MICROBIOLOGICAL CRITERIA OF SOIL ECOLOGICAL STABILITY ANDEFFICIENCY OF SOIL-PROTECTING TECHNOLOGIES.pdf Всесторонняя оценка современной сельскохозяйственной деятельностичеловека свидетельствует о том, что она превратилась в мощный экологиче-ский фактор, влияющий на характер почвообразовательного процесса и под-час необратимо меняющий не только свойства самой почвы, но и сопряжен-ных с ней экосистем в целом. По самым скромным оценкам значительноеускорение технического прогресса обусловило деградацию более чем 40%мировых запасов сельскохозяйственно пригодных земель. По масштабам по-следствий данное явление сопоставимо только с глобальными изменениямиклимата [1]. Интенсивная вспашка, регулярное отторжение урожая и массо-вое применение средств химизации обусловили серьезные нарушения функ-ций почвы по поддержанию баланса таких важных атмосферных газов, какдвуокись углерода, оксиды азота и метан [2].В связи с этим одним из основных вопросов современной почвенной эко-логии становится возможность оценки и прогнозирования изменений, проис-ходящих в целинной почве после ее вовлечения в сельскохозяйственное иМикробиологические критерии экологической устойчивости почвы 43промышленное освоение. Эксплуатация любой агроэкосистемы предполагаетналичие постоянной антропогенной нагрузки, которая может быть разной поинтенсивности и продолжительности. При этом почва является основным«базовым» компонентом агроэкосистемы, функционирование которой вомногом обусловлено деятельностью микроорганизмов. Одним из важнейшихсвойств экосистем в целом и микробного комплекса почвы в частности яв-ляяются сохранение и поддержание значений своих параметров и структурыв пространстве и времени, без изменения характера функционирования.Снижение продуктивности сельскохозяйственных культур указывает на поте-рю стабильности агроэкосистемы. Однако это уже конечная стадия ее реакции наантропогенное воздействие, которой предшествовали изменения других показате-лей: физико-химических свойств почвы, сбалансированности биохимических про-цессов, фитотоксической активности микробных сообществ почвы и т.п. [3].Биологическая активность почвы является важным фактором ее плодородияи чувствительным экологическим и агрономическим индикатором антропоген-ного воздействия на нее. В настоящее время еще не разработаны совершенныеунифицированные критерии оценки микробиологических и биохимических по-казателей состояния почвы. Такие традиционно используемые в настоящее вре-мя показатели, как содержание подвижных и валовых форм питательных эле-ментов, уровень кислотности, общая порозность и т.д., а также средние показа-тели биологической продуктивности свидетельствуют скорее об уровне эффек-тивного плодородия почвы, а не об экологической стратегии ее трансформации всторону деградации или повышения потенциального плодородия.Для изучения длительного антропогенного воздействия на почву важноподобрать такие микробиологические индикаторы и методы их определения,которые дали бы возможность наиболее полно оценить экологическое со-стояние и плодородие конкретной почвы и, кроме того, были бы нетрудоем-кими и недорогостоящими [4].Кроме того, весьма актуальным является вопрос поиска критериев, позво-ляющих оценить эффективность конкретных почвозащитных агротехнологийи используемых для улучшения экологических характеристик почвы различ-ных биологически активных органических субстратов, таких, например, каквермикомпост.ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙОсновные методологические подходы к поискумикробиологических критериевПоиск и отбор наиболее значимых микробиологических критериев эколо-гической устойчивости почвы осуществляли путем сравнения микробиологи-ческих, биохимических, агрохимических, химических и др. свойств дерново-подзолистой легкосуглинистой почвы, находящейся длительное время подвоздействием разных систем обработки, обусловивших различные тенденцииее экологической трансформации: от гумусонакопления до деградации.44 Н.Н. Терещенко, А.Б. БубинаПолевые опыты выполнялись на четырех пространственно совмещенныхполях стационара, где на протяжении 8 лет проводили эксперимент по изуче-нию влияния системы МАЛ (микроагроландшафтов) и элементов почвоза-щитной технологии ПКВК (полевого круглогодичного вермикультивирова-ния) на свойства почвы.Основным объектом исследований были микробные сообщества ризосфе-ры картофеля, возделываемого в системе зернопропашного севооборота при3 различных способах обработки почвы, а также многолетних трав, высевае-мых позднее для закрепления достигнутых эффектов. В экспериментах при-менялись следующие типы обработки почвы:1) отвальная вспашка без применения органических удобрений (ОУ);2) отвальная вспашка с внесением торфонавозной смеси (ТНС) в дозе 50 т/га;3) безотвальная обработка почвы с локальным внесением ТНС в виде лен-ты между двумя рядами картофеля, высаживаемого в гребни одновременно синтродукцией в ТНС навозных червей (элемент технологии ПКВК, суть ко-торого состоит в инициировании вермикомпостирования непосредственно впочвенной гряде под картофелем) (рис. 1).Рис. 1. Схема закладки сдвоенных увеличенных грядс инициированным вермикультивированиемПредварительно проведенный анализ гумуса по Тюрину [5] показал, что врезультате 8 лет применения системы МАЛ и ПКВК (4 лет зернопропашногосевооборота и 4 лет последействия многолетних трав) содержание гумуса впочве варианта с инициированным вермикомпостированием увеличилось с1,5 до 2,04%. Фракционный анализ гумуса по Пономаревой-Плотниковой [6]показал возрастание доли гуминовых кислот, в результате чего соотношениеСгк/Сфк увеличилось с 0,8 до 1,1. Данные изменения являются одними изнаиболее убедительных свидетельств повышения уровня потенциальногоплодородия почвы в результате применения технологии грядового выращи-вания картофеля с элементами ПКВК. Отвальная обработка почвы без внесе-ния органических удобрений привела к снижению содержания гумуса с 1,5до 1,19%. Отвальная обработка почвы с внесением ТНС практически не по-влияла на содержание органического вещества в почве (табл. 1).Микробиологические критерии экологической устойчивости почвы 45Т а б л и ц а 1Групповой и фракционный состав гумуса почвы под многолетними травамипосле ее обработки различными способами в течение 8 летСистемаобработкиСобщ, % СГК,% кСобщСФК,% кСобщСГК+СФК СГКСФКНО*,% к Собщ1. Отвальная обработкабез органических удоб-рений (ОУ)1,19±0,01 28,3±0,6 30,4±1,0 58,73 0,9 41,3±0,32. Отвальная обработ-ка + ТНС 1,47±0,01 32,0±1,0 28,4±0,4 60,38 1,1 39,6±0,83. Локальная обработ-ка + ТНС+ дождевыечерви (ИВК)2,04±0,04 34,4±0,8 30,6±0,2 65,04 1,1 35,0±0,64. Целинная почва (лес) 2,43±0,03 25,6±1,2 29,1±1,0 54,69 0,9 45,3±1,7Примечание. НО* - негидролизуемый остаток.Таким образом, восьмилетнее применение вышеуказанных систем обра-ботки обеспечило принципиально различное влияние на свойства дерново-подзолистой почвы: от негативного в варианте без внесения удобрений доположительного в варианте с локальным внесением органических удобренийи интродукцией дождевых червей.При этом нужно отметить, что средние за три года показатели урожайно-сти картофеля в варианте с инициированным вермикомпостированием (ИВК)были на 90-95% выше, чем в варианте без применения удобрений, урожайно-сти зерновых - на 60-70%, а многолетних трав - на 80% (табл. 2). Следова-тельно, данный способ обработки почвы обеспечивает высокий уровень ееэффективного плодородия.Т а б л и ц а 2Средние по годам (2002-2004 гг.) показатели урожая картофеля сорта Луговской,яровой пшеницы сорта Новосибирская-22 и многолетних трав (тимофеевка, клевер)в вариантах полевого опыта с различными системами обработки почвы, т/гаСпособ обработки почвы Картофель Пшеница Многолетниетравы1. Отвальная обработка без ОУ 22,8 ± 5,9 1,3 ± 0,12 5,4 ± 1,32. Отвальная обработка + ТНС 34,5 ± 4,3 1,8 ± 0,24 7,6 ± 2,53. Локальная обработка +ТНС + дождевые черви (ИВК) 47,5 ± 5,6 2,4 ± 0,3 13,3 ± 4,1Таким образом, исследование микробиологических и биохимическихсвойств «живой фазы» почвы при всех использованных системах обработки,особенно обусловливающих наиболее контрастные экологические стратегииее трансформации, позволяет установить основные различия между ними ивыделить наиболее значимые, ключевые. В качестве эталона сравнения ис-следовали свойства целинной дерново-подзолистой почвы под лесом.46 Н.Н. Терещенко, А.Б. БубинаМетоды анализа1. Определение индексов видового разнообразия микробного почвенногосообщества. Поскольку определение систематической принадлежности мик-роорганизмов до вида, а иногда даже и до рода довольно трудоемко и требуетлибо колоссальных затрат времени, либо дорогостоящего оборудования, та-кой весьма показательный критерий экологической устойчивости микробо-ценоза почвы, как уровень видового разнообразия, очень редко используетсяна практике. Учитывая вышеперечисленные трудности, в исследованиях бы-ли использованы общепринятые индексы Симпсона, Бергера-Паркера иШеннона [7], рассчитываемые, как обычно, по частоте встречаемости пред-ставителей отдельных микробиологических таксонов, формирующих на стан-дартной элективной среде морфологически различные колонии, но без иден-тификации их до вида. Разумеется, в этом случае существует вероятностьнекоторого сужения спектра выявляемых видов микроорганизмов из-за поте-ри части серотипов, однако значительное упрощение метода и сокращениесроков анализа компенсируют данный недостаток.2. Определение индекса RSf / RPl (соотношение численности микроор-ганизмов в ризосфере и ризоплане). Индекс RSf / RPl хорошо отражает сте-пень обогащенности почвы свежим органическим веществом, а также сте-пень ее увлажнения. Кроме того, данный индекс можно использовать длякосвенной оценки развития патогенного процесса на корнях.Для расчета данного показателя проводили анализ общей численностимикроорганизмов в ризосфере (почве, прилегающей к корням растений) и вризоплане, т.е. непосредственно на поверхности корней. Учет численностибактерий в ризосфере проводили путем прямого посева на МПА из 3, 4 и 5-горазведений исходной почвенной суспензии, полученной путем суспендиро-вания 1 г почвы из 1-2 мм прикорневого слоя [8]. Отличительной особенно-стью посева из ризосферы является предварительное аккуратное отделениеосновной массы почвы от корней и последующее стряхивание стерильнойкисточкой прилегающих к поверхности корней мелких почвенных частичек.Посев проводили в день отбора образцов для предотвращения риска измене-ния состава микробного сообщества ризосферы после прекращения корневыхвыделений вследствие извлечения растения из почвы.Особенностью посева из ризопланы - с поверхности корней растений, явля-ется тщательное отмывание предварительно измельченных до 1-2 см фрагмен-тов корней в нескольких порциях стерильной воды. После 6-7-кратного промы-вания корней в стерильной воде навеску корней (1 г) растирали в стерильнойступке и помещали во флакон со 100 мл стерильной воды [8]. Посев на МПАпроводили по стандартной методике из 1, 2 и 3-го рабочих разведений.С учетом максимального объема корневых выделений у растений в фазуих цветения отбор почвенных проб для микробиологического анализа во всехопытах осуществляли во 2-й декаде июля.3. Определение суммарной ростостимулирующей активности бакте-рий рода Pseudomonas в ризосфере и околоризосферной почве. Для опреде-ления ростостимулирующей активности бактерий в ризосфере и околоризо-Микробиологические критерии экологической устойчивости почвы 47сферной почве осуществляли посев на МПА по стандартной методике [9].Колонии, морфологически схожие с колониями бактерий рода Pseudomonas,после предварительного микроскопирования использовали для выделениябактериальных изолятов в чистую культуру пересевом на косой агар (МПА).В качестве ризосферной рассматривали почву, непосредственно прилегаю-щую к корням и отделяющуюся посредством механического очищения сте-рильной кистью. В качестве околоризосферной почвы рассматривали фрак-ции почвы, не скрепленные с корнем экссудатами и потому отделяющиеся откорней простым встряхиванием.Уровень ростостимулирующей активности выделенных бактериальныхкультур определяли в биотесте с семенами пшеницы. Для этого семена пше-ницы (Новосибирская-22) на 20 мин замачивали в разбавленной (до титра106 кл./мл) 4-суточной накопительной культуре бактерий, полученной на мя-сопептонном бульоне (МПБ). В качестве контроля использовали питатель-ную среду МПБ, разбавленную аналогично накопительной бактериальнойкультуре.Обработанные накопительной бактериальной культурой семена пшеницыпроращивали в течение 7 сут в чашках Петри между слоями стерильнойфильтровальной бумаги при 22°С. Ростостимулирующую активность бакте-риальных изолятов оценивали по разнице сухой массы корней и зеленыхпроростков семян, обработанных накопительной культурой бактерий, и вконтроле, выраженной в процентах по отношению к показателям в контроле.4. Частоту встречаемости микориз на корнях многолетних трав истепень микотрофности корней оценивали по общепринятой методике[10]. В каждом варианте опыта просматривали не менее 20 фрагментов кор-ней и 10 полей зрения в каждом. Для дифференцированной окраски корней игиф грибов использовали кристаллический фиолетовый.Математическую обработку экспериментальных данных проводили мето-дом многомерного шкалирования при помощи пакета прикладных программStatistica 6.0.РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕАнализ отечественной и зарубежной литературы свидетельствует о том,что большинство микробиологических критериев экологической устойчиво-сти почв основывается на показателях видового разнообразия микробногосообщества и уровня взаимосвязи между элементами сообщества [11, 12].Широко используются также такие показатели, как общая биомасса микроор-ганизмов, интенсивность дыхания, активность ферментов и метаболическийкоэффициент qCO2 [13, 14].Кроме того, весьма перспективными являются методы, основанные на по-лучении многомерных функциональных характеристик микробных сооб-ществ, выделяемых из природных местообитаний. Так, например, запатенто-ванная отечественная разработка «Эколог» на основе метода мультисубст-ратного тестирования (МСТ) специально предназначена для полученияфункциональных портретов микробных сообществ почв. При этом одним из48 Н.Н. Терещенко, А.Б. Бубинаосновных методов, широко применяемых для анализа сукцессионных изме-нений, является метод инициированных микробных сообществ, разработан-ный на кафедре биологии почв МГУ под руководством проф. Д.Г. Звягинцева[15], а в качестве критерия устойчивости почвенного сообщества выступаетвеличина зоны гомеостаза. Резкая перестройка структуры микробоценозапочвы, сопровождающаяся сужением видового разнообразия и появлениемновых доминант, является показателем того, что антропогенная нагрузка напочву превысила некий критический уровень и микробное сообщество почвывышло за пределы зоны гомеостаза и сместилось в зону стресса.Продолжающееся увеличение нагрузки будет способствовать дальнейше-му изменению структуры микробного сообщества со сдвигом его в зону ре-зистентности, а затем и репрессии, характеризующейся почти полным подав-лением жизнедеятельности микроорганизмов в почве. Это, в свою очередь,приведет к прекращению всех биохимических процессов в почве, обусловли-вающих ее функционирование как ключевого элемента любой открытой при-родной экосистемы.Влияние различных систем обработки почвы на уровень структурногои функционального разнообразия микробного сообщества почвыВ настоящее время уже накоплен богатый фактический материал, свиде-тельствующий о том, что уровень видового разнообразия микробного сооб-щества почвы можно рассматривать в качестве одного из наиболее важныхкритериев устойчивости основных экологических функций почвы.Так как наиболее интенсивно микробиологические процессы в почве про-текают в зоне распространения корней растений, поиск основных критериеввидового разнообразия микроорганизмов проводили посредством микробио-логического анализа ризопланы и ризосферы. Результаты исследованийструктурного и функционального разнообразия микробных сообществ ризо-сферы картофеля, возделываемого при различных системах обработки почвы,представлены в табл. 3. В качестве эталона устойчивой почвенной системыбыла взята целинная дерново-подзолистая почва под лесом, отличающаясямаксимальными показателями гумусированности и хорошо выраженной зер-нисто-комковатой структурой (см. табл. 1).Согласно данным табл. 3 максимальная численность микроорганизмовбыла обнаружена в ризосфере картофеля при локальной обработке почвы вварианте с инициированным вермикомпостированием (ИВК). Минимальнойчисленностью характеризовались вариант с применением NPK и почва леса.Отличительной особенностью целинной почвы леса является явное доми-нирование в структуре ризосферного микробного сообщества спорообра-зующих бактерий, причем как в вегетативной форме, так и в состоянии по-коящихся спор. Численность покоящихся форм бацилл в данном варианте в5-10 раз выше, чем в других вариантах опыта. Эти данные свидетельствуют оярко выраженной К-стратегии микробного сообщества лесной почвы и, соот-ветственно, о его довольно высокой экологической устойчивости.Микробиологические критерии экологической устойчивости почвы 49Еще одной отличительной особенностью почвы леса является крайне низ-кая численность в ризосфере лесных трав дрожжей, что свидетельствует орезком дефиците в составе корневых выделений сахаров. С другой стороны,микроорганизмы, продуцирующие аминокислоты, как в ризосфере, так и ри-зоплане лесных трав на 80-90% представлены целлюлозолитическими мик-ромицетами родов Penicillium и Trichoderma. Дефицит легкодоступных ис-точников углерода и доминирование в составе грибного населения ризо-сферной почвы леса активных целлюлозолитиков над сахаромицетами явля-ется еще одним подтверждением ярко выраженной К-стратегии микробоце-ноза целинной почвы леса.Данные микробиологического анализа ризосферной почвы в остальныхвариантах опыта показали, что при всех исследованных способах обработкипочвы микробное сообщество характеризуется r-стратегией, соответствую-щей менее устойчивому состоянию микробоценоза. Это подтверждается от-носительно невысокой численностью спорообразующих микроорганизмов идоминированием в их составе дрожжей. В составе ризосферных микроорга-низмов, продуцирующих аминокислоты, доминирующее положение занима-ют бактерии (см. табл. 3).Следовательно, анализ основных систематических и функциональных группмикроорганизмов в ризосфере картофеля, возделываемого при исследованныхспособах обработки, показывает, что ни один из них не приводит микробоценозпочвы в устойчивое состояние по типу К-стратегии. Однако необходимо заме-тить, что данный тип устойчивости, как правило, характеризует именно целин-ные ненарушенные почвы с относительно равномерным поступлением свежихэнергетических субстратов без «залповых» нагрузок. С другой стороны, дли-тельность воздействия на почву исследуемых систем обработки на рассматри-ваемом втором поле стационара не превышала двух лет. Возможно, что их влия-ние на изменение экологической стратегии микробоценоза почвы начнет сказы-ваться только после закрепляющего воздействия многолетних трав.Таким образом, тип экологической стратегии микробного сообщества,безусловно, являясь одним из наиболее перспективных критериев устойчиво-сти почвы как экосистемы, тем не менее не позволяет оценить эффективностьконкретной агротехнологии непосредственно в действии.Одними из наиболее важных функциональных групп в составе ризосфер-ного микробного сообщества почвы являются микроорганизмы, способныемобилизовать фосфор органических соединений и азотфиксирующие бакте-рии рода Azotobacter. На наш взгляд, не менее важным показателем являетсятакже уровень видового разнообразия микроорганизмов, входящих в составконкретной функциональной группы. Чем более разнообразно она представ-лена, тем выше вероятность дублирующих биохимических реакций, обеспе-чивающих устойчивое эффективное плодородие почвы. По мнению ряда ис-следователей, только функциональные характеристики микробного сообще-ства почвы в полной мере отражают степень устойчивости почвы к антропо-генному воздействию [16, 17].Т а б л и ц а 3Численность микроорганизмов в ризосфере и ризоплане картофеля при различных способах обработки почвы ив целинной почве под лесом, N· 10n КОЕ в 1 г а.с.в.Бациллы Азотобактер Микроорганизмы, продуци-рующие аминокислоты, N·103ВариантопытаОбщаячисл-тьмикро-организ-мов,N·105Неспоро-образующиебактерии,N·105Веге-та-тивныефор-мы,N·105Споры,N·103Дрожжи,N·102Фосфатмо-билизующиемикро-организмы,N·104Актуаль-ная актив-ность, %Потенци-альнаяактив-ность, %Ооб-щаячисл-тьБакте-рии ГрибыРИЗОСФЕРА1. Отв. обр-ка безОУ 233,0 38,0 1,2 25,7 234,5 74,4 0 2,4 524,0 197,0 328,12. Отв. обр-ка +ТНС 283,7 52,6 14,9 26,7 74,7 149,3 25,4 36,8 1077,0 633,0 443,23. Лок. обр-ка +ТНС + дождевыечерви (ИВК)348,6 57,4 11,2 37,7 256,0 378,0 15,2 31,1 385,0 287,5 96,04. Целинная поч-ва (лес) 73,2 12,9 16,9 295,9 10,2 122,0 0 0 1725,0 288,1 1438,3НСР051РИЗОПЛАНА1. Отв. обр-ка безОУ 209,9 17,9 14,5 -2 - - - - 8,3

Скачать электронную версию публикации