Микробная биомасса чернозема и дыхательная активность при сельскохозяйственном воздействии

Размещено на http://www.allbest.ru/

Отчет по практике

Микробная биомасса чернозема и дыхательная активность при сельскохозяйственном воздействии



Введение

Практическое обучение проходило в Институте физико-химических и биологических проблем почвоведения Российской академии наук (РАН).

История основания Института физико-химических и биологических проблем почвоведения. В г. Пущино в 1970 г. Академией Наук СССР был организован Институт агрохимии и почвоведения, цель которого была связана с развитием исследований почв и их функций в биосфере. В 1982 г. Институт агрохимии и почвоведения был объединён с Институтом фотосинтеза в Институт почвоведения и фотосинтеза (ИПФС), а в 1999 г. Институт почвоведения был воссоздан как Институт физико-химических и биологических проблем почвоведения (ИФХиБПП РАН). В настоящее время в структуру Института входят следующие исследовательские лаборатории: археологического почвоведения; геохимии и минералогии; криологии; физико-химии; экологии почв; моделирования экосистем, а также группа генезиса эволюции почв. Н а базе института работают учебно научный центр и аспирантура РАН. В Институте работают 1 член-корреспондент РАН, 19 докторов и более 50 кандидатов наук.

Направление исследований: физико-химические и биологические процессы почвообразования, пространственно-временная организация почв.

Основные задачи:

1. Физико-химические и биологические процессы почвообразования и трансформации природных и экзогенных химических веществ в почвах и экосистемах.

2. Роль почвы в биогеохимических циклах биофильных, литофильных и техногенных элементов.

3. Значение криосферы в глобальном круговороте вещества и энергии и консервации генетических ресурсов.

4. Пространственно-временная организация и функционирование почв в биосфере как основа устойчивого развития.

5. Математическое моделирование почвенных процессов и экосистем.

Практика проходила в лаборатории Почвенных циклов азота и углерода ИФХиБПП РАН, руководитель чл.-корр. РАН Валерий. Николаевич. Кудеяров.

Научная работа выполнялась под руководством г.н.с. д.б.н. Ананьевой Надежды Дмитриевны.

Тематика научных исследований

Научные проблемы, решаемые Лабораторией в течении последних 20 - 30 лет, чрезвычайно актуальны в контексте усилий международного сообщества по смягчению глобальных изменений окружающей среды и климата путём контролирования и уменьшения антропогенных выбросов парниковых газов в атмосферу Земли. Эмиссия парниковых газов из почвы, в особенности СО₂ и N₂O, тесно связана с интенсивностью процессов азотного цикла, стабилизацией почвенного органического вещества, активностью микробного сообщества, размером пула микробной биомассы и структурой микробного сообщества, доступностью С и N субстратов, активностью корневых систем растений в связи с оптимизацией их азотного питания, воздействием естественных и антропогенных нарушений на баланс С в наземных экосистемах. Все эти научные проблемы были предметом систематических исследований в Лаборатории. Интегрирующая процессов углеродного и азотного циклов в почве выражается в эмиссии парниковых газов с почвенной поверхности, поэтому сотрудники лаборатории проводят также и обширные исследования по изучению почвенного дыхания; оценке вклада в него корневого, ризосферного и микробного компонентов; изменений основных составляющих баланса углерода при повышающейся концентрации углекислоты в атмосфере; количественной оценке источников и стоков парниковых газов как в региональном, так и в глобальном масштабе. Кроме того, разрабатываются концептуальные и математические модели циклов азота и углерода в почве.

С 2006 г. в лаборатории представлены экологоагрохимические исследования повышения продуктивности агроценозов, выполняемые под руководством д.б.н. В.И. Никитишена.

Задачи Лаборатории:

1. Определение интенсивности процессов азотного цикла в зависимости от соотношения С_орг / N_мин. в почве, а также эмиссии N₂O с почвенной поверхности как результирующей этих процессов

2. Установление размеров затравочного эффекта ризодепозитов и органического углерода удобрений в отношении минерализации гумусовых веществ почвы.

3. Определение скорости оборачиваемости микробной биомассы в почве и ризосфере в зависимости от доступного С и N субстратов.

4. Разработка математических моделей, описывающих динамику доступного углерода и микробной биомассы в почве и направленность процессов внутрипочвенного азотного цикла.

5. Исследования многолетней динамики эмиссии СО₂ из почв культурных и естественных экосистем, включая детальное изучение скорости продуцирования углекислого газа при контрастной смене температурно-влажностных условий.

6. Определение вклада корневых систем растений, ризосферных и почвенных микроорганизмов в дыхание почвы.

7. Определение скоростей обновления и механизмов стабилизации почвенного органического вещества в зависимости от типа почвы.

8. Разработка эколого - агрохимических основ повышения продуктивности агроценозов.



Физико-химические и биологические процессы почвообразования

Почва - уникальная полидисперсная многокомпонентная система, выполняющая экологические, социальные и экономические функции. В последние десятилетия на смену одностороннему восприятию почвы как сельскохозяйственного ресурса пришло понимание ее роли в окружающей среде. За последнее столетие происходит трансформация почвенного покрова за счет антропогенного воздействия (вырубка лесов, выпас скота, распашка земель, загрязнение и постоянно растущая площадь городских территорий). Интерес к оценке и сохранению почвенных ресурсов стимулируется обеспокоенностью их истощения и сокращения.

Литературные сведения в большинстве своем показывают, что интенсивное землепользование, распашка и внесение удобрений приводят к нарушению равновесного функционирования почвенных экосистем и уменьшению грибной биомассы. В то же время, почвы лесных, залежных и восстанавливающихся экосистем, неподверженных антропогенной нагрузке, сохраняют естественное плодородие, физическую структуру, накапливают и закрепляют больше органического вещества, в том числе и в микробной биомассы, основную долю которой составляют микроскопические грибы.

Во второй половине 20 века была распахана значительная часть территории России. Современные сельскохозяйственные земли мира потеряли с конца 19 века 2.5-6 кг С / м² (Bolin, 1977). Вовлечение почвенного покрова в сельскохозяйственное использование при непрерывной интенсификации сельского хозяйства оказывает большое влияние на свойства практически всех типов почв, изменяя их химический состав, физическую структуру, содержание и качественный состав гумуса. Этим обусловлены значительные нарушения в функционировании почвы как природного тела, в формировании и активности ее живой фазы, в первую очередь микроорганизмов, которые являются исключительно чуткими индикаторами изменений, происходящих в окружающей среде.

Некоторыми авторами показано, что сельскохозяйственное использование почв приводит к уменьшению грибной биомассы по сравнению с естественными аналогами. Этот факт был объяснен физическим разрушением мицелия микроскопических грибов вследствие распашки почвы, отрицательного действия удобрений на их колонизацию на корнях растений и обедненности подстилочного слоя лигнином и целлюлозой, которые являются основой для развития сапротрофных базидиомицетов. Показано также, что бактериальные сообщества почвы, напротив, менее подвержены влиянию сельскохозяйственного использования. Выявлено, что содержание грибной биомассы в почве нарушенных экосистем снижалось, однако грибная биомасса является преимущественно преобладающей над бактериальной и в пахотных почвах.

Живая часть почвы состоит преимущественно из микробного компонента, который чутко реагирует на разнообразные антропогенные воздействия. Микробная биомасса почвы составляет около 85% таковой всех почвенных организмов и привносит около 90% всего потока CO₂ суши в атмосферу. Среди газообразных продуктов жизнедеятельности микроорганизмов выделяют двуокись углерода (СО₂), метан (СH₄) и разнообразные окислы азота (N_ХO). Особое внимание в последние десятилетия приковано к этим газообразным продуктам, поступающим из почвы в атмосферу, в связи с их большой ролью в глобальном изменении климата. Так вклад СО₂ в изменение климата, по оценке ведущих экспертов, составляет около 45-50%, а N₂O - всего6%, однак5о он обладает большим экранирующим эффектом (разрушение озонового слоя атмосферы) и долгим «пребыванием» (160 лет) в атмосфере (IPCC, 2001).

Одним из важных факторов потепления климата на Земле в настоящее время принято считать увеличивающуюся концентрацию в атмосфере парниковых газов. В течение последних 250 лет концентрация CO₂, CH₄ и N₂O в атмосфере увеличилась на 30, 145 и 15% соответственно Увеличение концентрации в атмосфере некоторых других газов несет угрозу человечеству в связи с глобальным изменением климата (потепление) и окружающей среды. Вклад диоксида углерода (СО₂) в изменение климата, в том числе и его концентрация в атмосфере, весьма велики по сравнению с другими парниковыми газами. Почва участвует в балансе СО₂, связывая его в различные формы или, наоборот, способствуя его высвобождению в атмосферу. Этот газ образуется в почве за счет разложения поступающих в почву растительных остатков. Основными источниками СО₂ в почве считают деятельность почвенных микроорганизмов и дыхание корней. «Чистый» почвенный источник СО₂ более чем на 95% состоит из "микробного дыхания" (преимущественно микроскопические грибы и бактерии). На дыхание почвенных животных, прежде всего дождевых червей, приходится не более 5%. Природные источники, обеспечивающие 96% годового потока углерода СО₂, состоят из дыхания наземной растительности (24%), дыхания почвы (30%), эмиссии с поверхности океана (41%) и вулканической деятельности - <1%. В качестве источника СО₂ антропогенная деятельность вносит не столь существенную долю (4%) по сравнению с природной, но последствия такого влияния на потоки углерода в экосистемах могут быть значительными.

Состояние микробного пула почвы, в первую очередь биомасса и дыхание, является ключевым фактором ее экологических функций, определяющих газообмен с атмосферой и круговорот элементов питания. Живая часть органического углерода почвы - микробная биомасса - является более чувствительной к различным воздействиям и нарушениям, чем органическое вещество в целом. Микробная биомасса - ценный показатель для многих экологических исследований и мониторинговых программ для разных регионов и масштабов. Поэтому изучение функционирования микробного сообщества почв естественных и антропогенно-преобразованных экосистем представляется актуальной научной задачей.



Методы определения микробной биомассы почвы

Традиционными методами определения содержания микробной биомассы почвы являются высев на агаризованные среды и прямая микроскопия. Эти методы имеют преимущество, связанное с возможностью дифференцировать клетки различных групп микроорганизмов. Однако ограничения этого метода заключаются в ненадежности дифференциации клеток на живые и мертвые, ошибочном учете почвенных частиц как микроорганизмов, условности выбора коэффициентов пересчета от числа клеток к их биомассе, что, в свою очередь и определяет некоторую условность полученных данных об общей биомассе почвенных микроорганизмов.

За последние десятилетия были разработаны экспрессные оценки содержания микробной биомассы почвы, которые основаны на физиологических, биохимических и химических методах. Они включают методы фумигации-инкубации (ФИ), фумигации-экстракции (ФЕ) и субстрат-индуцированного дыхания (СИД), а также анализ аденозин трифосфата (АТФ) и определение содержания ДНК в почве.

Для определения содержания углерода микробной биомассы почвы (С_мик) широко используют метод СИД, отражающий, в определенной степени, и физиологическое состояние почвенных микроорганизмов. Метод получил название субстрат-индуцированного дыхания, поскольку был основан на измерении начальной максимальной скорости дыхания микроорганизмов, индуцированного внесением в почву легкоокисляемого и универсально доступного субстрата. В качестве такого субстрата была выбрана глюкоза - основной мономер целлюлозы, доля которой в растительном опаде составляет почти 70-80%. Окисление и соокисление глюкозы микроорганизмами почвы in situ за время, в течение которого не происходит роста и размножения клеток (несколько часов), положено в основу определения содержания углерода микробной биомассы почвы. Метод СИД позволяет определить метаболически активный компонент микробного сообщества по интенсивности дыхания почвы (образование СО₂), обогащенной глюкозой. При этом предполагается, что дыхательный отклик пропорционален суммарной микробной биомассе почвы. Оценивая реалистичность допущений этого метода, необходимо принять во внимание, что микроорганизмы окисляют глюкозу до СО₂ или соокисляют ее наряду с потреблением множества других почвенных органических соединений. Следует отметить также, что способность увеличивать скорость образования СО₂ на внесение глюкозы характеризуются практически все аэробные и большинство факультативно-анаэробных хемоорганотрофных микроорганизмов, включая все эукариотные и подавляющее большинство бактерий. Набор микроорганизмов, не учитываемых физиологическим методом, может включать лишь некоторые облигатно-анаэробные, метилотрофные и хемолитотрофные бактерии. Однако, во-первых, доля последних ничтожно мала в суммарной биомассе почв, например автоморфных, и во-вторых, для их специального учета может быть использована соответствующая модификация метода СИД.

Характеристика чернозёма

Объектом нашего исследования была почва - чернозём типичный (Курская обл), расположенные в степной зоне. Русские черноземные степи по характеру климата, рельефу местности, растительности и животным, а отчасти также по грунтам и почвам, составляют неразрывную часть того великого степного пояса, который почти сплошь опоясывает все северное полушарие.

Плодородный черноземный слой почвы метровой толщины природа создавала в течение тысячелетий в степях с определенным гидротермическим режимом. Большое содержание перегноя придает ему темную окраску. Именно под влиянием растительности луговых (северных) степей сформировались почвы, входящие в Центрально-Черноземным заповедник имени Алехина.

Профиль черноземов имеет следующее морфологическое строение (горизонты): А_д - степной войлок (мощность до 5 см), состоящий из корней и переплетенных стеблей трав (целина), в пахотных почвах- он отсутствует; А - гумусово-аккумулятивный горизонт (мощность ?40-130 см ), темно-серого или черного цвета, зернистый или зернисто-комковатый, с бусами на корнях растений; АВ - переходный темно-серый гумусовый, зернисто-комковатый по структуре, с заметным побурением внизу горизонта или с темно-бурыми пятнами; В - горизонт гумусовых затеков (мощность 40-80 см), буровато-серый, комковатый, часто подразделяется (структура и степень гумусированност) на подгоризонты (В₁, В₂, В₃), в них присутствуют карбонаты кальция (псевдомицелий, журавчики, белоглазки, за исключением сильновыщелоченных и оподзоленных черноземов); ВС_К - иллювиально-карбонатный.

Черноземы типичные образуются под разнотравно-злаковой растительностью на лёссах, лёссовидных и покровных суглинках. Они характеризуются большой мощностью гумусового слоя - от 50 до 70 см (холодная климатическая фация) и до 100-190 см (теплая), присутствием карбонатов в форме мицелия, известковых трубочек в горизонте АВ. Чаще карбонаты наблюдаются с глубины 60-70 см. Горизонт А мощностью до 130 см, черный или серовато-черный, зернистый, а АВ - темно-серый с едва заметным буроватым оттенком, часто с более темными затеками. Ниже АВ залегает серовато-бурый уплотненный иллювиально-карбонатный горизонт В_к с языками и затеками гумуса, комковато-призматической структуры, с карбонатами преимущественно в виде мицелия, выцветов, журавчиков. Этот горизонт постепенно переходит в горизонт ВС_К - палево-бурый, переходный к породе, со значительным количеством карбонатных прожилок и журавчиков, С_к - карбонатная, почвообразующая порода палевого цвета. Гипс и легкорастворимые соли отсутствуют во всем профиле почв. В почвах много кротовин. В. В. Докучаев назвал черноземы «царем почв» в связи с их высоким плодородием. Под курскими целинными заповедными степями толщина верхнего темноокрашенного гумусового слоя чернозема достигает 1.5 метра. Содержание гумуса в верхних 10 сантиметрах почвы составляет 9-12%, а его запас в метровом слое составляет 540 тонны на гектар.

Мощные черноземы заповедника на нескашиваемой (некосимой) целине находятся в режиме, близком к тому, в каком они были в доисторических степях. По запасам питательных веществ эти черноземы не имеют себе равных в Европе, они являются своеобразным эталоном почв. Именно поэтому чернозём Курской области был взят для данного исследования.

Образцы чернозёма отбирали на Стрелецком участке заповедника Алёхина, он самый большой (2046 га), расположен в 10 км южнее г. Курска и протянулся неширокой лентой (1,5-2,5 км) с юго-запада на северо-восток, почти на 8 км, имея в западной своей части 3 небольших лесных урочища: Дуброшина, Соловьятник и Дедов Веселый, а в восточной части - Петрин лес, из них самое большое составляет около 500 га (Рис. 1, 2). Леса в этой местности занимают почти 40% территории - это байрачные дубравы, немного осинников, единичны другие лиственные породы. В лесных урочищах Петрин лес и Дедов Веселый находятся кордоны, где проживают инспектора по охране заповедной территории. Площадь степей и лугов: 868 га, что составляет 42,4% от всей площади участка.

Рис. 1. Карта-схема Стрелецкого участка



Рис. 2. Стрелецкая степь

биомасса микробный почва чернозем

С 16 века заповедными степями владели стрельцы, охраняющие рубежи русского государства в крепости Курск и получившие эти земли за верную сторожевую службу. Стрелецкая степь располагается на плакоре, с северной стороны граница проходит по Петрину логу, склоны занимают 14%. На участке преобладают целинные типичные черноземы, лишь в Стрелецкой степи можно встретить почвы с метровой толщей плодородного гумусового слоя.

Стрелецкая степь, является красочной разнотравной степью с широколистными злаками, настоящей лабораторией под открытым небом. На сравнительно небольшой территории произрастает 860 видов различных трав, кустарников и деревьев! Обитает 7 видов растений, занесенных в Красную книгу РФ (пион тонколистный, касатик безлистный, рябчики русский и шахматный, ковыли перистый, опушеннолистный и красивейший). На одном квадратном метре - до 87 видов растений. Охранная зона Стрелецкого участка составляет 9409 га (Рис. 3-6).

Такая высокая видовая насыщенность редко встречается в центральных областях России.

В.В. Алехин назвал Стрелецкую и Казацкую степи «Курской ботанической аномалией». Всё это богатство характерно только для косимой степи (покос - это имитация «скусывания» трав дикими копытными животными, которых к настоящему времени не осталось). Имеются и другие режимы заповедания: пастбищный, где выпасается домашний крупно-рогатый скот; некосимый, который в наших условиях зарастает древесно-кустарниковой растительностью и пирогенный, когда участок степи выжигается.

Рис. 3. Разнотравье

Сочетание открытых степных пространств и леса в условиях сложного рельефа, богатейшие почвы, высокопродуктивная растительность и оптимальный режим тепла и влаги способствуют разнообразию животного мира, насчитывающих (видов): около 200 - пауков, более 4000 - насекомых (из них 850 - бабочек), 7 - земноводных, 5 -пресмыкающихся, 189 - птиц, 40- млекопитающих.

Целью работы была оценка содержания микробной биомассы и его газопродукционной активности чернозема (Курская область) разных экосистем: некосимая степь (ненарушенная, эталонная) и пашня (продолжительное время находится под сельскохозяйственным влиянием) для установления нарушенности функционирования почвенного микробного сообщества при таком антропогенном воздействии.

В задачи исследования входило:

1. Отбор почвенных образцов чернозема разных экосистем;

2. Подготовка (усреднение, просеивание и предынкубация) почвенных образцов для микробиологического анализа;

3. Определение углерода микробной биомассы почвы методом субстрат-индуцированного дыхания;

4. Измерение базального (микробного) дыхания почвы;

5. Расчёт удельного дыхания микробной биомассы;

6. Выявление различий в функционировании микробного сообщества чернозема разных экосистем;

7. . Статистическая обработка данных.

Объекты и методы исследования

Объектом данной работы был чернозём разных экосистем Курской области. Город Курск входит в состав Центрально-Чернозёмного экономического района (Черноземья). Черноземье - от слова чернозём, что указывает на лесостепной характер этих мест.

Рис 4. Район отбора почвенных образцов

Среднегодовая температура воздуха изученной территории составляет +4.6 - 6.1°С, а осадки 475 - 640 мм.

Для исследования были взяты 2 экосистемы: некосимая степь Стрелецкого участка заповедника им. Алёхина и пашня, близ д. Кривцово, 60 км от заповедника. Характеристика объектов исследования приведена в табл. 1, некоторые химические свойства чернозема приведены в табл. 2.



Рис. 5. Общий вид некосимой степи

Рис. 6. Общий вид пашни

Таблица 1. Характеристика объекта исследования

Экосистема	Возраст (лет)	Точки отбора	Координаты по GPS (с.ш. / в.д.)	Растительность
Некосимая степь	74	1	51°34ґ17.5ґґ/ 36°05ґ39.4ґґ	разнотравье
		2	51°34ґ17.2ґґ/ 36°05ґ36.4ґґ
		3	51°34ґ2.90ґґ/36°05ґ61ґґ
Пашня	60	1	51°08ґ44.80ґґ/ 36°30ґ22.60ґґ	ячмень
		2	51°08ґ39.4ґґ/ 36°29ґ54.6ґґ
		3	51°08ґ20.5ґґ/36°29ґ21.4ґґ



Табл. 2. Химические свойства чернозема типичного (Курская обл.) разных экосистем (верхний 10 см минеральный слой; среднее значение ± стандартное отклонение)

Экосистема /Зона	Corg,%	pHKCl	NH4	NO3	P2O5	K
			мг кг-1 почвы
Некосимая степь	3.0±0.2	6.8±1.0	13.0±5.4	79.9±4.7	101±2	142±22
Пашня	2.1±0.0	6.2±0.6	9.3±0.8	11.8±9.3	168±12	130±13

Отбор почвенных образцов

В каждой экосистеме выбирали случайным образом три пространственно-удаленные точки, из которых отбирали почвенные образцы. Отбор (май 2014 г.) осуществляли почвенным буром из пяти точек (метод «конверта») ровной площадки 10Ч10 0-10; 10-20; 20-30; 30-40 и 40-50 см (всего 30 образцов). Образцы из каждой упомянутой глубины усредняли для каждой экосистемы и функциональной зоны. В естественной экосистеме растительную подстилку в образец не включали. Образцы почв естественной влажности хранили (8-10єС) с воздухообменом не более 2-х месяцев.

Предынкубация

До начала анализов образец почвы просеивали через сито с диаметром ячеек 2 мм и предынкубировали (22С, 7 сут, 60% полной влагоемкости). Всего отобрано 30 образцов

Метод субстрат-индуцированного дыхания (СИД) основан на измерении первоначального максимального выделения СО₂ из почвы, обогащенной глюкозой за период не более 6-ти часов (Anderson, Domsch, 1978; Ананьева и др., 2011). За это время происходит окисление или соокисление глюкозы и исключается размножение клеток с её участием (Мирчинк, Паников, 1985). Метод СИД предполагает соблюдение условий, связанных, прежде всего, с количеством внесенной в почву глюкозы, температурой предынкубации (до внесения глюкозы) и инкубации (после внесения глюкозы) почвенного образца. Концентрация глюкозы, обеспечивающая наибольший первоначальный отклик почвенного микробного сообщества в виде образовавшегося СО₂, определяется экспериментально для каждого типа почвы и составляет, в основном, от 1 до 20 мг глюкозы г^-1 почвы (Sparling, Williams, 1986; Priha, Smolander, 1994; Lin, Brookes, 1999 a). Метод не предполагает применения очень низких (недостаточное количество для всех микроорганизмов почвы) и очень высоких (возможно токсическое влияние) концентраций глюкозы. Навеску почвы (1 г) помещали во флакон (объем 15 мл), добавляли раствор глюкозы (0.1 мл г^-1 почвы), результирующая концентрация которой составляла 10 мг г^-1, герметично закрывали и фиксировали время. Обогащенный глюкозой образец почвы инкубировали (3-5 ч, 22єС), затем отбирали шприцем пробу газовой фазы из флакона (около 0.5 мл). Пробу вводили в газовый хроматограф (Кристаллюкс 4000М, детектор по теплопроводности) и регистрировали в ней концентрацию СО₂. Время отбора газовой пробы также фиксировали. Скорость СИД выражали в мкл CО₂ г^-1 почвы ч^-1.

Углерод микробной биомассы (С_мик) почвы определяли согласно формуле:

С_мик (мкг С г^-1 почвы) = СИД (мкл СО₂ г^-1 почвы ч^-1) Ч 40.04 + 0.37 (Anderson, Domsch, 1978).

Базальное дыхание (БД) определяли по скорости выделения СО₂ почвой за 24 ч инкубации при 22°С и 60% полной влагоемкости, что составляет около 25-30% содержания влаги в почве. Измерение БД выполняли как для СИД, только вместо раствора глюкозы в почву вносили воду (0.1 мл г^-1 почвы).

Скорость базального дыхания выражали в мкг СО₂-С г^-1 почвы ч^-1. Удельное дыхание микробной биомассы или микробный метаболический коэффициент (qCO₂) рассчитывали как отношение скорости базального дыхания к микробной биомассе:

БД / С_мик = qСО₂ (мкг СО₂-С мг^-1С_мик ч^-1).

Статистическая обработка данных

Измерения С_мик и БД были выполнены в трёх повторностях, расчёт на вес сухой почвы ( 105°С, 8 ч), результаты выражены как среднее ± стандартное отклонение. Расчет и визуализацию экспериментальных данных проводили в программе Ехel. Однофакторный дисперсионный анализ ( t - критерий или критерий Стьюдента, p ? 0.05 ) осуществляли в программе Statistica 6.0.

Результаты

В изученном чернозёме типичном (0-10 см) Курской области содержание С_мик составило от 408 (пашня) до 1877 (некосимая степь) мкг С г^-1. Выявлено, что величина С_мик в почве некосимой степи изученных точек отбора составила от 1230 до 1877 мкг С г^-1, а в пахотной экосистеме - от 408 до 873 мкг С г^-1, разница между этими величинами составила 1.5 и 2.1 раза соответственно. Показано, что содержание С_мик в некосимой степи в среднем было 1531 ± 326 мкг С г^-1, а в пахотной почве оно было значимо меньше, в 2.5 раза. Скорость БД составила от 1.74 (пашня) до 0.60 (некосимая степь) мкг СО₂-С г^-1 ч^-1. Выявлено, что величина БД чернозёма некосимой степи составила 1.74 - 1.17, а в пахотной экосистеме - 0.60 - 0.79 мкг СО₂-С г^-1 ч^-1. Показано, что скорость БД в некосимой степи в среднем достигала 1.63±0.17 мкг г^-1 ч^-1, а в пахотной почве - была ниже, в 3 раза.



Рисунок 7. Содержание углерода микробной биомассы (С_мик ) в чернозёме типичном (0-10 см ) Курской области разных экосистем (1, 2, 3 - точки отбора образцов ). Данные с разными буквами различаются значимо (p = 0.000001, критерий Стьюдента)

Рисунок 8. Базальное дыхание (БД) в чернозёме типичном (0-10 см) Курской области разных экосистем (1, 2, 3 - точки отбора образцов). Данные с разными буквами различаются значимо (р = 0.000004, критерий Стьюдента)



Вниз по профилю содержание С_мик уменьшалось. В почве некосимой степи содержание С_мик в нижних слоях 10-20, 20-30, 30-40, 40-50 см было в 1.1-1.7, 2.1-2.7, 2.2-3.5, 2.8-5.4 меньше, чем в верхнем 10-см слое. В пахотной экосистеме уменьшение этого показателя составило 0.7-1.1, 1.2-1.7, 1.7-3.5, 2.3-3.8 раз для 10-20, 20-30, 30-40, 40-50 см соответственно по сравнению с верхним слоем.

Так, вниз по профилю уменьшение микробной биомассы почвы некосимой степи в среднем составило 3 раза, а таковое в пахотной экосистеме - 2 раза.

Скорость БД вниз по профилю также снижалась, так в слое 40-50 она не превышала 0.70 и 0.50 мкг СO₂-C г^-1 ч^-1 для некосимой степи и пахотной экосистемы соответственно.

В почве некосимой степи величина БД в нижних слоях (10-20, 20-30, 30-40, 40-50 см) была в 1.1-1.6, 1.7-2.2, 2.2-3, 2.4-4.5 раза меньше, чем в верхнем 10-см.

В пахотной экосистеме уменьшение этого показателя составило 0.7-1.4, 1-2, 1.2-3.1, 1.4-2.1 раза для 10-20, 20-30, 30-40, 40-50 см соответственно по сравнению с верхним 10-см слоем.

В нижнем изученном горизонте чернозёма некосимой степи снижение микробиологической активности (продуцирование СО₂) составило в среднем 2 раза, а на пашне - 1.5 раза.



Рисунок 9. Профильное (0-50 см) распределение углерода микробной биомассы (С_мик ) в чернозёме типичном Курской области в некосимой степи (НС) и на пашне (1, 2, 3, - точки отбора образцов)

Суммарный запас углерода микробной биомассы в 1.5 м слое изученной почвы составил 3687 - 4564 мкг г^-1 и 1616 - 2813 мкг г^-1 для некосимой степи и пахотной экосистемы соответственно. Общий профильный пул С_мик чернозёма некосимой степи составил в среднем 4253±491 мкг С г^-1, а пашни - меньше в 2 раза, p?0.05. Продуцирование СО_{2 в} 0.5 м слое некосимой степи в среднем было 4.87 мкг СO₂-C г^-1 ч^-1, а в агроэкосистеме - меньше в 2 раза.



Рисунок 10. Суммарный запас углерода микробной биомассы (С_мик) в 0.5 м слое чернозёма типичного разных экосистем (среднее ± с.о.). Данные с разными буквами различаются значимо (р ? 0.05, критерий Стьюдента)

Основной вклад в профильный полуметровый запас С_мик и БД приносят верхние слои почвы (0-10 и 10-20 см), их доля составила 63 и 58% для некосимой степи и пашни - 59 и 52% соответственно. Доля С_мик и БД в нижнем (40-50 см) слое была меньше в 7 и 5, 6 и 3 раза соответственно для некосимой степи, пашни по сравнению с верхними (0-10 и 10-20 см).

Показано, что величина микробной биомассы и её активность в почве агроэкосистемы в 2 раза ниже, чем некосимой степи. Такая тенденция может быть связана с ухудшением функционирования микробного сообщества пахотной почвы и, как следствие, ухудшение ее экологического состояния в результате постоянного антропогенного воздействия (отчуждение растительных остатков, распашка, уплотнение, перемешивание горизонтов). Вниз по профилю чернозема изученные микробиологические показатели (С_мик и БД) снижаются. Отмечено, что верхний 20-см слой чернозема характеризуется наибольшими изученными микробиологическими параметрами.

Интегральные показатели (qCO₂ и С_мик / С_орг) функционирования микробного сообщества почвы. Микробный метаболический коэффициент (qCO₂) характеризует экофизиологический статус микробного сообщества и может служить экологическим индексом (показателем) состояния почвы в целом. «Оптимальное» значение этого коэффициента составляет, по разным оценкам, около 1, а его повышение (2.5-5.0) может указывать на стрессовое состояние микробного компонента почвы. Доля углерода микробной биомассы в общем органическом углероде почвы (С_мик / С_орг) может служить своеобразным индикатором ее качества и «здоровья».

Значение qCO₂ чернозёма типичного (верхний 10-см слой) составило от 0.89 до 1.93 мкг СO₂-С мг^-1С_микч^-1. Среднее значение этого показателя не различалось значимо для некосимой степи и пашни (1.08±0.15 и 1.27±0.57 мкг СО₂-С мг^-1С_микч^-1 соответственно). Отношение С_мик / С_орг в чернозёме некосимой степи было наибольшим (5.1), пашни - в 2 раза меньше, чем в естественной экосистеме (табл. 3).

Табл. 3. Значение удельного дыхания микробной биомассы (qCO₂) и доля углерода микробной биомассы в общем органическом углероде (С_мик/С_орг) чернозема(0-10 см)

Экосистема	qCO2, мкг СО2-С мг-1Смикч-1	Смик / Сорг,%
Некосимая степь	1.08±0.15	5.1±1.1
Пашня	1.27±0.57	2.9±1.1

Значение qCO₂ вниз по профилю почы изученных экосистем увеличивалось. В чернозёме некосимой степи и пашни величина qCO₂ нижнего слоя (40-50 см) была больше (в 1.2-1.5 и 1.1-2.9 раза соответственно), чем в соответствующем верхнем (0-10-см). Тенденция такого увеличения qCO₂ вниз по профилю была более выражена на пашне.

Отмечено, что в верхнем 10 см слое чернозема разных экосистем значение qCO₂ значимо не различалось. Однако отношение С_мик / С_орг в сельскохозяйственной почве было в 2 раза меньше по сравнению с естественным аналогом. Очевидно, что распашка негативно влияет на экологическое состояние микробного сообщества и, тем самым, качество чернозёма. Вниз по профилю почвы значение qCO₂ увеличивалось, причём такая тенденция наиболее выражена в агроэкосистеме. Увеличение qCO₂ в пахотном чернозёме может свидетельствовать о больших энергетических затратах микробного сообщества и указывать на его стрессовое состояние.



Выводы

1. Выявлено существенное изменение параметров функционирования почвенного микробного сообщества в нарушенном сельскохозяйственным воздействием чернозёме типичном (Курской обл.) по сравнению с ненарушенной эталонной почвой (некосимая степь).

2. Эти изменения характеризуются уменьшением содержания почвенной микробной биомассы, её дыхательной активности и доли в общем органическом углероде почвы в антропогенно-нарушенной почве по сравнению с естественным аналогом.

3. Вниз по профилю изученного чернозёма величины микробиологических показателей (С_мик и БД) снижались ( в 2.5 и 1.5 раз соответственно), а удельное дыхание микробной биомассы - возрастало (1.5 раз), что может свидетельствовать о более «напряженных» процессах функционирования микробного сообщества в этих локусах.

4. Показано, что основная доля микробной биомассы и её дыхательной активности (55 и 60% соответственно) сосредоточена в верхнем 20-см минеральном слое чернозема.

5. Общий запас (пул) углерода микробной биомассы и микробного продуцирования двуокиси углерода в профиле (0.5 м) пашни были в 2 и 1.5 раза меньше соответственно, чем в естественном аналоге.

6. Сельскохозяйственная нагрузка (пахота, отторжение растительного материала) на чернозем типичный оказывает негативное влияние на параметры функционирования почвенного микробного сообщества, что приводит, в свою очередь, и к изменению потока диоксида углерода из почвы в атмосферу.

Список литературы

1. Ананьева Н.Д., Сусьян Е.А., Гавриленко Е.Г. Особенности определения углерода микробной биомассы методом субстрат-индуцированного дыхания // Почвоведение. 2011. № 11. С. 1327-1333.

2. Мирчинк Т.Г., Паников Н.С. Современные подходы к оценке биомассы и продуктивности грибов и бактерий в почве // Успехи микробиологии. 1985. № 20. C. 198-226.

3. Anderson J.P.E., Domsch K.H. A phisiological method for the quantitative measurement of microbial biomass in soils // Soil Biology and Biochemistry. 1978. V. 10. N. 3. P. 215-221.

4. Bolin B. Changes of land biota and their importance for the carbon cycle // Science. 1977. V. 196. P. 613-615.

5. Lin Q., Brookes P.C. Comparison of substrate-induced respiration, selective inhibition and biovolume measurements of microbial biomass and its community structure in unamended, reygrass-amended, fumigated and pesticide-treated soils // Soil Biology and Biochemistry. 1999. V. 31. N. 14. P. 1999-2014.

6. Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC): Climate Change: Synthesis Report, (Watson, R. T. and Core Writing Team (Eds.). Cambridge University Press. Cambridge. UK. 2001. P. 398.

7. Priha O., Smolander A. Fumigation-extraction and substrate-induced respiration derived microbial biomass C, and respiration rate in limed soil of Scots pine sampling stands // Biology and Fertility of Soils. 1994. V. 17. N. 4. P. 301-308.

8. Sparling G.P., Williams B.L. Microbial biomass in organic soils: estimation of biomass C, and effect of glucose or cellulose amendments on the amounts of N and P released by fumigation // Soil Biology and Biochemistry. 1986. V. 18. N. 5. P. 507-513.

Приложение

Содержание микробиологических показателей (С_мик, мкг г^-1, БД, мкг СО₂-С г^-1 ч^-1, qCO₂, мкг СО₂-С мг^-1С_мик ч^-1) в чернозёме некосимой степи и пашни Курской области

Некосимая степь ( точка1)
слой	0-10	10-20	20-30	30-40	40-50
Смик	1487±159	1244± 46	555±51	686±30	536±15
БД	1.74±0.409	1.07±0.03	0.99±0.09	0.77±0.07	0.72±0.10
qCO2	1.17±0.30	0.86±0.04	1.79±0.23	1.12±0.11	1.35±0.19
Некосимая степь (точка 2)
слой	0-10	10-20	20-30	30-40	40-50
Смик	1230±109	1112±163	598±62	434±76	313±76
БД	1.43±0.16	1.25±0.04	0.85±0.085	0.65±0.10	0.54±0.03
qCO2	1.17±0.16	1.13±0.17	1.42±0.18	1.50±0.35	1.73±0.43
Некосимая степь (точка 3)
слой	0-10	10-20	20-30	30-40	40-50
Смик	1877±44	1112±60	693±18	535±22	347±10
БД	1.71±0.13	1.15±0.18	0.77±0.109	0.57±0.08	0.38±0.03
qCO2	0.91±0.08	1.03±0.17	1.10±0.16	1.07±0.15	1.09±0.11
Некосимая степь (среднее)
слой	0-10	10-20	20-30	30-40	40-50
Смик	1531±326	1156±76	615±71	552±127	399±120
БД	1.63±0.17	1.16±0.09	0.87±0.111	0.66±0.10	0.55±0.17
qCO2	1.08±0.15	1.007±0.14	1.44±0.35	1.23±0.24	1.39±0.32
Пашня (точка 1)
слой	0-10	10-20	20-30	30-40	40-50
Смик	582±102	793±55	472±18	346±15	155±23
БД	0.60±0.09	0.83±0.04	0.60±0.025	0.52±0.05	0.44±0.03
qCO2	1.00±0.19	1.04±0.09	1.27±0.07	1.50±0.15	2.85±0.48
Пашня (точка 2)
слой	0-10	10-20	20-30	30-40	40-50
Смик	408±48	490±40	318±87	219±10	181±9
БД	0.79±0.085	0.56±0.08	0.42±0.02	0.43±0.03	0.49±0.02
qCO2	1.93±0.19	1.14±0.19	1.31±0.36	1.97±0.16	2.71±0.16
Пашня (точка 3)
слой	0-10	10-20	20-30	30-40	40-50
Смик	873±47	816±55	516±81	252±49	356±31
БД	0.78±0.118	0.60±0.08	0.40±0.60	0.25±0.07	0.37±0.09
qCO2	0.89±0.14	0.74±0.11	0.77±0.16	0.97±0.34	1.04±0.27
Пашня (среднее)
слой	0-10	10-20	20-30	30-40	40-50
Смик	621±235	700±182	435±104	272±66	231±109
БД	0.72±0.42	0.66±0.15	0.47±0.11	0.40±0.14	0.43±0.06
qCO2	1.27±0.57	0.97±0.21	1.12±0.30	1.48±0.50	2.20±1.01

Размещено на Allbest.ru