Почвоведение, 2021, № 2, стр. 232-239

ВВЕДЕНИЕ

Проблема рационального использования органического вещества (ОВ) приобрела большое научно-практическое значение в связи со значительными его потерями в пахотных почвах, как в нашей стране [2, 5], так и за рубежом [1, 9]. К числу основных факторов, контролирующих степень дегумификации почв, относят тип землепользования, структуру севооборотов, обработку почвы, системы удобрений и др.

Вопросы стабилизации ОВ в агроэкосистемах не могут быть решены без выявления роли микроорганизмов в формировании бездефицитного баланса. Результаты ранее выполненной оценки величины углерода микробной биомассы по вариантам варьируют от 1.50 до 3.24% от общих запасов почвенного ОВ дерново-подзолистой тяжелосуглинистой почвы [7]. Очевидно, это является причиной недостаточного внимания к важной роли почвенной микробиоты в динамике ОВ. Между тем для разработки мер, препятствующих развитию потерь ОВ, повсеместно проводятся исследования, направленные на выявление связей между динамикой ОВ почвы и другими микробиологическими показателями в разных почвенно-климатических зонах и типах почв [10–12, 14, 16].

Действие различных биологических факторов и агротехнических приемов на состояние ОВ и плодородие почвы становится очевидным по истечении десятков лет. Поэтому особую ценность представляют исследования, выполненные в длительных полевых стационарах, где на фоне изменения факторов окружающей среды действие изучаемого фактора накапливается во времени.

Цель работы – сравнительная оценка состояния почвенных микробных сообществ и ОВ, сформировавшихся за сорокалетний период при различных типах землепользования в тяжелосуглинистой дерново-подзолистой почве Предуралья.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ

Исследования выполнены в условиях длительного стационарного опыта, заложенного в 1977 г. на дерново-подзолистой тяжелосуглинистой почве (Eutric Albic Retisols (Abruptic, Loamic, Cutanic)). Варианты опыта: 1 – чистый пар бессменно; 2 – ячмень бессменно; 3 – озимая рожь бессменно; 4 – зерновой пятипольный севооборот (0% бобовых культур) (ячмень, рожь озимая, пшеница яровая, ячмень, овес); 5 – полевой семипольный севооборот (типичный, 28.6% бобовых культур) (унавоженный чистый пар, рожь озимая, пшеница яровая с подсевом клевера, клевер 1 года пользования (г. п.), клевер 2 г. п., ячмень, овес); 6 – полевой семипольный севооборот (42.9% бобовых культур) (сидеральный пар (клевер 1 г. п.), рожь озимая, пшеница яровая с подсевом клевера, клевер 1 г. п., клевер 2 г. п., ячмень, овес с подсевом клевера); 7 – залежь. Представленные варианты изучали без применения минеральных удобрений и при внесении удобрений в дозе N по 60, Р по 30 и К по 60 кг д. в./га. Минеральные удобрения вносили под зерновые культуры, на клевере изучали последействие. В опыте использовали аммиачную селитру или мочевину, хлористый калий, суперфосфат. В паровом поле типичного для Предуралья полевого севооборота вносили подстилочный навоз в дозе 40 т/га пашни.

На момент закладки опыта почва имела следующие агрохимические показатели: рН_KCl 5.2–5.3, гидролитическая кислотность 2.1–2.3 смоль (экв)/кг, сумма поглощенных оснований 14.0–15.5 смоль (экв)/кг, содержание органического углерода по Тюрину 1.10–1.12%, подвижного фосфора 225–240 мг/кг, подвижного калия 196–204 мг/кг (по Кирсанову). Почвенные образцы для исследований отбирали осенью 2018 г. с двух несмежных повторений в слое 0–20 см.

Для микробиологического анализа из каждого образца брали по две усредненных навески массой 1.0 г. Количество микроорганизмов определяли методом посева из разведений почвенных суспензий на мясо-пептонном (МПА), крахмало-аммиачном (КАА), почвенном (ПА) агаре. Количество колониеобразующих единиц различных групп микроорганизмов пересчитывали на 1 г воздушно-сухой почвы с учетом разведения суспензий в 10⁴ раз при посеве на МПА и КАА, в 10⁵ раз – при посеве на ПА. Для характеристики изменений в структуре почвенного микробного сообщества по вариантам рассчитывали коэффициент минерализации (КАА/МПА), отражающий интенсивность мобилизации азота, и коэффициент педотрофности (ПА/МПА), характеризующий развитие в почве автохтонной микрофлоры [6].

При выявлении структурных перестроек микробного сообщества в качестве модельной группы микроорганизмов использовали вырастающие на казеин-глицериновом (КГА) агаре актиномицеты, проводя дифференцированный учет колонии разных морфотипов. Для характеристики структуры комплексов определяли частоту встречаемости и долевое участие представителей отдельных секций и серий рода Streptomyces [1].

Морфологические признаки исследовали при помощи светового микроскопа Leica DM 2500 (Carl Zeiss, Германия). Принадлежность выделенных культур актиномицетов к роду Streptomyces определяли на основании характерных морфологических признаков: нефрагментированный мицелий, длинные цепочки спор – на воздушном и отсутствие спор – на субстратном мицелии.

Диагностические признаки природных изолятов стрептомицетов изучали на минеральном агаре 1, органическом агаре 11, глицерин-нитратной, овсяной и пептон-дрожжевой средах в соответствии с ключом Гаузе с соавт. [1].

Таксономическое положение выборочно отобранных штаммов (культуры с различными морфотипами колоний) определяли на основе анализа фрагментов 16S рРНК в НПК “Синтол” (г. Москва). Первичный сравнительный анализ полученных нуклеотидных последовательностей с последовательностями из базы данных GenBank проводили с помощью программы NCBI BLAST (http://www. n-cbi.nlm.nih.gov/blast). Парное выравнивание последовательностей осуществляли с помощью программы LALIGN (https://embnet.vital-it.ch/ software/LALIGN_form.html).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

За сорокалетний период использования дерново-подзолистой тяжелосуглинистой почвы в длительном полевом опыте выявлены существенные различия между вариантами с бессменными посевами зерновых культур, севооборотами с различным насыщением бобовыми травами, бессменным чистым паром и залежью. Так, залежная почва по агрохимическим характеристикам (по кислотности почвенного раствора, содержанию углерода и другим параметрам) стала соответствовать целинной [3]. В 2018 г. в ней отмечено характерное для дерново-подзолистых почв Предуралья содержание углерода – 1.36% (табл. 1). Наименьшие в опыте значения коэффициентов минерализации (0.37) и педотрофности (0.28), рассчитанные по данным учета численности прокариот, показывают, что в залежной почве процессы деструкции ОВ протекают гораздо медленнее, чем при других типах землепользования (табл. 2, рис. 1). Исходя из этих результатов, залежь можно охарактеризовать как климаксную экосистему, в которой процессы разложения и синтеза ОВ уравновешены и хорошо сбалансированы.

Рис. 1.

Коэффициенты минерализации (КАА/МПА) и педотрофности (ПА/МПА) по вариантам: 1 – чистый пар бессменно; 2, 8 – ячмень бессменно; 3, 9 – озимая рожь бессменно; 4, 10 – зерновой пятипольный севооборот (0% бобовых культур) (ячмень, рожь озимая, пшеница яровая, ячмень, овес); 5, 11 – полевой семипольный севооборот (типичный, 28.6% бобовых культур) (унавоженный чистый пар, рожь озимая, пшеница яровая с подсевом клевера, клевер 1 г. п., клевер 2 г. п., ячмень, овес); 6, 12 – полевой семипольный севооборот (42.9% бобовых культур) (сидеральный пар (клевер 1 г. п.), рожь озимая, пшеница яровая с подсевом клевера, клевер 1 г. п., клевер 2 г. п., ячмень, овес с подсевом клевера); 7 – залежь.

Минимальный уровень содержания углерода отмечен в бессменном чистом пару – 0.78%. Эта величина на 30% меньше, чем перед закладкой опыта. В условиях отсутствия растительности и связанного с ней поступления свежих растительных остатков, преобладали процессы разложения почвенного ОВ. Состояние микробной системы в длительно парующей почве типичное для поздних стадий микробных сукцессий: почти в два раза увеличилась численность бактерий, утилизирующих минеральные формы азота, возросло количество олиготрофных бактерий и актиномицетов, участвующих в разложении наиболее трудногидролизуемых органических соединений. По сравнению с залежью коэффициент минерализации в бессменном чистом пару выше в 5.3 раза, а коэффициент педотрофности – в 4.6 раза. Это свидетельствуют об интенсивных процессах разложения ОВ в пару. Уровень углерода, установившийся за 41 год в бессменном пару, условно принят за минимальное содержание углерода в дерново-подзолистой тяжелосуглинистой почве Предуралья [4].

Бессменное возделывание ячменя и озимой ржи без удобрений и при внесении N60P30K60 способствовало поддержанию агрохимических параметров почвы на уровне, близком к исходному. Пожнивные и корневые остатки, прижизненная корневая экссудация зерновых культур способствовали поддержанию численности микроорганизмов, участвующих в цикле углерода. Но почва в посевах зерновых культур, очевидно, вследствие дефицитного поступления азота, характеризовалась невысокими значениями коэффициентов минерализации (0.70–0.79) и близкими к единице индексами педотрофности (0.91–1.38).

В отличие от яровой культуры (ячменя), бессменное выращивание озимой ржи, даже без удобрений, привело к формированию в почве большего пула микроорганизмов. Вероятно, это связано с тем, что биомасса корневых и пожнивных остатков озимой культуры превосходит таковую для яровой культуры. На фоне внесения под озимую рожь минеральных удобрений коэффициенты минерализации (0.63) и педотрофности (0.89) имели более близкие значения, чем в вариантах без удобрений (0.79 и 1.38 соответственно), что говорит об оптимизирующем влиянии минеральных удобрений на процессы трансформации ОВ в посеве озимой ржи.

В севообороте без бобовых трав и минеральных удобрений коэффициенты минерализации и педотрофности по величине были сопоставимы со значениями в вариантах с посевами зерновых культур бессменно. На фоне NPK численность микроорганизмов, вырастающих на МПА и КАА, практически не изменилась, тогда как численность учтенных на ПА бактерий олиготрофного блока, довольствующихся незначительным количеством питательных веществ и завершающих сложный процесс разложения ОВ увеличилась в пределах порядка. В результате индекс педотрофности в этом варианте возрос до максимального в опыте значения – 2.03, а коэффициент минерализации составил 0.81.

Возделывание сельскохозяйственных культур в севообороте с долей бобовых 42.9% без внесения органических удобрений обеспечило стабилизацию исходного уровня ОВ в почве, не ухудшая ее другие агрохимические свойства. Бобовые травы в севообороте являются центрами формирования бобово-ризобиального комплекса, который обеспечивает биологическим азотом практически все микробное население почвы. Коэффициенты минерализации в почве севооборотов, включающих 42.9% бобовых (0.34 и 0.36), имели низкие значения, сопоставимые с коэффициентом минерализации залежной почвы (0.37), а в почве севооборотов с меньшим насыщением (28.6%) бобовыми травами увеличивались до 0.46 (при внесении навоза) и до 0.60 (при внесении навоза + NPK). Ведение традиционного севооборота с двумя полями клевера, применением органической и органо-минеральной систем удобрения привело к улучшению комплекса агрохимических параметров дерново-подзолистой почвы. Кислотность почвы изменилась от кислой (рН_KCl 4.8) до слабокислой (рН_KCl 5.3–5.4), содержание С_орг увеличилось от 1.10 до 1.47–1.56%, фосфора – до 537.5–732.5 мг/кг.

Приведенные результаты показывают, что стабилизация ОВ дерново-подзолистой почвы зависит от типа использования и снижается в ряду: залежь > > севообороты (0–28.6–42.9% бобовых) > бессменный посев зерновых > бессменный чистый пар. При сопоставлении полученных в опыте агрохимических данных с результатами микробиологических исследований обнаружена обратная зависимость между содержанием в почве C_орг и коэффициентами минерализации (r = –0.67; p < 0.01). Отрицательная корреляция выявлена также между соотношением гуминовых и фульвокислот (С_ГК/С_ФК) в составе ОВ почвы и коэффициентами ее педотрофности (r = –0.64; p < 0.02). Помимо количественных различий в бессменно парующей и возделываемых почвах произошли качественные изменения в составе ОВ: увеличилась его лабильность, о чем свидетельствуют меньшие (0.55–0.79), чем в залежной почве (0.96), соотношения С_ГК/С_ФК. Между показателями С_ГК/С_ФК и коэффициентами минерализации в почве длительного стационара установлена наиболее тесная отрицательная корреляция (r = –0.81; p < 0.001)_. Таким образом, по соотношению в почве микроорганизмов, вырастающих при посеве на средах с различными источниками азота – минеральными (КАА), органическими (МПА) и теми и другими одновременно, взятыми в минимальных концентрациях (ПА). Были рассчитаны экологические коэффициенты минерализации и педотрофности, величины которых тесно коррелируют с показателями гумусности почвы. Это не только позволяет судить о направленности микробных процессов трансформации ОВ дерново-подзолистой почвы за сорокалетний период ее различного использования, но и прогнозировать дальнейшую динамику содержания ОВ при различных типах землепользования.

Для выявления структурных перестроек микробного сообщества в результате различного использования дерново-подзолистой тяжелосуглинистой почвы в качестве модельной группы использовали актиномицеты – мицелиальные бактерии, которые играют ключевую роль в поддержании почвенного гомеостаза [15].

Дифференцированный учет в посевах на КГА колоний по морфотипам позволил установить, что во всех вариантах опыта на дерново-подзолистой почве преобладали колонии, микроскопия которых выявила типичные для рода Streptomyces морфологические признаки.

Выборочная идентификация выделенных штаммов, основанная на анализе фрагментов гена 16S рРНК, подтвердила, что изоляты с данным морфотипом являются представителями рода Streptomyces, семейства Streptomycetaceae, порядка Streptomycetales, класса Actinobacteria. В то же время видовая идентификация стрептомицетов, основанная на анализе гена 16s рРНК, была затруднена из-за высокого сходства нуклеотидных последовательностей данного гена для представителей всех таксонов внутри семейства Streptomycetaceae [8]. Действительно, все нуклеотидные фрагменты, выданные BLAST, для исследуемых штаммов более, чем на 98% соответствовали введенным последовательностям. В связи с этим помимо генетических данных в работе были изучены такие фенотипические признаки изолятов, как цвет воздушного и субстратного мицелия на диагностических средах. Это позволило в образцах почвы из различных вариантов опыта определить частоту встречаемости и долевое участие представителей отдельных цветовых секций и серий.

Анализ структуры комплексов актиномицетов в почвах сравниваемых вариантов показал, что залежную и бессменно парующую почву от других отличает узкий спектр выделяемых таксонов. С высокой частотой встречались виды серии Clnereus Achromogenes и секции Imperfectus, доминирующие в большинстве и других вариантов опыта. В парующей почве отмечены случайные представители Clnereus Violaceus и секции Albus (рис. 2). В бессменных посевах ячменя и озимой ржи видовой спектр актиномицетов расширился за счет видов из секций и серий Clnereus Chromogenes, Clnereus Aureus, Albus, выявляемых в различных соотношениях в зависимости от вида культуры (яровая или озимая) и внесения NPK. Сходный видовой состав имели комплексы актиномицетов в вариантах с севооборотами без включения бобовых трав, отличаясь лишь более значительной долей участия пигментированных видов серии Clnereus Chromogenes.

Рис. 2.

Долевое участие (%) в комплексах актиномицетов дерново-подзолистой почвы при разных способах ее использования видов: 1 – Clnereus Achromogenes, 2 – Clnoreus Chromogenes, 3 – Clnereus Aureus, 4 – Clnereus Violaceus, 5 – Albus, 6 – Helvolus, 7 – Imperfectus.

Насыщение севооборота на 28.6% бобовыми травами, при одновременном внесении в почву навоза отдельно и в сочетании с NPK, привело к формированию актиномицетных комплексов, в структуре которых все выявляемые секции и серии были представлены относительно равномерно, без выделения явных доминантов. Актиномицетный комплекс в почве севооборота с увеличенной до 42.9% долей бобовых трав, напротив, характеризовался сильной концентрацией доминирования. В его структуре на долю видов секции Imperfectus приходилось более 80% всего актиномицетного разнообразия. Внесение NPK в этом же варианте расширило видовой состав от двух до четырех различных секций и серий, при этом в комплексе произошла элиминация представителей секции Imperfectus. Таким образом, различный характер использования дерново-подзолистой почвы нашел отражение в специфической структуре комплекса почвенных актиномицетов по вариантам длительного полевого стационара.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Различным типам землепользования соответствуют различные структуры сообществ почвенных микроорганизмов. Бессменные посевы зерновых культур, севообороты с различным насыщением бобовыми травами, бессменные чистый пар и залежь, внесение минеральных удобрений и навоза сопровождались структурными перестройками в комплексе мицелиальных прокариот, заключавшимися в изменении количества выявляемых секций и серий рода Streptomyces, частоте встречаемости отдельных представителей, их долевого участия в комплексе, состава доминантов. Главным фактором, ответственным за выявленные различия в структуре микробных комплексов, является, по-видимому, содержание органического углерода в почве и его качество. Механическая обработка почвы сама по себе и возделывание на ней сельскохозяйственных культур ведут к повышению интенсивности микробных процессов трансформации ОВ, что выразилось в увеличении коэффициентов минерализации и педотрофности почвы. Отказ от земледелия (залежь) привел к сдвигу в структуре микробного сообщества, первичным эффектом которого явилось снижение коэффициентов минерализации и педотрофности. Изменения структуры комплексов актиномицетов, взятых в качестве модельной группы почвенных микроорганизмов, согласуются с показателями численности других почвенных микроорганизмов, учитываемых на традиционных средах, и величинами коэффициентов минерализации и педотрофности по вариантам опыта.