Введение к работе
Актуальность работы. Микробное сообщество почвы - это динамичная, хорошо согласованная система со сложной пространственной и трофической организацией и разнообразными функциями, поддерживающими метаболическое равновесие в природе (Заварзин, 1970, Мишустин, 1972, Вернадский, 1977, Звягинцев, 1987, Clark, 1970 и др ) Изучение структуры микробных сообществ, механизмов взаимодействия между микроорганизмами и направлений сукцессионного развития, обеспечивающих устойчивое существование экосистемы в целом, - одна из важнейших задач экологии
Сукцессионная перестройка микробного населения в агроландшафтах связана, прежде всего, с агрогенной трансформацией почв, что в Сибири четко выявилось в период поднятия целины (Сидоренко, 1957, Наплекова, 1957, Клевенская, 1984, Артамонова, 2002) В последние десятилетия, когда под влиянием экономических причин часть пашни перевели в состояние самозарастающих залежей, в микробных сообществах восстанавливающейся почвы вновь начался процесс вторичной сукцессии Эти изменения практически не изучены Не выяснены особенности адаптации функциональных групп и видов микроорганизмов к новым условиям почвенной среды, специфика почвообразовательной деятельности и устойчивости к загрязнителям Не ясно, как долго в залежах сохраняется приобретенный за годы сельскохозяйственного использования потенциал патогенов Обратимы ли изменения в пищевых цепях, в которых типичные сапротрофы ненарушенных экосистем элиминировали, а факультативные сапрофиты стали доминантами7 Все эти вопросы требуют рассмотрения как в плане выяснения общих закономерностей в развитии микробных сообществ при воЬсЧанбвлении почв, так и в плане поиска особенностей сукцессии в конкретных почвенно-климатических зонах Интерес к подобным исследования^ возрастает в свете того, что в перспективе за-брошенные плодородные земли>\пр15дйфяара$тс.я вернуть в пахотный клин (Гамзиков, 2000)
Актуальной сегодня считается и экологическая оценка применяемых в растениеводстве пестицидов и удобрений Считают, что в ближайшие двадцать лет другой альтернативы для получения высоких урожаев не будет (Кирюшин, 2000) В этом случае задачей экологизации земледелия становится выяснение реальных издержек химизации растениеводства Их уровень в агросистемах можно определить, используя в качестве индикатора микробное сообщество почвы (Кураков, 1983, Круглов, 1997, Ананьева, 2003, Мар-фенина, 2005, Свистова, 2005) и оценивая зараженность урожая транзитной микофлорой почв, обладающей патогенными и токсичными свойствами
Цель работы — изучить структуру и экологические особенности микробных сообществ восстанавливающихся черноземов Западной Сибири, и оценить воздействие средств химизации на микрофлору агроэкосистем
Задачи исследований:
Выявить структурно-функциональные изменения, адаптации и динамику микрофлоры в ходе восстановления залежных черноземов в сравнении с освоенными и целинными почвами
Изучить видовой состав, биоэкологические особенности и направленность сукцессии сообществ микромицетов в черноземах разных биоклиматических зон
Определить особенности жизненных циклов почвенных микромицетов, потенциал численности фитопатогенов и определяющие его факторы в сериальных экосистемах
Дать сравнительную оценку действия удобрений, пестицидов и биологических препаратов на микробное сообщество почвы
Научная новизна. Впервые исследована биодинамика микробных сообществ залежей, находящихся на разной стадии самовосстановления Выявлены границы толерантности микробных систем черноземов к гидротермическим условиям Показано, что для освоенных почв они значительно расширены, в целинных черноземах сужены, и гомеостаз поддерживается за счет
повышенного пула микроорганизмов В восстанавливающихся черноземах границы толерантности основных эколого-трофических групп микроорганизмов постепенно приближаются к равновесному состоянию На основе количественных критериев микробного сообщества доказана направленность минерализационно-иммобилизационных процессов в залежах в сторону активной гумификации
Впервые проведена сравнительная оценка скорости сукцессионных перестроек микробных сообществ в черноземах разных биоклиматических зон Западной Сибири Повышенный адаптивный потенциал отмечен у микробных сообществ залежей юга
Уточнены видовой состав и зональное распределение почвенных микро-мицетов Впервые показано, что микоценозам черноземов Западной Сибири свойственна региональная эндемичность высокая насыщенность видами Penicilhum секции Asymmetrica Raper & Thorn, а также потенциально патогенными для человека и животных и фитотоксичными видами грибов Приоритетно выявлены особенности структуры сообществ микромицетов в агро-экосистемах, залежах разной степени восстановления и в целине, на основе чего индикатором климаксового состояния черноземов луговых экосистем Западной Сибири предложено считать появление грибов - доминантов с плотностью, формирующей более 50% обилия сообщества
В залежах обнаружено усиление прорастания спор микромицетов, скорости линейного роста мицелия и интенсивности его ветвления Выявлен достаточно большой запас спор возбудителя корневой гнили злаков, что провоцирует развитие болезни зерновых культур при распашке залежей
Оценены изменения в микробных сообществах пахотных почв при внесении удобрений в разных зонах региона Показано, что при улучшении питательного режима в почвах трансформируется преимущественно бактериальное сообщество, «буферность» которого повышается по мере продвижения к черноземам степной зоны Механизмом специфического регулирования
круговорота азота при этом является стабильность или снижение численности активных гидролитиков, актиномицетов Выявлен феномен усиления антагонистического потенциала почвы к возбудителю корневой гнили злаков и подавления его размножения на растениях при внесении в составе удобрений аммонийного азота
Впервые показано, что при протравливании семян системными химическими препаратами в ризосфере яровой пшеницы нивелируется угнетающее действие гербицидов по отношению к почвенным микроорганизмам
Практическая значимость и реализация результатов. Многолетние наблюдения за систематическим и физиологическим разнообразием микрофлоры и ее активностью в черноземах, отчужденных из сельскохозяйственного использования, характеризуют общую направленность сукцессионных изменений микробных сообществ при восстановлении залежей Отмеченные закономерности могут использоваться как информативные показатели при агроэкологическом мониторинге и оценке степени восстановления почвы
Большое значение для сохранения биоразнообразия, охраны природы и здоровья людей имеет оценка состояния микробных ценозов региональных почв и микофлоры колосьев при применении химических и биологических средств защиты растений Впервые привлечено внимание к косвенной экологической роли системных протравителей семян, выразившейся в снижении негативного влияния гербицидов на почвенную микрофлору Результаты исследований по влиянию пестицидов и удобрений на микробный ценоз почвы и популяцию В sorokimana вошли составной частью в методические рекомендации и нашли реализацию в земледелии Новосибирской и Кемеровской области
Материалы диссертации использованы при составлении учебных пособий «Экология для практических занятий в вузах» (1999), «Экология и охрана природы» (2000) и применяются в учебном процессе в курсах «Сельскохо-
зяйственная экология», «Экология» и «Химия окружающей среды» при подготовке специалистов-агроэкологов в НГАУ Основные защищаемые положения:
Микробное сообщество черноземов агроэкосистем характеризуется сниженным пулом аммонификаторов, повышенным развитием олигокарбофилов и глубокой минерализацией органического вещества В восстанавливающихся залежных черноземах минерализационно-иммобилизационные процессы сдвинуты в сторону активной гумификации
Оценочным показателем устойчивости черноземов к природным воздействиям может служить диапазон варьирования численности основных эколо-го-трофических групп микроорганизмов (пределы толерантности) При сук-цессионном приближении залежных почв к устойчивой экосистеме, целине, диапазон постепенно сужается
Видовой состав комплекса микромицетов в черноземах региона имеет черты эндемичности ему свойственна высокая насыщенность видами Рет-сііішт секции Asymmetrica Raper & Thom Показателями вторичной сукцессии в грибных сообществах являются биоразнообразие, структура доминирования, особенности развития микромицетов, устойчивость к гидротермическим колебаниям и воздействию пестицидов
Адаптация микробных сообществ почвы к сохранению функционального гомеостаза в ответ на внесение азотсодержащих удобрений состоит в сглаживании реакции бактериального комплекса за счет активных гидролитиков, актиномицетов
Пестицидная нагрузка на агроэкосистемы в виде современных протравителей семян трансформирует микробное сообщество почвы, повышая плотность антагонистической к фитопатогенам микрофлоры, и инициирует биологическую устойчивость почвы к последующим гербицидным нагрузкам
Апробация работы. Полученные материалы и основные положения диссертации представлялись и обсуждались на 10 международных, 4 всесо-
юзных, 8 всероссийских конгрессах и совещаниях, 13 региональных конференциях
Публикации результатов исследований. Основные положения диссертации опубликованы в 63 научных работах, в том числе 13 - в реферируемых журналах
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 302 страницах машинописного текста, состоит из введения, 6 глав, выводов, списка использованной литературы, включающего 497 наименований, в том числе 143 на иностранных языках Работа содержит 50 таблиц, 61 рисунок
