2,20 6,62±0,12
5-20 1,48±0,11 6,61±0,18 2,39 5,53±0,11
20-40 0,68±0,11 6,68±0,16 4,28 4,59±0,10
0-40 1,39±0,13 6,90±0,15 2,70 5,58±0,11
Пашня 0-5 2,60±0,25 9,90±0,15 2,01 5,29±0,08
5-20 3,11±0,18 9,50±0,13 1,96 4,97±0,08
20-40 2,11±0,17 7,11±0,15 1,32 3,98±0,09
0-40 2,61±0,20 8,5±0,14 1,68 4,75±0,09
Все варианты исследования можно разместить в следующий ряд по уменьшению количества гуматраз-лагающих микроорганизмов в слое 0-40 см: пашня-кошенная целина-абсолютная целина.
Индекс педотрофности (отношение количества пе-дотрофных микроорганизмов к разлагающим органические формы азота) наименьший на пашне. Значение этого показателя не отличалось между абсолютной и кошеной целиной. Между количеством гуматразла-гающих микроорганизмов и индексом педотрофности коеффициент корреляции составлял г= -0,685±0,09.
Цикличные молекулы меланинов, которые синтезируются микромицетами, могут служить базисом для построения периферических компонентов гумусовых соединений.
Численность микромицетов под разными фитоце-нозами чернозема типичного естественного заповедника «Михайловская целина» показана на рисунке 1.
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10
О 0-5 В 0-20 СИ 20-40 О 0-40
Абсо- Коше- Лесопо- Пашня с Перелог с лютная ная лоса 1936 года 1956 года целина целина
Рисунок 1 - Количество микромицетов под разными фитоценозами чернозема типичного естественного заповедника «Михайловская целина», тыс. КОЕ а.с.п.
Наибольшее количество микромицетов наблюдалась в слое 0-5см под древесной растительностью, далее все варианты размещаются в следующий ряд: кошенная целина - абсолютная целина -пашня-перелог. Такая же последовательность наблюдалась в слое 0-40 см. Количество микромицетов на всех вариантах использования чернозема типичного имела тесную связь с количеством педотрофних микроорганизмов (г=0,59±0,06).
Из этого можно сделать вывод, что в чернозёмах типичных абсолютной и кошенной целины складываются благоприятные условия для формирования периферической части гумусовых веществ. На перелоге наблюдалось незначительное количество как гуматразла-гающих микроорганизмов, так и гуматсинтезирующих грибов.
Как видно из рисунка 2, наибольшее количество микромицетов природного заповедника «Хомутовская целина» наблюдалось в слое 5-20 см на абсолютной целине.
Рисунок 2 - Количество микромицетов под различными фито- и агроценозами в черноземе обыкновенном природного заповедника «Хомутовская целина», тыс. КОЕ а.с.п.
Распахивание целинных черноземов обыкновенных Хомутовской целины приводит к уменьшению количества микромицетов, и снижению содержания общего гумуса.
Различное использование чернозёмов типичных природного заповедника «Михайловская целина» и чернозёмов обыкновенных «Хомутовской целины» привело к изменению направленности микробной трансформации органического вещества. При распахивании целинных земель увеличивается количество гуматразлагающих микроорганизмов в 4 раза («Хомутовская целина») и на 14% («Михайловская целина») по сравнению с абсолютной целиной. В почву пашни поступает недостаточное количество растительных остатков и энергетического материала, что приводит к минерализации гумуса.
Выкашивание целинной растительности уменьшает на 12-16% содержание общего гумуса, педотрофных микроорганизмов на 21-62% и повышает в 2,24 раза («Хомутовская целина») и на 32% («Михайловская целина») количество гуматразлагающих по сравнению с абсолютной целиной.
Многолетняя древесная растительность увеличивала количество педотрофных микроорганизмов на 1721% и гуматразлагающих на 12-14% по сравнению с абсолютной целиной.
Коэффициент корреляции между количеством гуматоразлагающих микроорганизмов и индексом педотрофности составлял r= -0,685±0,09.
В чернозёмах обыкновенных и типичных абсолютной и кошеной целины создаются благоприятные условия для формирования периферической части гумусовых веществ. Распахивание целинных чернозёмов снижает содержание общего гумуса и уменьшает количество микромицетов, формирующих периферическу часть гумусовых веществ.
Список использованных источников
1 Агропочвенное районирование Украины // Агрохимия и почвоведение. Выпуск 12. - Харьков, 1989. - 200с.
2 Дегтярёв В.В. Характеристика гумуса целинных и освоенных чернозёмов левобережной Лесостепи и Степи Украины // Вестник ХНАУ. - 2008. - №1. - С.85-102.
3 Иутинская Г.А. Почвенная микробиология: учеб. пособ. - К.: Аристей, 2006. - 284 с.
4 Мишустин Е.Н. Ассоциации почвенных микроорганизмов - М., 1975.- 256с.
5 Мишустин Е.Н., Емцев В.Т. Микробиология: Учебник. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Агропромиздат,1987. -368 с.
6 Биогенность типичных черноземов Украинского степного заповедника (отделение «Михайловская целина») / К.Б. Новосад, Д.В. Гавва, А.В. Ревтье, М.М. Фисюнов // Вестник ХНАУ. - 2010. - №5. - С.67-75.
7 Тонха О.Л. Биогенность и состав микробных ценозов целинных и освоенных черноземов Украинского степного заповедника (отделение «Михайловская целина») /О.Л. Тонха // Научный вестник НУБиП Украины. - 2011. - №162. -Часть 2. - С.100-106.
8 Эколого-физиологический анализ микробоценозов степной растительности Украинского заповедника «Михайловская целина» / Н.Е. Элланская, Е.А. Головко, В.А. Дере-вянко и др. // Микробиологический журнал. - 1993. - Т. 55. -№4. - С.3-8.
9 Carballas M.R. Microflora у materia organs reconocible en suelos depraderia / M.R. Carballas, O.Reisinger,
О.КПЪейш // Ап. edafol у а^оЬЫ. 1983(1984). ^42. №9-10. Р. 1499-1508.
Информация об авторах Тонха Оксана Леонидовна, кандидат сельскохозяйственных наук, доцент кафедры почвоведения и охраны почв им. проф. Н.К. Шикулы Национального университета биоресурсов и природопользования Украины, тел.+380445278030, 0ksana16095@gmail.com
Балаев Анатолий Джалилович, доктор сельскохозяйственных наук, профессор, заведующий кафедрой почвоведения и охраны почв им. проф. Н.К. Шикулы Национального университета биоресурсов и природопользования Украины, тел. +380445278102.
Недбаев Виктор Николаевич, кандидат сельскохозяйственных наук, доцент кафедры почвоведения, агрохимии и земледелия ФГБОУ ВПО «Курская ГСХА».
