Результаты поиска микробиологических показателей оценки состояния агрогенно преобразованных почв (на примере лесных питомников Средней Сибири)

УДК 630.232.32 Н.В. Фомина

РЕЗУЛЬТАТЫ ПОИСКА МИКРОБИОЛОГИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ОЦЕНКИ СОСТОЯНИЯ АГРОГЕННО ПРЕОБРАЗОВАННЫХ ПОЧВ

В статье приведены результаты поиска микробиологических показателей оценки агрогенно преобразованных почв, ярким примером которых являются почвы лесопитомников. Определено, что численность, биомасса, соотношение эколого-трофических групп микроорганизмов, коэффициент минерализации, базальное дыхание, метаболический коэффициент могут служить «инструментом'» ранней диагностики состояния почв лесных питомников с целью их пригодности для эффективного выращивания лесопосадочного материала.

Введение. Интегральное изучение почв лесных питомников, как функциональной системы, зависящей от многих параметров с агрономических, микробиологических и биохимических позиций, позволяет оценить агроэкологическое состояние почвы в различных биоклиматических условиях и определить способы ее улучшения. Основная роль в биологическом мониторинге или при проведении любой оценки почв, будь то техногенное или агрогенное воздействие, принадлежит микроорганизмам. За счет высокой скорости роста и размножения микромицетов и бактерий в короткий срок можно проследить за действием любого экологического фактора на протяжении сотен поколений. На биоценотическом уровне реакции микрофлоры выражаются в изменении их количественного и качественного состава. Определение видового разнообразия (богатство числа видов и равномерность их распределения) или групп микроорганизмов можно назвать мерой устойчивости исследуемой почвенной экосистемы: чем больше видовое разнообразие, тем выше устойчивость экосистемы [3].

Отдельные виды микробных сообществ или природные закономерности их сочетания могут рассматриваться как индикаторы состояния окружающей природной среды. На популяционном уровне реакции микроорганизмов выражаются в изменении кинетики роста и развития в зависимости от определенных условий [5-8].

Объекты и методы исследований. В качестве примера для выявления адекватных оценочных микробиологических показателей изучались почвы двух лесопитомников, расположенных в различных биоклиматических условиях Средней Сибири, различающихся как по типу почвообразовательных процессов, так и по агрохимическим приемам обработки почвы. Исследования проводились с 2003 по 2006 г.

Ермаковский лесопитомник - располагается в краевой части Минусинской впадины; тип почвы агрочернозем глинисто-иллювиальный оподзоленный бескарбонатный, легкоглинистый - на древнеаллювиальных, песчаных отложениях. Освоен данный питомник в 1960 году. Общая площадь составляет 120 га, из них ежегодно засевается 30 га. Выход посадочного материала при этом составляет 1,5-2,0 млн шт. На территории питомника выращиваются сеянцы сосны, ели, лиственницы и кедра. Поля с посевами Pinus sylvestris L. и Picea obovata L. в течение всего периода исследования обрабатывались гербицидами раундап 200-300 г/га, фунгицидами байлетон 0,2%-м раствором 2-3 раза в год, кроме посевов Pinus sibirica Du Tour. Один раз в год с дезинфицирующей целью опрыскивали посевы 0,5%-м раствором KMnO4. Севообороты построены на многолетних травах и по чистому пару.

Мининский лесопитомник - лесорастительная зона травяных лесов с островами лесостепи, представленной чередованием лугово-степных, луговых и лесных формаций, по орографическому районированию относится к области Чулымо-Енисейской пластовой денудационной равнины. Тип почвы агротемно-серая тяжелосуглинистая почва, разной степени оподзоленности, оглеения, с разной мощностью гумусового горизонта. Общая площадь питомника составляет 8 га. На данной территории выращивают сеянцы сосны, ели и кедра. Посевы с Pinus sibirica Du Tour., Pinus sylvestris L. и Picea obovata L. в течение периода исследования обрабатывались гербицидами анкор - 2-3 л/га. Посев сеянцев всегда осуществляется по чистому пару. Севооборот включает паровое поле, которое может быть чистым и занятым, в том числе сидеральным. Перед посевом семена Pinus sibirica Du Tour обрабатывались ТМТД 6 г/кг, семена Pinus sylvestris L. - спорами гриба Trichoderma asperellum, штамм МГ-97 дражированием до полного насыщения, инфекционная нагрузка составляла 2 г/кг (титр 2 106 спор в 1 г препарата) и семена Picea obovata L.- путем замачивания на 24 часа в метаболической жидкости актиномицета Streptomyces lateritius после трехдневного культивирова-

ния на крахмало-аммиачной среде. Почва отбиралась непосредственно под сеянцами сосны, ели и кедра не менее чем из 50 точек с каждого поля.

Исследовались следующие показатели: численность микроорганизмов, видовой состав бактерий и микромицетов, базальное дыхание, микробная биомасса согласно общепринятым методам [1-2; 4; 10].

По агрохимическим показателям почвы изучаемых лесопитомников близки что касается, прежде всего, актуальной кислотности, содержания гумуса, общего азота, подвижного фосфора и калия.

Почва Мининского лесопитомника: рН водн. - 5,6; гумус - 6,3-7,3%; общий азот - 0,30-0,33%, подвижный фосфор - 89-103 мг/кг; подвижный калий - 98-126 мг/кг.

Почва Ермаковского лесопитомника: рН водн. - 5,7-5,8; гумус - 6,6-7,4%; общий азот - 0,30-0,32%, подвижный фосфор - 92-102 мг/кг; подвижный калий - 102-116 мг/кг [9]. Однако по легкогидролизуемому и нитратному азоту имеются некоторые различия, а именно, в почве Ермаковского лесопитомника количество легкогидролизуемого азота выше, чем в Мининском: в среднем 218-302 мг/кг, тогда как в последнем лишь 195-210 мг/кг, что указывает на большую доступность элементов азотного питания для молодых сеянцев. Что касается нитратного азота, то его количество в Мининском питомнике составляло 3,1-7,1 мг/кг, а в Ерма-ковском - 4,0-5,7 мг/кг, определяя тем самым более высокие темпы нитрификационных процессов. Установлено, что в начальный период развития для сеянцев первостепенным источником азотного питания является нитратный азот.

Анализируя численность микроорганизмов в исследуемых почвах, следует отметить, что количество аммо-нификаторов в почве Ермаковского питомника больше, чем в почве Мининского, - 4,2-5,5 и 5,4-5,9 млн КОЕ на г-1 соответственно, что, вероятно, обусловлено большей доступностью органических веществ и более благоприятными условиями для роста (табл.).

По количеству прототрофов (микроорганизмов, использующих минеральные формы азота и растущих на крахмал-аммиачном агаре) почва Ермаковского лесопитомника превосходит Мининский в среднем в

I,5 раза, что является результатом минерализации органического вещества и лучшими условиями аэрации. Необходимо уточнить, что биохимические процессы в обоих питомниках имеют направленность в сторону минерализации органики, что подтверждается соответствующим коэффициентом минерализации, который во всех вариантах больше единицы.

Однако количество актиномицетов в почве Мининского питомника незначительно выше, известно, что их присутствие в исследуемых почвах может являться показателем усиления минерализации органики до конечных стадий [8].

По количеству олиготрофов и олигонитрофилов исследуемые почвы мало различаются (8,5-12,1 и

II,5-12,4 млн КОЕ на г-1), что нельзя сказать про микромицеты. Их численность в почве Ермаковского ниже, чем в почве Мининского, в среднем составляла 97-113 тыс КОЕ на г-1 , вероятно, за счет пропагул грибов рода Trichoderma, внесенного как антагониста патогенных микроорганизмов. Уровень численности аэробных целлюлозоразрушителей в почве Мининского питомника выше, но незначительно, что обусловлено большим содержанием гумуса.

Что касается качественного состава, то среди микробных ассоциаций основная часть приходится на бактериальные группы микроорганизмов, составляя в среднем 70-80 %. При этом доминирующими являются неспоровые бактерии, представленные в основном родами Pseudomonas и Micrococcus. Из них в почве Мининского лесопитомника 13 видов являются представителями рода Bacillus, 6 - относятся к роду Pseudomonas, 3 вида - к роду Micrococcus.

В единичных случаях встречались представители рода Mycobacterium. В почве же Ермаковского к роду Bacillus относились 12 видов, к роду Pseudomonas 5 видов, а бактерии рода Micrococcus и Mycobacterium были представлены в тех же соотношениях. Типичными доминирующими среди бацилл в почвах лесопитомников являлись виды Bacillus idosus и Bacillus megaterium, а типичными частыми - Bacillus mesentericus.

Отмечено также присутствие вида Bacillus mycoides, который характерен для почв с проявлением процесса оподзоливания. Под сеянцами хвойных в обоих исследуемых лесопитомниках представитель данного рода был типичным редким. Среди бактерий рода Pseudomonas наиболее часто встречались представители Ps. fluorescens и Ps. herbicola, а среди бактерий рода Micrococcus - M. roseus. Доминирующими среди актиномицетов являлись формы с серым и белым воздушным мицелием (секция Cinereus и секция Albus), а актиномицеты с голубоватым и зелено-голубоватым были определены как часто встречающиеся (секция Azureus). Однако в почве Мининского питомника встречаются актиномицеты и с розовым воздушным мицелием (секция Roseus), определяя большее разнообразие.

175

Пределы колебаний численности эколого-трофических групп микроорганизмов в почвах лесных питомников Средней Сибири

Вариант опыта; посев сеянцев Аммони- фикато- ры* Прото- трофы* Актино- мицеты* Олиго- трофы* Олигонит- рофилы* Микромице- ты** Нитрифика- торы* Аэроб. цел-люлозораз-рушители** Анаэроб. азотфикса-торы Cl. pas-teurianum** Коэф. минерализации КАА МПА

Мининский лесопитомник

Pinus sylvestris L. 5,5 1,3-10,3 8,7 2,2-17,7 3,1 0,3-10,0 11,6 4,9-26,0 6,4 2,3-12,3 130 41-206 12 0,2-2,3 3,1 1,1-4,8 3,7 0,6-9,0 1,6 1,0-2,2

Picea obovata L. 4,5 1,0-8,0 91 2,3-15,0 27 0,3-7,9 8,5 3,9-21,5 61 2,8-14,0 128 54-206 0,9 0,3-1,6 3,5 1,3-5,6 3,5 0,6-8,3 2,0 1,0-3,8

Pinus sibirica Du Tour 4,2 1,1-6,4 7j9 2,2-15,5 2,4 0,8-4,1 12,1 4,3-42,3 6^ 2,9-15,4 120 60-200 0,8 0,2-1,7 3,0 2,0-4,5 2,2 0,9-8,1 ,3 otic? Т-1 cn

Ермаковский лесопитомник

Pinus sylvestris L. 5,9 2,5-13,4 16,2 4,0-48,7 2,5 0,6-4,6 11,7 5,3-23,3 8,8 4,4-25,4 113 14,5-182 1,0 0,3-2,3 2,6 1,4-3,8 3,7 0,2-9,0 2,8 1,0-7,7

Picea obovata L. 5,9 2,0-13,6 14,3 4,3-55,7 2,3 0,3-4,5 12,4 5,0-29,4 6Z 3,5-13,0 97 30-155 1,0 0,1-1,3 2А 1,4--4,1 3Z 0,6-9,0 2,5 1,0-4,0

Pinus sibirica Du Tour 5,4 1,7-12,4 11,3 4,2-33,2 2,4 1,0-3,8 11,5 3,3-20,1 8,5 3,6-19,0 110 24-160 0,9 0,7-2,8 2,5 1,8-3,5 2,8 0,9-6,0 2,1 1,1-3,9

* - КОЕ (колонеобразующие единицы) в млн г-1 абсолютно сухой почвы; ** - КОЕ (колонеобразующие единицы) в тыс. г-1 абсолютно сухой почвы. Над чертой

среднее за 3 года, под чертой пределы колебаний (min - max) значения.

Эк,ология

Итак, анализ численности и качественного состава микроорганизмов почв лесных питомников Средней Сибири свидетельствует, как об общих закономерностях, связанных со сходством морфологических, физико-химических свойств почв и идентичным составом фитоценозов, так и различиях, обусловленных мероприятиями, проводимыми в лесопитомниках при выращивании сеянцев хвойных и экологическими условиями формирования лесопитомников.

В качестве дополнительных микробиологических показателей изучалась: микробная биомасса (МБ) и базальное дыхание (БД). В результате самые высокие значения микробной биомассы установлены в почве Ермаковского лесопитомника - 709,0-845,3 мкг С г-1 абс. сухой почвы, что в данном случае соответствует и высоким средним показателям численности основных эколого-трофических групп микроорганизмов. В Мининском же количество МБ меньше, чем в аналогичных, - 564,7-607,7 мкг С г-1 абс. сухой почвы (рис.). Однако показатели интенсивности БД примерно одинаковы - 1,23, 1,40 и 1,38 мкг С-СО2 г-1^ч-1 в Мининском и 1,20, 1,16 и 1,27 мкг С-СО2 г-1^ч-1 - в Ермаковском. Это, скорее всего, связано с одинаковым уровнем интенсивности разложения органических веществ.

Мининский лесопитомник

1200 т

2,5

2

О

1,5 О

О

1 -

1 а

0,5 g

11 1=12 SSS3

4 5 --,--6

Ермаковский лесопитомник

U

0

Динамика базального дыхания (графики) и микробной биомассы (диаграммы) в почвах лесных питомников Средней Сибири: 1 - посевы сеянцев Pinus sylvestris L.; 2 - посевы сеянцев Picea obovata L.; 3 - посевы сеянцев Pinus sibirica Du Tour; 4 - посевы сеянцев Pinus sylvestris L.; 5 - посевы сеянцев Picea obovata L.;

6 - посевы сеянцев Pinus sibirica Du Tour

Наряду с изучением содержания микробной биомассы и базального дыхания для оценки функциональной активности микробных комплексов почв лесных питомников использовали показатель удельной ды-

хательной активности или микробный метаболический коэффициент (qCO2), рассчитанный как отношение БД/МБ. Высокая величина микробного метаболического коэффициента характерна для молодых или сильно нарушенных экосистем (например, после пирогенного воздействия), более низкая для старых или стабильных экосистем. Изменение метаболического коэффициента в результате тех или иных воздействий свидетельствует об изменении экофизиологического статуса микроорганизмов и определяет нарушения в микро-боценозе. В нашем случае, значения метаболического коэффициента (qC02) для почвы Мининского лесопитомника под сеянцами Pinus sylvestris L., Picea obovata L. и Pinus sibirica Du Tour на протяжении всего периода исследования колебались в пределах 1,5—2,6, 1,9—3,2 и 1,9—4,2 мкг СО2-С /мг Смик соответственно.

По сравнению с ними в вариантах почвы под Picea obovata L. и Pinus sibirica Du Tour в Ермаковском лесопитомнике значения qC02 были ниже 1,2—3,0 и 0,9—2,4 мкг СО2-С / мг Смик за исключением варианта под Pinus sylvestris L., где нижний предел выше 1,1-3,2 мкг СО2-С / мг Смик [9].

В целом следует отметить что микробный метаболический коэффициент, рассчитанный для агроген-но преобразованных почв лесопитомников, имеет меньшие значения при больших значениях микробной биомассы, т.е. большей биогенности. Все показатели qC02 изменялись в пределах одного порядка, что характерно для почв, не имеющих существенных видимых нарушений, а их незначительное отличие друг от друга доказывает, что они принадлежат к близким типам почв и имеют одинаковую направленность почвообразовательных процессов.

Заключение. Биологическое состояние и лесорастительная способность агрогенно преобразованных почв лесопитомников Средней Сибири зависят от количественного и качественного состава экологотрофических групп микроорганизмов, а критерии оценки экофизиологического состояния микрофлоры - микробная биомасса (МБ), базальное дыхание (БД) микроорганизмов, метаболический коэффициент ДОО2) полностью согласуются с приведенными данными по численности ЭКТГМ, что позволяет использовать их для проведения первичной оценки биологического состояния агрогенно преобразованных почв. Микробиологические показатели, определенные для почв лесных питомников Средней Сибири, должны обязательно включаться в общую схему почвенно-экологического мониторинга.

Литература

1. Ананьева, Н.Д. Микробиологические аспекты самоочищения и устойчивости почв / Н.Д. Ананьева. - М.: Наука, 2003. - 223 с.

2. Большой практикум по микробиологии / под ред. Т. Селибера. - М.: Высш. шк., 1962. - 491 с.

3. Изучение загрязнения окружающей природной среды и его влияние на биосферу. - Л.: Гидрометеоиз-дат, 1986. - 183 с.

4. Методы почвенной микробиологии и биохимии / под ред. Д.Г. Звягинцева. - М.: Изд-во МГУ, 1991. - 303 с.

5. Никитина, З.И. Микробиологический мониторинг наземных экосистем / З.И. Никитина. - Новосибирск: Наука, 1991. - 222 с.

6. Полонская, Д.Е. Микробиологический мониторинг состояния экосистем земледельческой части Красноярского края: автореф. дис. ... д-ра биол. наук / Д.Е. Полонская. - Красноярск, 2002. - 31 с.

7. Полонская, Д.Е. Микробиологические процессы и эффективное плодородие почв в агроценозах Красноярской лесостепи / Д.Е. Полонская. - Красноярск: Изд-во КрасГАУ, 2002. - 102 с.

8. Сорокин, Н.Д. Микробиологический мониторинг лесных экосистем Сибири при различных антропогенных воздействиях / Н.Д. Сорокин // Успехи современной биологии. - 1993. - Т.113. - Вып.2. - С. 131-140.

9. Фомина, Н.В. Эколого-микробиологический мониторинг почв лесных питомников Средней Сибири: автореф. дис. ... канд. биол. наук / Н.В. Фомина. - Красноярск, 2007. - 22 с.

10. Хазиев, Ф.Х. Методы почвенной энзимологии / Ф.Х. Хазиев. - М.: Наука, 1990. - 188 с.