Содержание к диссертации
Введение
Обзор литературы 7-46
1.1. Устойчивость микробных сообществ почв к антропогенным воздействиям 7-10
1.2. Влияние удобрений и известкования на физико-химические свойства почв 11-13
1.3. Реакция микробного сообщества почвы на применение удобрений и извести 14-20
1.3.1. Влияние интенсификации сельского хозяйства на микробную биомассу 21-25
1.3.2. Влияние минеральных удобрений и известкования на численность почвенных микроорганизмов 26-31
1.3.3. Влияние минеральных удобрений на состав и структуру микробных сообществ 32-38
1.4. Роль почвенных микроорганизмов в возникновении токсикоза почв в агроценозах 39-42
1.5. Микробиологические свойства ранее длительно удобряемых почв 43-46
Объекты и методы исследования 47-55
2.1. Объекты исследования 47
2.2. Методы исследования 48-55
Результаты и обсуждение 56-93
3.1. Агрохимическая характеристика вариантов длительного стационарного полевого опыта по изучению влияния и последействия минеральных удобрений и извести на свойства дерново-подзолистой почвы
3.2. Микробиологическая характеристика дерново-подзолистой почвы после прекращения применения минеральных удобрений
3.2.1, Численность микроорганизмов и запасы микробной биомассы в дерново-подзолистой почве 58-65
3.2.2. Активность (базального) дыхания дерново-подзолистой почвы 66-67
Потенциальная активность азотфиксации и денитрификации в дерново-подзолистой почве 68-70
Разнообразие и структура комплексов микроскопических грибов дерново-подзолистой почвы 71-78
Инициированное амилолитическое микробное сообщество дерново-подзолистых почв 79-83
Устойчивость микробной системы дерново-подзолистой почвы к воздействию минеральных удобрений 84-85
Функциональное разнообразие микробных сообществ дерново-подзолистых почв 86-87
Заключение 88-93
Выводы 94-95
Список литературы 96-117
Приложение
- Устойчивость микробных сообществ почв к антропогенным воздействиям
- Влияние минеральных удобрений и известкования на численность почвенных микроорганизмов
- Численность микроорганизмов и запасы микробной биомассы в дерново-подзолистой почве
- Разнообразие и структура комплексов микроскопических грибов дерново-подзолистой почвы
Введение к работе
Сохранение плодородия и высокой продуктивности культур возможно за счет способности агроэкосистем, обусловленной, главным образом, деятельностью человека, поддерживать оптимальные значения своих параметров (Реймерс, 1994; Соколов, Семенов, 1998). Одним из главных факторов воздействия на почвы агроэкосистем является широкомасштабное применение минеральных удобрений и известкования, которые оказывают существенное влияние на активность, состав и структуру комплекса почвенных микроорганизмов (Микроорганизмы...,1989; Матаруева, 1998; Amebrant, 1994; Donrrison et al., 2000b; Dilly, 2001 и др.). Поддержание жизнедеятельности микробиоты в определенных масштабах положительно отражается на продуктивности почвы. Вместе с тем, длительное применение высоких доз удобрений не всегда дает ожидаемую прибавку урожая. Двойственная природа действия минеральных удобрений заключается в том, что, снабжая растения питательными веществами, удобрения обеспечивают повышение урожая; в то же время, постепенно ухудшая агрохимические и биологические свойства почвы, они в перспективе могут понижать ее плодородие (Авдонин, Лебедева, 1970; Мирчинк, 1988; Минеев, 2000; Prasad et al., 1995). Длительное применение минеральных удобрений существенно влияют на состав, структуру комплекса почвенных микроскопических грибов, что часто сопровождается увеличением содержания токсинообразующих видов (Марфенина, Бондаренко, 1983; Мирчинк, 1988). Падение продуктивности культур указывает на потерю стабильности агроэкосистемы. Это конечная стадия отклика на имеющиеся возмущения, которым предшествуют изменения других параметров, в первую очередь, физико-химических и биологических свойств почв. Поэтому необходим мониторинг за состоянием почвы и разработка критериев оценки состояния микробного комплекса и его способности к самовосстановлению после прекращения использования минеральных удобрений.
Решение этих экологических проблем возможно лишь с помощью научно-обоснованных подходов, позволяющих отразить состояние почвы. В качестве оценки состояния почв при применении минеральных удобрений широко используются показатели биологической активности, такие как: скорость базального дыхания (basal) (Insam et al., 1989), субстрат-индуцированного дыхания (SIR), величина метаболического коэффициента (qC02), (Wardle, Parkinson, 1990; Insam et al., 1991), активность процессов азотного цикла. Кроме того, важнейшим показателем оценки состояния почв, определяющим интенсивность круговорота веществ в экосистеме, направление почвообразовательного процесса и способность почв к самоочищению, является величина биомассы микроорганизмов, а также соотношение грибов и бактерий в структуре биомассы (Ананьева и др., 1994; Паринкина, Клюева, 1995; Bardgett, McAHster, 1999; Dilly et al., 2001). Исследование структуры комплекса почвенных микроорганизмов и ее изменение при различных антропогенных воздействиях важно, как с точки зрения возможности микробной диагностики почвы и изучения микробного разнообразия, так и с точки зрения контроля за их развитием в почве. Однако, до настоящего времени отсутствует системный подход к использованию этих параметров при мониторинге состояния микробного сообщества почв после прекращения длительного применения минеральных удобрений.
Настоящее исследование представляет собой очередной этап работ по изучению влияния минеральных удобрений на свойства почв, проводимых на кафедре агрохимии (Авдонин, Минеев, Гомонова) и биологии почв в 50-80 годы (Мирчинк, Степанова, Марфенина, Кураков, Гузев и др.). Результаты этих исследований были использованы при мониторинге состояния микробного сообщества почв после прекращения длительного применения минеральных удобрений.
Целью работы было определение структурно-функциональных параметров микробного комплекса дерново-подзолистых почв через 8-Ю лет после прекращения длительного применения минеральных удобрений.
Задачи исследования:
Определить запасы микробной биомассы (грибной, бактериальной), интенсивность базального дыхания, потенциальную активность азотфиксации и денитрификации в дерново-подзолистой почве через 10 лет после прекращения применения минеральных удобрений и извести.
Охарактеризовать изменения видовой структуры комплекса микроскопических грибов и амилолитического микробного сообщества в почве за прошедший период.
Изучить функциональное разнообразие микробных комплексов контрольной и удобряемой ранее дерново-подзолистой почвы.
Оценить изменения устойчивости микробного комплекса дерново-подзолистой почвы к минеральным удобрениям после 10-летнего периода прекращения их применения.
Научная новизна. Впервые показано, что для оценки восстановления микробного комплекса удобряемых почв необходим комплексный подход, который, помимо таких интегральных показателей как дыхание, запасы микробной биомассы, должен включать структурно-функциональный анализ сообществ микроорганизмов, определение активности процессов азотного цикла и устойчивости микробного комплекса к дополнительному внесению минеральных удобрений.
Установлено, что через 10 лет после прекращения длительного (40 лет) применения различных сочетаний минеральных удобрений в дерново-подзолистых почвах (внутри фонов) произошло нивелирование различий по бактериальной биомассе, потенциальной активности азотфиксации и денитрификации. Известкованные варианты по своим микробиологическим свойствам оказались наиболее стабильными и сохранили значения биологических показателей на прежнем более высоком уровне. В удобряемых ранее почвах, снизилась доля токсинообразуюшдх видов. Анализ спектра потребляемых субстратов микробными сообществами почв свидетельствует о существенных изменениях исходной функциональной целостности системы и незавершенности ее восстановления за прошедший 10-летний период.
Таким образом, прекращение применения удобрений инициирует процесс восстановления биологических свойств почв, что проявляется в нивелировании различий в структуре и составе микробных сообществ удобряемых ранее и контрольных почв, возрастании устойчивости к дополнительному внесению минеральных удобрений, снижении степени микробной токсичности почв. Период в 10 лет недостаточен для самовосстановления удобряемых дерново-подзолистых почв.
Практическая значимость. Полученные материалы дают представление о микробиологическом состоянии дерново-подзолистых почв ранее длительно удобряемых и выведенных из интенсивного сельскохозяйственного использования. Эту информацию необходимо использовать при разработке экологически обоснованных норм применения удобрений на этих почвах. Подходы к изучению агроэкосистем, апробированные в работе, могут быть рекомендованы при проведении экологического мониторинга почв агроэкосистем. Наиболее информативным является комплексный подход, включающий определение биоразнообразия и биологической активности.
Автор выражает глубокую признательность заведующему кафедрой агрохимии д.с.н., академику РАСХН В.Г. Минееву, д.б.н. А.В. Куракову, к.б.н. М.В. Горленко, к.б.н. Н.В. Костиной, к.б.н. Т.Г. Добровольской, д.б.н. О.Е. Марфениной, к.б.н. А.Е. Ивановой, к.б.н. сотруднику кафедры агрохимии факультета почвоведения МГУ Н.Ф. Гомоновой. за постоянное внимание, ценные консультации и помощь в работе. Автор выражает глубочайшую признательность к.б.н. М.Х. Оразовой и всему коллективу кафедры биологии почв за сотрудничество и поддержку.
Устойчивость микробных сообществ почв к антропогенным воздействиям
В современной почвенной литературе применяется большое разнообразие терминов, в той или иной степени определяющих понятие устойчивости почв к внешнему - антропогенному воздействию. В русскоязычной литературе одним из наиболее используемых является понятие буферности, которое употребляют как синоним устойчивости. В иностранной литературе наряду с термином «буферность», наиболее широко употребимыми являются понятия vulnerability, sensitivity, susceptibility, характеризующие неустойчивость почвы, и stability, характеризующие ее устойчивость.
Понятие устойчивости включает в себя два аспекта: первый - это способность сопротивляться воздействию внешнего фактора (резистентность, инерция) или сохранять неизменным свое состояние в течение некоторого определенного времени воздействия (упругость, инвариантность и соответствует понятию буферности), второй - это способность восстанавливать структуру и функции после их нарушения под воздействием внешних факторов (Добровольский, 1998).
Устойчивая система возвращается после возмущения в исходное состояние и теряет эту способность, если вынужденно или в ходе саморазвития проходит критическую точку (Арманд, 1983). Существует мнение, что природные системы имеют не одно, а несколько устойчивых состояний, в которые они могут переходить при том или ином воздействии (Марфенин, 1990; Тишков, 1989; Смагин, 1994, 1999). Под устойчивостью агроэкосистем понимается способность систем сохранять и поддерживать значение своих параметров, структуры и функциональные особенности при воздействии внешних факторов (Реймерс, 1990; Соколов, Семенов, 1998).
Устойчивость экосистемы следует рассматривать к конкретному воздействию, а не говорить об устойчивости вообще. В зависимости от характера воздействия одна и та же система может быть устойчивой, менее устойчивой и неустойчивой (Мингазова, 1999). Изучение характера влияния минеральных удобрений на состав и функционирование комплекса почвенных микроорганизмов вскрывает механизм воздействия удобрений на микробные сообщества, дает представление об их устойчивости и проявлении микробного токсикоза почвы.
Современные агроэкосистемы испытывают мощную антропогенную нагрузку, обусловленную внесением агрохимикатов. Известно, что использование почв в сельскохозяйственной практике часто приводит к ухудшению их плодородия и снижению устойчивости этих почв к различным антропогенным воздействиям (Помазкина и др., 2004; Prasad et al., 1995). Концепция полифункционапьности агрохимикатов (комплексов макро- и микроудобрений) позволяет значительно уменьшить количество вносимых удобрений. Но их использование также требует разработки экологически обоснованных норм применения удобрений. В последние годы большой интерес представляет собой изучение агротехнических стратегий повышения устойчивости агроэкосистем в процессе саморегуляции (Bardgett, McAHster, 1999). Основательные исследования требуются по выяснению роли почвенных микроорганизмов и высокомолекулярных соединений почв как фактора устойчивости почвы и экосистем. Ощущается потребность в разработке прогностических моделей почвенных режимов и трансформации биофильных элементов при длительной сельскохозяйственной практике (Кефели и др., 1995).
Нарушение функций микробных сообществ проявляется в изменении интенсивности проводимых ими процессов (трансформации органических веществ, соединений азота, ряда минеральных элементов и т.д.). Для оценки устойчивости микробных сообществ почв к антропогенным воздействиям, в частности, сельскохозяйственному использованию и внесению удобрений используют различные показатели. Для оценки изменения почвенного плодородия предложено использовать биологический индекс, который представляет собой сумму функций ферментативной активности почвы, содержания органического вещества и поглотительной способности почв (Myskow et al., 1994). В качестве показателей устойчивости, аналогично, как и для водных экосистем, можно предложить отклонения минимальной биомассы за год, индексы, характеризующие структуру сообществ (видовое разнообразие сообществ, состав доминантов). Невысокие пространственная изменчивость, зависимость от температуры, влажности и высокая чувствительность к воздействиям на почву дают основание использовать величину метаболического коэффициента как критерий устойчивости почвенных микробных сообществ и соответственно устойчивости почв (Ананьева, 2003; Anderson, Domsch,1990; Wolters, 1991). Метаболический коэффициент может также служить показателем развития почв и индикатором этапов экологической сукцессии (Wardle, Parkinson, 1990; Insam et ai., 1991). Однако, использование только лишь одной из возможных характеристик, например, метаболического коэффициента или активной микробной биомассы представляется неполноценной оценкой (Благодатская и др., 1995, 2001; Zelles et al., 1994). Необходимо проведение комплексных исследований, позволяющих более обоснованно судить о состоянии микробного сообщества. Для этого предлагается применение сияэкологических подходов для анализа структуры микробных сообществ почв (Звягинцев и др., 2002). Изучение устойчивости почв и почвенных микроорганизмов к воздействию минеральных удобрений на основе способов оценки изменчивости почв с помощью инициированного микробного сообщества (ИМС) показало, что устойчивость микробной системы определяется типом почвы, степенью ее окультуренности и видом удобрения (Гузев и др., 1980b, 1981; Кураков, 1983; Кураков и др., 1983; Мирчинк, 1988).
Большая устойчивость микробной экосистемы проявляется и в том, что изменения общей микробной биомассы связаны не с ростом и развитием копиотрофов, а с медленно развивающимися организмами (целлюлозолитики), использующими вещества из рассеянного состояния (олиготрофы) (Кутузова и др., 2001). Показано, что предшествующее применение удобрений, только органических или органических совместно с минеральными, в дальнейшем при однотипных воздействиях на почву приводит к иному проявлению почвенно-микробиологических процессов в сравнении с использованием только минеральных. Устойчивость почвенных микроорганизмов к иссушению или переувлажнению определяется их метаболической активностью, которая зависит от физиологического состояния организмов и их состава (Vandestel et al., 1993).
В качестве организующих структурных единиц микробной экосистемы рассматриваются физиологические группы, что позволяет вести изучение микробных экосистем на функциональном уровне. Метод «Biolog» для определения физиологического профиля бактериального сообщества был менее чувствителен, чем анализ состава жирных кислот фосфолипидов (Pennanen, 1999).
Изменение рН почвы при техногенных воздействиях может существенно изменить структуру микробного сообщества и совсем не влиять или вызывать незначительные изменения биомассы и скорости минерализации органического вещества. Устойчивость микробного сообщества к изменениям рН связана с изменением его структуры при техногенных воздействиях. В загрязненных почвах вырисовывается такая специфическая черта, как смена доминантов (Мирчинк, 1988; Марфенина, 1999). Структурные изменения затрагивают, прежде всего, системы со слабыми взаимодействиями (сообщества, популяции, виды), а функциональные и организационные изменения присущи всей экосистеме.
Влияние минеральных удобрений и известкования на численность почвенных микроорганизмов
Внесение в почву минеральных удобрений значительно изменяет условия существования почвенных микроорганизмов, оказывая влияние на их численность и видовой состав. Механизм действия минеральных удобрений на микрофлору почв очень многогранен и может проявляться, например, через изменение концентрации и состава почвенного раствора, рН почвы, ее физических свойств и т.п., а также посредством влияния корневых выделений высших растений на почвенные микроорганизмы (Frostegard et al., 1993; Fettell et al., 1995; Bardgett et al., 1999b). Однако, следует учитывать и воздействие других факторов: типа удобряемых почв, формы вносимых удобрений, характера сельскохозяйственных культур и т.д. (Wardle et al., 1993b; Ladd et al, 1994; Bardgett et al., 1995; Paul et al., 2001).
Некоторые авторы считают, что обычно общая численность почвенных микроорганизмов и их активность после удобрения почвы возрастают (Степанова, 1963; Мишустин, 1983; Марфенина, 1976; Дульгеров и др., 1982; Гордеева, Новоселов, 1998; Матаруева, 1998; Dilly, 2001). Так, в самых различных удобренных почвах наблюдается увеличение количества бактерий разных физиологических групп: целлюлозоразлагающих форм, аммонифицирующих форм, нитрифицирующих и азотфиксирующих, а также актиномицетов, (Касимова, 1972; Карягина, Воробьева, 1980; Марченко, 1980; Аксель и др., 1986; Павлюкова, Кучма, 1992; Myskow et al., 1994; Biederbeck et al., 1996; Brodie et al., 2002). Обычно несколько увеличивается численность почвенных микромицетов (Мишустин, 1972; Paiikhurst et al., 1995; Biederbeck et al., 1996; Miah et al., 2000). Рост количества микроорганизмов при использовании минеральных удобрений, как правило, связывают с обогащением удобряемых почв элементами минерального питания, увеличением объема корневых выделений растениями и изменением кислотности почвы (Мишустин, 1972). Иногда в ряде случаев это увеличение невелико или вовсе отсутствует (Минеев и др., 1999а; Kaufman, Williams, 1964, 1965; Kernaghan et al, 1995; Lovell et al., 1995; Eom et al, 1999).
Тенденция к возрастанию численности микроорганизмов чаще всего проявляется при внесении полного минерального удобрения и отмечается для различных типов почв: дерново-подзолистых, черноземов, каштановых, красноземов, коричнево-лесных (Марфенина и др., 1980; Дульгеров и др., 1982). Снижение общей численности микроорганизмов часто происходит лишь в результате длительного использования минеральных удобрений (Bardgett et al,, 1999b). Во все сроки анализов общее количество жирных кислот фосфолипидов (PLFA) было выше в неудобряемых вариантах и ниже в удобряемых (Bardgett et al., 1993). Так длительное применение азотных удобрений снижает численность бактерий в 4 раза, при этом на численность грибов минеральный азот не оказывает существенного влияния (Lovell et al., 1995). Внесение NPK в дерново-подзолистую почву полевого опыта по длительному внесению минеральных удобрений вызывает интенсивное развитие всех компонентов микробного сообщества в почве. Это свидетельствует о том, что полное минеральное удобрение по сравнению, например, с сочетанием NP и NK, представляет собой большую нагрузку для почвенного микробного сообщества, вызывая мобилизацию ее компонентов - бактерий, грибов, актиномицетов (Скворцова, Гомонова, 1990). Павленко (1982) сообщает, что однократная доза N]04oP25oKi77o оказывает ингибирующее влияние на микроорганизмы дерново-слаб оподзолистой почвы в течение 6 лет. Внесение средних ежегодных доз минеральных удобрений в длительном опыте на Долгопрудненской агрохимической опытной станции на дерново-подзолистой почве снизило численность аммонифицирующих и денитрифицирующих бактерий. Одновременно количество грибов повысилось более чем в 3 раза по сравнению с неудобренной почвой (Минеев, Ремпе, 1990).
Такие же изменения наблюдают и при систематическом внесении минеральных удобрений в дерново-подзолистые почвы, если их агрохимические свойства не ухудшаются. Ежегодное внесение с 1912 г. удобрений в виде NPK на полях Сельскохозяйственной академии им. К.А. Тимирязева в парующую почву заметно увеличило ее биогенность, но не оказало существенного влияния на общую численность микроорганизмов под бессменной рожью. Однако, в обоих случаях наблюдали снижение относительного содержания актиномицетов и увеличение содержания грибов, связанное с некоторым снижением рН почвы (Мишустин, 1972). Позднее Зеновой и Звягинцевым (1998) было показано, что длительное применение минеральных удобрений не оказывает существенного влияния на численность актиномицетов. Различия во всех перечисленных случаях остаются недостоверными. Наибольший положительный эффект на численность грибов вызывает внесение полного минерального удобрения. Так, например, на окультуренных почвах Агрономической станции в Гриньоне (Франция) число выделяемых почвенных микромицетов возрастало в зависимости от удобрений в следующей последовательности: контроль (без удобрения с 1902 г.), NK (на 15%), РК (на 36%), NP (на 66%), NPK (на 88%) (Guillemat, Montegut, I960).
Из простых минеральных удобрений сильнее всего воздействует на численность микроорганизмов в почве минеральный азот (Мишустин, 1972; Марфенина и др., 1980; Мирчинк, 1988; Kaufman, Williams, 1964; Saric, 1973; Lovell et al., 1995). Это в определенной степени может быть связано со значительными изменениями кислотности почвы. Длительное применение физиологически кислого удобрения - сульфата аммония (NI-I4)2S04 привело к увеличению численности выделяемых почвенных грибов (Alexander, 1977; Miab. et al., 2000). Изучение влияния доз азотных удобрений на ризоценоз озимой ржи в лабораторных условиях показал, увеличение численности микроорганизмов при дозе 30-120 кг/га. Численность аммонификаторов, олиготрофов, актиномицетов и грибов увеличивалась при дозе до120 кг/га, нитрификаторов возрастала при дозе до 150 кг/га, азотобактера - 90 кг/га. При дозе 180 кг/га для большинства микроорганизмов и при 90 кг/га для азотобактера численность падала до уровня контроля (Гордеева, Новоселов, 1998). В. Райе с сотрудниками (Rice et al., 1967) показали, что действие различных доз удобрений на развитие бактерий рода Clostridium в почве модифицируется высшими растениями. Авторы, изучая влияние аммиачной селитры, показали, что внесение ее под пшеницу увеличило количество клеток клостридий в 3 раза, а по пару -уменьшило в 2 раза. При внесении в чернозем минерального азота в форме мочевины и гидроксида аммония в дозе 180 кг/га отмечался длительный эффект минеральных удобрений на свойства почвы. На численность актиномицетов гидроксид аммония в меньшей степени оказывал влияние, чем мочевина. Количество нитрификаторов увеличивалось при низких дозах минерального азота. Однако не было отмечено существенного его влияния на численность денитрификаторов, дрожжей и грибов. Авторы отмечают, что внесение минерального азота в дозе до 90 кг/га в пересчете на действующее вещество будет оказывать минимальное воздействие на биологические свойства черноземов (Biederbeck et al., 1996).
Численность микроорганизмов и запасы микробной биомассы в дерново-подзолистой почве
Оценку запасов микробной биомассы, а также ее структуры проводили с использованием методов прямой люминесцентной микроскопии и субстрат-индуцированного дыхания с учетом временной (сезонной) изменчивости.
Общая численность бактерий в исследуемых вариантах опыта в разные сезоны колебалась в диапазоне от 0,5 до 6 млрд. клеток/г. Максимальной численности бактерии достигали в варианте известкованной почвы, получавшей ранее полное минеральное удобрение во все сроки исследования (рис. 2, I). Для оценки антропогенного воздействия (агроиспользование) на показатели применили дисперсионный анализ экспериментальных данных. Большое количество образцов позволяло составить полную схему трехфакторного анализа. Оценивали влияние на численность бактерий следующих факторов: «сезон отбора образцов», «последействие минеральных удобрений» и «извести». Сезонные колебания, а также последействие минеральных удобрений и известкования на распределение численности бактерий выражены слабо (достоверных различий не выявлено). Отмечено увеличение в 2-3 раза численности бактерий в летний период во всех исследуемых почвах опыта.
Длина грибного мицелия в исследуемых вариантах опыта колебалась в пределах 50 - 150 м/г. Максимальной длины мицелий грибов достигал в почвах, где применялось полное минеральное удобрение, а также в контрольной неизвесткованной почве (рис. 2, И). Колебания запасов мицелия грибов носили случайный характер и практически не зависели от времени взятия образцов. Достоверные различия были обнаружены между контрольной неизвесткованной почвой и ранее известкованными почвами контрольного варианта, а также с внесенным минеральным азотным удобрением (Критерий Фишера колебался 51,6- 67,7 при уровне значимости 0,01). Численность спор грибов не превышала 40 млн/г, минимальная их численность зарегистрирована в почвах неизвесткованного фона. Можно наблюдать тенденцию к увеличению спор грибов в 1,5-2 раза в известкованных почвах различных вариантов опыта во все сроки анализа (рис. 2, III). Таким образом, факторный анализ не выявил достоверной зависимости численности отдельных групп организмов исследуемых вариантов дерново-подзолистой почвы от рассмотренных выше факторов.
На основании численности микроорганизмов всех групп была рассчитана их биомасса. Показатели грибной биомассы, рассчитанные с учетом реально измеренных (приложение, табл. 2) и принятых величин (табл. 3) диаметров спор и мицелия грибов во всех вариантах дерново-подзолистой почвы, практически не различались. Однако, следует отметить, незначительное увеличение показателей биомассы при использовании в расчетах реалы-ю установленных размеров грибных структур за счет увеличения биомассы спор. Такие же закономерности были обнаружены при изучении биомассы грибов в различных типах почв для дерново-подзолистой почвы Полянской с соавторами (1995). Это позволило нам использовать в дальнейшем показатели биомассы, рассчитанные по величинам принятым в литературе.
Выявленные особенности исследуемых вариантов дерново подзолистой почвы по численности различных групп организмов свойственны и показателям запасов микробной биомассы, хотя при расчетах использовали реально установленные величины. Факторный анализ показал, что ни один из ранее использованных агротехнических приемов не оказал существенного влияние на микробную биомассу.
Существенных колебаний микробной биомассы в различных вариантах дерново-подзолистой почвы в течение вегетационного сезона не выявлено (табл. 3). Была установлена значимая разница в запасах микробной биомассы между контрольной неизвесткованной почвой и известкованными вариантами дерново-подзолистой почвы: неудобряемой и получавшей ранее минеральный азот (уровень значимости 0,01). Меньшая биомасса в известкованной почве обусловлена в большей степени снижением запасов мицелия грибов, чем повышением в этих почвах биомассы грибных спор и бактерий. Исключение составляла известкованная почва, где ранее применяли полное минеральное удобрение. В ней биомасса мицелия преобладала над биомассой спор, а биомасса бактерий была максимальна. Для мониторинга состояния микробного комплекса важно знание не только суммарной биомассы, но и ее биоморфологической структуры. Преобладающим компонентом микробной биомассы исследуемых почв являются грибы. Биомасса грибов в структуре общей микробной биомассы варьировала от 84% в известкованной почве с внесенным ранее полным минеральным удобрением до 95% в дерново-подзолистой почве с минеральным азотом (табл. 4). Во всех исследуемых почвах весьма велика доля грибных спор в общих запасах грибной биомассы (рис. 3). Известкование дерново-подзолистых почв привело к увеличению биомассы бактерий, а также изменило структуру грибной биомассы. Наблюдалось уменьшение биомассы грибного мицелия и увеличение доли биомассы спор. Это свидетельствует о том, что более половины (по биомассе) грибов находится в почвах агроэкосистем в покоящемся состоянии, т.е. функционально менее активны. Контроль N NPK
Доля растущего мицелия грибов (прижизненное окрашивание флюоресцеин диацетатом с последующей инкубацией) составляла 5-15% от полученного с калькофлюором и снижалась при известковании (Козлова и соавт., 2001).
Активность микробного сообщества, а также его компонентов, является важнейшим показателем его функционирования. Оценка биомассы методом субстрат-индуцированного дыхания показала, что в дерново-подзолистых пахотных почвах независимо от сезона и систем удобрений доминировали грибы, биомасса которых составляла 75% и 85% от общих запасов в известкованных и неизвесткованных вариантах опыта, соответственно (рис.4). Также, как и в случае с использованием люминесцентной микроскопии, факторный анализ показал, что все колебания биомассы носили случайный характер и практически не зависели от времени взятия образцов, проводимых ранее мелиоративных мероприятий и применения минеральных удобрений.
Разнообразие и структура комплексов микроскопических грибов дерново-подзолистой почвы
Изучение ранее структуры и состава инициированного амшголитического микробного сообщества вариантов опыта показало, что длительное внесение азотных, калийных и азотно-калийных удобрений по неизвесткованному фону привело к значительным негативным изменениям - повышению встречаемости и обилия фитотоксичных грибов РєпісіШит funiculosum, P. janthinellum, P. vermiculatum, P. purpurogenum (рис. 10). Полное минеральное удобрение, азотно-фосфорное и калийно-фосфорное воздействуют на состав и структуру микробных сообществ значительно слабее, но аналогичным образом. На этих вариантах в меньшей степени проявляется и микробный токсикоз. Длительное применение суперфосфата не изменило структуры микробного сообщества почвы.
Применение минеральных удобрений на неизвесткованной почве привело к серьезному снижению устойчивости ее микробной системы к данному антропогенному фактору, стрессовые изменения в структуре микробных сообществ и усиление токсичности наблюдали при внесении небольших количеств удобрений в эти почвы. Устойчивость микробного комплекса почв неизвесткованного фона вариантов с N, К, NK и NPK к действию удобрений снизилась до минимальных значений. Дополнительное внесение небольших доз удобрений сразу вызывает стрессовые изменения в структуре сообществ и усиливает микробную токсичность почв. Показано существование тесной корреляции между степенью микробной токсичности почвы и урожайностью сельскохозяйственных культур. На вариантах, получавших N, К и NK, урожаи всех культур севооборота были на 30-60% ниже, чем в контроле. При раздельном внесении простого суперфосфата, хлористого калия и аммиачной селитры произошло практически равное увеличении всех видов кислотности почвы и содержания подвижного марганца и алюминия, однако, на варианте с фосфором урожаи возделываемых культур на 30-50% выше, чем на вариантах с азотом и калием (Гомонова, 1981). Это обусловлено тем, что азот и калий вызывают микробный токсикоз почвы, а фосфор не оказывает такого негативного эффекта.
Известкование дерново-подзолистой почвы коренным образом меняло видовой состав, микробных сообществ: исчезают токсинобразующие пеиициллы и развиваются грибы Monilia geoph da, Mycogone nigra, Arthrobotrys oligospora, актиномицеты рода Streptomyces и бактерии рода Bacillus. Микробный токсикоз на известкованных почвах не проявлялся. Таким образом, минеральные удобрения и известь по-разному воздействуют на одни и те же микроорганизмы. Применение минеральных удобрений «смещает» микробное сообщество известкованной почвы по структуре и видовому составу к сообществу контрольной неизвесткованыой почвы. Мелиорирующее действие известкования проявляется и в повышении устойчивости микробной системы почв к применению высоких доз минеральных удобрений. Так, известкование почвы в данном полевом опыте по одной гидролитической кислотности увеличивает зону гомеостаза микробной системы с 300 до 500 кг/га, а микробный токсикоз проявляется при дозе 1500 кг/га NPK. Внесение извести в количествах, соответствующих 2-4 гидролитическим кислотностям, повышает устойчивость микробной системы дерново-подзолистой почвы к удобрениям в 2-3 раза и доводит до величин близких к чернозему - 4500 кг/га NPK (Кураков, 1983). Итак, необходимость периодического известкования дерново-подзолистых почв вызывается не только ухудшением агрохимических показателей, но и ее биологических свойств.
Прекращение использования минеральных удобрений в течение 10 лет не привело к полному нивелированию различий амилолитических микробных сообществ почв различных вариантов опыта (рис. 11). Наибольшая разница в составе и структуре инициированных микробных сообществ сохранилась между известкованными и неизвесткованными почвами. Состав и структура микробных сообществ почв вариантов с NPK, NP и КР стали сходными с контролем, но почвы с N, К и NK, по-прежнему, были во многом различны. В инициированном микробном сообществе неизвесткованной дерново-подзолистой почвы в контрольном варианте и удобрявшейся ранее Р, NP, КР и NPK доминировали: Penicillium janthinellum и часто встречались: Streptomyces секции Cinereus серии Achromogenes, Monilia geophila, Coniothyrium sp, Chaetomium sp, Mycogone nigra, Gliocladium catenulatum, Penicillium spp. В почвах, где ранее применяли азотные, калийные и азотно-калийные удобрения, инициированное микробное сообщесто представлено, как и ранее, токсичными грибами P. janthinellum и Talaromyces flavus, P. funiculosum, часто встречались: Gliocladium catenulatum, Penicillium spp. (рис. 11). Однако, заметно возросла степень сходства микробных сообществ этих вариантов опыта с контролем. В настоящее время различия в структуре микробных сообществ связаны с 3 доминирующими и часто встречающимися организмами, ранее затрагивали представленность 2-3 доминирующих и 3-4 часто встречающихся организмов. Произошло сближение по составу и структуре микробных сообществ удобряемых ранее известкованных почв и контрольной почвой. Так, не выявлено разницы в структуре микробных сообществ почв, на которых ранее применялось полное минеральное удобрение и контрольным известкованным вариантом. Полученные данные свидетельствуют о том, что после прекращения применения минеральных удобрений начался процесс восстановления структуры микробного комплекса, но 10-летний период недостаточен для его завершения.
Установлено снижение микробной токсичности почв за указанный период, но не полное ее устранение. После длительного применения минеральных удобрений ингибирование тест-растений микроорганизмами неизвесткованных почв вариантов с N, К и NK удобрениями превосходило 50 % по сравнению с контролем. В настоящее время на вариантах с N, К не превышает 25 % и на варианте с NK сохранилось на уровне 40 %.
Похожие диссертации на Микробиологический мониторинг состояния дерново-подзолистой почвы после прекращения применения минеральных удобрений
