Экологическая оценка влияния сжигания стерни на микрофлору и химические показатели почвы

576.8.66.014.004.82

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ СЖИГАНИЯ СТЕРНИ НА МИКРОФЛОРУ И ХИМИЧЕСКИЕ ПОКАЗА ТЕЛИ ПОЧВЫ

М.Д. НАЗАРЬКО, В.Г. ЩЕРБАКОВ

Кубанский государственный технологический университет

Воздействие агропромышленного комплекса на природные процессы в ходе сельскохозяйственного производства неизбежно приводит к росту химических и физических нагрузок на почву, ухудшению экологической обстановки в агроландшафте, нарушению устойчивости экосистемы в целом и микробоценоза в частности. Хотя современное сельское хозяйство ориентировано на земледелие природоохранного типа, продолжают практиковаться приемы, негативно влияющие на показатели плодородия почвы и ее биоту.

Цель исследования - оценка функционирования почвенной микрофлоры в агроландшафте при ежегодном сжигании стерневых остатков и их запашке.

Исследовали почвы пашни Краснодарского края, представляющие собой черноземы обыкновенные, высокой пористости и водопроницаемости. Механический состав большей частью глинистый и тяжелоглинистый. Одним из вариантов изучения был участок, на котором сжигали растительные остатки и стерню.

Пробы отбирали из верхнего почвенного горизонта (0-20 см) методом линейной трансекты с размещением точек на расстоянии 500 м друг от друга в продольном и поперечном направлениях к розе ветров.

Численность и таксономический состав микроорганизмов определяли методом посева соответствующих разведений почвенных суспензий на мясопептонном агаре (МПА), крахмало-аммиачном агаре (КАА), среде Чапека. Все работы выполняли в соответствии с общепринятыми методиками [1, 2]. Перед посевом для десорбции микроорганизмов с почвенных частиц водно-почвенные суспензии обрабатывали на качалке в течение 20 мин и затем готовили серию последовательных разведений.

Идентификацию выделенных культур микроорганизмов проводили по морфологическим, культуральным и физиолого-биохимическим признакам, руководствуясь определителями [3].

Частоту встречаемости микроорганизмов определяли как отношение количества образцов, в которых данный вид обнаруживается, к общему количеству исследованных образцов [4].

Сходство различных групп микроорганизмов оценивали с помощью коэффициента Джакарта [5]

К = -

N + N) - мхумх

где М, Му — общее количество видов в одной и в другой почве; Ыху -количество видов, встречающихся в обеих почвах.

Первоначально на исследуемых участках пашни были определены уровень гумуса в пахотном слое, №К , уровень загрязнения тяжелыми металлами, пестицидами и нефтью.

Содержание гумуса в начале эксперимента на несжигаемом и сжигаемом участках было примерно одинаковым - 4,5 и 4,4%. При полном прохождении культурами севооборота показатели содержания гумуса за 10 лет на участке, где растительные остатки измельчались и запахивались, понизились на 4,5%, а на сжигаемом участке доля потерь гумуса оказалась выше и составила 16,7%. На сжигаемом участке наблюдалось понижение содержания N и Р205 и заметное накопле -ние К20.

Результаты экологической оценки обоих участков, проведенной по истечении 10 лет, представлены в табл. 1.

Из полученных данных видно, что содержание гу -муса на несжигаемом участке превосходило этот показатель в почвах сжигаемого участка.

Таблица 1

Показатель (средний) Несжигаемый участок Сжигаемый участок

Весна Лето Осень Весна Лето Осень

Гумус, % 4,19 4,24 4,29 3,38 3,32 3,49

рН 8,19 8,30 8,04 8,13 8,33 8,44

Общий N % 0,21 0,16 0,21 0,22 0,17 0,21

№И4, мг/100 г 3,22 1,95 1,24 3,10 1,78 1,57

N03, мг /кг 15,66 9,00 11,49 5,91 3,50 6,51

£ О 20,0 26,5 20,4 15,4 19,5 16,6

Тяжелые металлы, мг/кг:

2п 6,79 5,37 5,43 7,84 7,014 7,28

РЬ 1,56 1,32 1,40 1,85 1,714 2,08

еа 0,033 0,024 0,023 0,037 0,028 0,028

Со 0,689 0,688 0,574 0,99 1,042 1,007

Пестициды, мкг/кг:

Этафос 0 9,93 0 0 44,24 0

Трихлорфон 9,22 0 0 10,0 0 0

Диазинон 19,83 0 0 20,80 0 0

а-ГХЦГ 0 0 0,147 0 0 0,301

ГХБ 0 0 0,258 0 0 0,865

Р-ГХЦГ 0 0 0,399 0 0 0,520

Среднее количество общего и аммонийного азота и сезонная динамика его содержания на рассматриваемых участках имеет примерно схожую картину. А вот накопление нитратов различается. Наибольшее количество нитратов обнаружено в весенний период на несжигаемом участке (15,66 мг/кг). Летом их содержание примерно в 2 раза уменьшается и несколько увеличивается осенью.

Аммонийные и нитратные формы соединений азота ассимилируются растениями и микроорганизмами, что приводит к временному закреплению азота в органических веществах, его иммобилизации в микробной биомассе. Наиболее динамичное звено в цикле азота -процесс аммонификации. Для этого большое значение имеет соотношение С : N в разлагаемом субстрате. Чем уже это соотношение, тем выше эффективность аммонификации, определяемая по количеству NH3 от общего количества превращенного азота. На каждые 50 г углерода микроорганизмы используют для синтеза белка биомассы 2 г азота (С : N = 23). При содержании азота в органическом веществе менее 2% азот будет полностью иммобилизован в клетках микроорганизмов, а при более высоком его содержании (С : N < 25) будет выделяться аммиак [6].

На сжигаемом участке отношение С : N находится в пределах 15-20, т. е. азот полностью иммобилизуется микробными клетками. На несжигаемом участке соотношение С : N в летний период выше 25. Аммиак, образующийся при микробном разложении, может претерпевать в почве различные превращения: частично адсорбироваться на глинисто-гумусовых комплексах или нейтрализовать почвенные кислоты, потребляться растениями как источник азота и иммобилизоваться в процессе метаболизма почвенных микроорганизмов, выделяться в атмосферу, окисляться в нитриты и нитраты.

Азот аммонийных и нитратных соединений, поглощенных микробными клетками, включается в органические полимеры и временно выводится из круговорота, так как он становится недоступным для растений. В летний период на обоих участках наблюдается снижение содержания общего, аммонийного и нитратного азота.

По содержанию гумуса в пахотном горизонте сжигаемый участок можно отнести к слабогумусному, несжигаемый - к малогумусному. Исходя из сложности строения молекул гумусовых веществ, считают, что разложение гумуса - длительный процесс, требующий участия многих микроорганизмов. Устойчивость гу-миновых кислот к микробному разложению обязана сферической форме молекул, состоящих из многих гетерогенных единиц, нерегулярно соединенных ковалентными связями. Однако полученные данные свидетельствуют о потере почвой гумуса. Особенно резкое падение содержания гумуса произошло на сжигаемом участке. Следует отметить, что накопление гумуса зависит от вегетационного периода, от севооборота, от корневых и пожнивных остатков культур.

В осенний период содержание гумуса несколько увеличивается. Известно, что наибольшее количество органических веществ в почву поступает в конце веге-

тационного периода, после отмирания растений. Как правило, характер разложения и скорость определяются составом растительного материала, водно-термическим режимом и комплексом организмов-разлагате-лей. В результате разложения одна часть веществ минерализуется, другая - консервируется, третья - включается в гумус.

Термический режим и состав микрофлоры на сжигаемом и несжигаемом участках различаются. Судя по результатам исследования, перечисленные выше факторы оказывают влияние на содержание гумуса.

Реакция почвенного раствора на обоих полигонах щелочная (рН > 8). Однако более щелочную реакцию почвенный раствор имеет на сжигаемом участке, особенно осенью. Следует отметить, что оптимум рН для большинства бактерий и актиномицетов обычно 6-8, для грибов - 3-5. Возможно, поэтому в микрофлоре обоих участков доминируют бактериальный и актино-мицетный комплексы.

Важным фактором, определяющим функциониро -вание микробных сообществ, является загрязнение почв тяжелыми металлами и пестицидами. По данным [7], тяжелые металлы существенным образом влияют на численность, видовой состав и жизнедеятельность почвенной микрофлоры. Они ингибируют процессы минерализации и синтеза различных веществ в почвах, подавляют дыхание почвенных микроорганизмов, вызывают микробостатический эффект и т. п. Обнаружить закономерную взаимосвязь тяжелых металлов и почвенной микрофлоры в полевых условиях значительно труднее. Как оказалось, содержание тяжелых металлов в почвах на сжигаемом и несжигаемом участках в среднем не превышает значений ПДК. Однако сжигание стерни и остатков растений на поле оказало определенное влияние на содержание тяжелых металлов: привело к увеличению в пахотном слое цинка, свинца, кадмия и кобальта. Вероятно, это объясняется тем, что сжигаемые из года в год растительные остатки, в том числе и сорные, которые накопили тяжелые металлы, вновь возвращаются в почву.

Проблема токсичности пестицидов для почвенной биоты стоит очень остро, и перечень негативных последствий побочного действия пестицидов на микрофлору существенно расширяется. Имеющиеся литературные данные свидетельствуют, что почвенные грибы угнетаются в большей степени и меньшими концентрациями пестицидов, чем бактерии и актиномице-ты . Из бактерий наиболее устойчивы к пестицидам псевдомонады, коринебактерии, флавобактерии, арт-робактерии. Многолетнее применение пестицидов может привести к перегруппировке видового состава в микробных сообществах почв [8]. Однако встречаются данные о стимулирующем воздействии пестицидов на рост микроорганизмов [9]. Следует отметить, что почвенные микроорганизмы могут осуществлять трансформацию и минерализацию пестицидов, используя последние в качестве источника углерода и энергии [10].

Проведенные исследования показали, что уровень загрязненности исследованных полигонов пестицидами невысок и не представляет большой опасности для

окружающей среды. Весной в почвенных образцах были обнаружены фосфорорганические пестициды - три-хлорфон, диазинон, летом - этафос. В осенний период присутствовали хлорорганические пестициды : a-ГХЦГ, ГХБ и b-ГХЦГ. Следует отметить, что содержание пестицидов на сжигаемом участке в среднем выше, чем на несжигаемом. Если на обоих участках поддерживаются одинаковые условия (температура, влажность, агротехнические мероприятия и др.), то причиной повышенного содержания пестицидов на сжигаемом участке может быть различие в составе и состоянии почвенной микрофлоры.

На основе данных микробиологических исследований был проведен сравнительный анализ видового состава и сходства различных групп микроорганизмов почв несжигаемого и сжигаемого участков.

Из почвенных образцов несжигаемого участка было выделено 24 вида бактерий, 7 видов актиномицетов, 2 вида дрожжей и 5 видов микроскопических грибов, наиболее часто встречающихся в разное время года. Общими были 32 вида, 6 встретились только в двух сезонах.

Из 38 видов микроорганизмов 17 имели высокую частоту встречаемости (больше 50) хотя бы в одном из времен года.

Наиболее часто встречались следующие роды микроорганизмов: Pseudomonas, Nitrobacter, Bacillus, Nocardia, Paracoccus, Micrococcus, Arthrobacter, Oidiodendron, Alternaria.

Сравнительный анализ состава всех встречающихся микроорганизмов на несжигаемом участке стерни с использованием коэффициента Джакарта показал малое сходство в парах всех изученных времен года (табл. 2).

Таблица 2

Коэффициент сходства Джакарта* по сезонам

Группа микроорганизмов Несжигаемый участок Сжигаемый участок

весна-ле то лето- осень весна- осень весна- лето лето- осень весна- осень

Бактерии 0,63 0,61 0,51 0,45 0,60 0,45

А ктино мицеты 0,44 0,53 0,64 0,33 0,67 0,53

Дрожжи 0,20 0,67 0,40 0,25 0,17 0,60

Микромицеты 0,41 0,21 0,21 0,26 0,34 0,20

* < 0,20 - нет соответствия; 0,20-0,65 - малое соответствие;

0,65 - большое соответствие; 1 - полное соответствие.

Значение коэффициента сходства укладывается в интервал от 0,20 до 0,63. Исключением являются дрожжи, где коэффициент Джакарта летом и осенью составляет 0,67, что свидетельствует о большом соответствии в этой группе. Как правило, в конкретных почвенно-климатических условиях количественный и качественный состав микрофлоры меняется в зависимости от факторов окружающей среды - влажности, температуры, времени поступления в почву растительных остатков, их химического состава и др. Данные метеостанции исследованного района свидетельствуют, что по количеству выпавших осадков и средней температуре выделяется летний период. Однако в одной и той же почве в разные времена года изменения

состава микрофлоры имеют сложный характер. Здесь не только оказывают влияние факторы внешней среды (гидротермические), но и внутренние механизмы регулирования микробного сообщества.

На участке, где ежегодно сжигали растительные остатки и стерню, было установлено, что количество доминирующих видов микроорганизмов, наиболее часто встречающихся, незначительно отличалось от аналогичных показателей на несжигаемом участке. Однако соотношения составов доминирующих микроорганизмов в микробоценозах различались. На участке сжигаемой стерни было установлено малое соответствие состава микрофлоры в разное время года. Большее соответствие (0,67) обнаружено у актиномицетного комплекса летом и осенью.

В природе редко встречаются стабильные условия существования любых популяций, в том числе и микробных. Как правило, с течением времени уровни параметров среды испытывают заметные отклонения от среднего. К примеру, сезонные ритмы оказывают влияние на развитие популяций. В связи с этим нам представлялось важным проверить сходство основных групп микроорганизмов несжигаемого и сжигаемого участков в разное время года (табл. 3).

Таблица 3

Группа микроорганизмов Коэффициент сходства Джакарта

Весна Лето Осень

Бактерии 0,76 0,75 0,79

Актиномицеты 0,58 0,71 0,68

Дрожжи 0,75 1,0 0,60

Микромицеты 0,45 0,53 0,35

Большее соответствие было обнаружено в бактери -альном комплексе - 0,75-0,79. Но хотя доминирующий состав бактерий разных участков схож, имеются различия в соотношениях. В результате сжигания стерни, т. е. резкого повышения температуры, в бактериальном сообществе увеличивается доля содержания бацилл, которые обладают устойчивостью к нагреванию, к токсическим веществам и т. д. Увеличивается также содержание артробактерий, хотя они и не образуют эндоспор, как бациллы, но их клетки способны сохранять жизнеспособность при многих неблагоприятных условиях. Согласно полученным результатам, преобладание бацилл сохраняется и весной. К весне и особенно к лету другие представители бактериального комплекса увеличивают свою численность в микробной популяции, благодаря возможно высокой скорости роста, потенциальной интенсивности метаболизма, высокой конкурентоспособности.

В актиномицетном комплексе большое соответствие наблюдается летом и осенью (до сжигания стерни), малое - весной. Известно, что актиномицеты - типичные обитатели почв и растительных субстратов. В результате сжигания стерни вместе с микроорганизмами уничтожается и органический субстрат их питания. Летом актиномицеты занимают свое место в микробной популяции.

Не менее важную экологическую группу, участвующую в минерализации органических остатков рас-

тений, представляют почвенные микромицеты. Результаты сравнительного анализа сходства микроми-цетов на сжигаемом и несжигаемом участках свидетельствуют, что именно эта группа микроорганизмов вследствие нагревания почвы подвергается наибольшему воздействию. Менее устойчивый грибной комплекс в большей степени, чем другие, нуждается в свежем поступлении растительного субстрата.

ВЫВОДЫ

1. Популяции разных микроорганизмов занимают в почве агросистемы определенное место, соответствующее их типу физиологической организации и условиям отбора.

2. В результате ежегодного сжигания стерневых остатков в микробном сообществе происходит перераспределение доминирующих форм микроорганизмов, развитие наиболее устойчивых популяций бактерий, снижение доли содержания почвенных грибов, а также появление новых термотолерантных видов.

3. Запахивание растительных остатков благоприятствует развитию сапрофитной микрофлоры и поддержанию в почве высоких уровней гумуса и азота.

ЛИТЕРАТУРА

1. Методы почвенной микробиологии и биохимии / Под ред. Д.Г. Звягинцева. - М.: Изд-во МГУ, 1991. - 304 с.

2. Мирчинк Т.Г. Почвенная микология. - М.: Изд-во

МГУ, 1988. - 206 с.

3. Определитель бактерий Берджи / Под ред. Дж. Хоулта, Н. Крига, П. Снита и др. - 9- е изд. В 2 т. - М.: Мир, 1997. - 800 с.

4. Миркин Б.М., Розенберг Г.С. Толковый словарь современной фитоценологии. - М., 1983. - 134 с.

5. Одум Ю. Основы экологии. - М., 1975. - 740 с.

6. Бабьева И.П., Зенова Г.М. Биология почв. - М.: Изд-во

МГУ, 1989. - 336 с.

7. Тяжелые металлы как фактор антропогенного воздействия на почвенную микробиоту / С.В. Левин, В.С. Гузев, И.П. Бабьева и др. // Микроорганизмы и охрана почв / Под ред. Д.Г. Звягинцева. -М.: Изд-во МГУ, 1989. - С. 5^6.

8. Волкова Д.АКрасиля И.И., Ильинская С.П., Тарасе -вич Л.И. Изменение биологической активности почвы под влиянием пестицидов // Взаимодействие пестицидов с микроорганизмами. - Кишинев, 1984. - С. 79-91.

9. Хайниш Э., Паукке Х., Нагель Г.Д., Ханзен Д. Агрохимикаты в окружающей среде. - М, 1979. - 357 с.

10. Микробиологические аспекты загрязнения почв пести -цидами / Б.А. Бызов, В.С. Гузев и др. // Микроорганизмы и охрана почв / Под ред. Д.Г. Звягинцева. - М.: Изд-во МГУ, 1989. - С. 86-128.

Кафедра биохимии и технической микробиологии

Поступила 19.03.04 г.