ПОЧВОВЕДЕНИЕ, 2014, № 8, с. 982-987
БИОЛОГИЯ ПОЧВ
УДК 631.46
БИОЛОГИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ ГУМУСОВОГО ГОРИЗОНТА ЧЕРНОЗЕМА ОБЫКНОВЕННОГО КАК ПОКАЗАТЕЛЬ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ АГРОЭКОСИСТЕМ
(БАШКОРТОСТАН) © 2014 г. Р. Ф. Хасанова, Я. Т. Суюндуков, И. Н. Семенова
Институт региональных исследований Республики Башкортостан, 453830, Республика Башкортостан, Сибай, ул. К. Цеткин, 2 e-mail: rezeda78@mail.ru Поступила в редакцию 01.10.2012 г.
Проведен сравнительный анализ биологической активности почв агроэкосистем зауральской зоны Республики Башкортостан под травами естественных пастбищных сообществ и сеяными культурами. Показано, что структура микробного сообщества почв под многолетними естественными травами (овсяницей, кострецом и пыреем) препятствует выносу азота за пределы экосистемы и способствует закреплению его в микробном звене трофической цепи. Методом мультисубстратного тестирования выявлены различия между метаболическими потенциалами почвенных микробных сообществ под естественными травами и сеяными культурами. Высокие значения интегрального параметра благополучия системы под многолетними травами естественных сообществ свидетельствуют об их эффективности в воспроизводстве плодородия почв агроэкосистем.
Ключевые слова: микробные сообщества, чернозем, мультисубстратное тестирование, фитомелио-ранты, плодородие.
Б01: 10.7868/80032180X14080061
ВВЕДЕНИЕ
Главной составляющей агроэкосистем, определяющей уровень их биологической продуктивности, является почва, в которой проходят процессы трансформации веществ и потоков энергии. Интенсивное пахотное и пастбищное использование черноземов, эрозия и другие факторы деградации почвенного покрова привели к значительному ущербу для сельского хозяйства зауральской зоны Республики Башкортостан [15]. Для оптимального функционирования агроэкоси-стем необходимо восстановить нарушенные биологические и физико-химические свойства почв и восполнить утраченные звенья биологического круговорота органических соединений, присущие природным экосистемам. В настоящее время разработаны агромелиоративные приемы восстановления почв с использованием биологического (фитомелиоративного) потенциала трав, позволяющие оптимизировать условия функционирования почвенных микробных сообществ с целью повышения плодородия [4]. Между биологической активностью почв, которая во многом определяется жизнедеятельностью населяющих их микроорганизмов, и продуктивностью многолет-
них трав существует взаимосвязь [6]. Установлено, что сообщество микроорганизмов в почве находится в прямой связи с урожайностью яровой пшеницы (г = 0.63). Выявлена положительная корреляционная связь между урожайностью и интенсивностью колонизации микоризы в корневой системе яровой пшеницы [11].
Биологическая активность почв может служить информативным индикатором экологического состояния биоценозов [1, 2, 16]. Целью исследования является сравнительное изучение влияния многолетних трав пастбищ и сеяных культур на показатели биологической активности почв агроэкосистем.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ
Наблюдения за изменением численности основных эколого-трофических групп микроорганизмов проводили на территории Баймакского опытного хозяйства Башкирского НИИСХ, расположенного в зауральской зоне Республики Башкортостан, на черноземе обыкновенном тяжелосуглинистом среднемощном среднегумус-ном на карбонатном лёссовидном суглинке.
Мощность гумусового горизонта составляет 50 см, содержание гумуса в пахотном слое 7.2%, рН солевой вытяжки 6.2, сумма поглощенных оснований 52 смоль(экв)/кг, степень насыщенности основаниями 98%, минеральный азот составляет в среднем 18.3 мг/кг, легкогидролизуемый — 485 мг/кг, подвижные формы фосфора — 6.5 мг/100 г почвы, обменного калия — 39.8 мг/100 г почвы. Исследовались образцы ризосферы почв под следующими видами трав естественных пастбищных сообществ: ковылем волосатиком (Stipa capillata L.), овсяницей ложноовечьей (Festuca pseudovina L.), пыреем ползучим (Elytrigia repens L.); под сеяными культурами: кострецом безостым (Bromopsis inermis Leys.), люцерной синегибрид-ной (посевной) (Medicago sativa L.), эспарцетом песчаным (Onobrychis arenaria L.), козлятником восточным (Galega orientalis Lam.), донником желтым (Melilotus officinalis L.) и яровой пшеницей (Triticum aestivum L.). Общая площадь исследованной территории составила 1200 га. Почвы естественных пастбищ не подвергались механической обработке.
В полевых условиях при выборе и закладке пробных площадок учитывались однородность почвенного покрова и выровненность участков. Образцы почв отобрали в середине июня в фазе цветения растений из пахотного слоя (0—30 см) ризосферной зоны в трех повторностях, для анализа составлялась средняя проба. Отбор проб почв проводили на полях сельскохозяйственного использования под яровой пшеницей, донником желтым второго года жизни, под сеяными многолетними травами 2—3 года пользования. Численность основных эколого-трофических групп микроорганизмов устанавливали методом посева почвенной суспензии из разведений на агаризо-ванные питательные среды. Для выявления микроорганизмов, использующих органические формы азота, применяли мясо-пептонный агар; для микроорганизмов, использующих минеральные формы азота — крахмало-аммиачный агар, для оли-готрофов — голодный агар [10]. Характеристику структуры микробного сообщества проводили по коэффициентам, предложенным Е.И. Андреюк (цит. по [13]). Рассчитывали следующие показатели эколого-трофической структуры: коэффициент иммобилизации (К"имм) минерального азота — отношение численности микроорганизмов, выросших на крахмало-аммиачном агаре, к численности микроорганизмов, выросших на мясо-пептонном агаре, коэффициент олиготрофности (^олиг) — отношение численности микроорганизмов, выросших на голодном агаре, к численности микроорганизмов, выросших на мясо-пептонном агаре.
Оценку состояния микробных сообществ в исследуемых образцах почвы проводили методом мультисубстратного тестирования (МСТ) с помо-
щью автоматизированной системы микробиологического мониторинга "Эколог", путем определения интенсивности потребления тестового набора органических моносубстратов при инкубации образцов в специальных тест-планшетах. Определение производили фотометрически с использованием индикатора дегидрогеназной активности (соли тетразолия) [7]. Полученный многомерный массив данных (спектр потребления субстратов) является уникальным функциональным портретом исследуемого микробного объекта, на основании которого можно производить классификацию сообществ и вычислять параметры функционального биоразнообразия [3]. Для выражения окрашенности ячейки использовали нормированный показатель — интенсивность потребления субстратов: Ж = (С — К)/[(С—К)]/М, где С — выраженная в показаниях прибора окраска данной ячейки; Я — то же для контрольной ячейки; N — число окрашенных ячеек, а также индекс Шеннона Н, характеризующий биологическое разнообразие и рассчитываемый по формуле: Н = —Z(ni/N)1g(ni/N), где п1 — интенсивность потребления 1-го субстрата, N — суммарное число потребленных субстратов.
При расчете коэффициентов ранговых распределений использовали трехпараметрическую модель рангового распределения потребления субстратов: Д(п) = Е0 — Ьепйп, где п = 1п(^, N — номер ранга; Д(п) = где у11 — интенсивность по-
требления субстрата ранга N е — основание натурального логарифма, Е0, Ь, й — параметры [3].
При положительных значениях Д(п) и (п) параметры трактовались следующим образом: Е0 — запас энергии системы (среднее потребление субстратов), й — крутизна хвоста распределения (адаптационный индекс-критерий гибкости и устойчивости системы), Ь — в интересующем нас месте координатной плоскости — ширина плато: отношение быстрых/медленных функциональных компонентов. Интегральный параметр общего благополучия системы О вычисляли как отношение биоразнообразия к нестабильности: О = = (^Д^ х 100)/й, где Nmяll — количество тест-субстратов (47); N — количество потребленных субстратов (мера разнообразия); й — коэффициент рангового распределения, отражающий устойчивость сообщества [3].
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Главным условием, определяющим продуктивность биоценозов, является уровень обеспеченности почв азотом, так как этот элемент в наибольшей степени определяет запасы растительной и животной пищи на Земле [12]. Длительное сельскохозяйственное использование черноземных почв не способствует накоплению общего азота, что связано с усилением процессов мине-
984
ХАСАНОВА и др.
млн КОЕ/г почвы 300
250
200
150
100
50
0
-50 300
250
200
150
100
50
0
-50 300 250 200 150 100 50 0
А
В
, а - б — в
123456789
Рис. 1. Численность эколого-трофических групп микроорганизмов в черноземе обыкновенном под следующими культурами: 1 — ковыль волосатик, 2 — овсяница ложноовечья, 3 — пырей ползучий, 4 — кострец безостый, 5 — козлятник восточный, 6 — люцерна синегибридная, 7 — эспарцет песчаный, 8 — донник желтый, 9 — пшеница яровая (А — аммонифика-торы, Б — иммобилизаторы азота, В — олиготрофы; а — медиана; б — +SD; в — ±1.96 SD).
рализации органических соединений. При этом с увеличением продолжительности использования почв, при неправильной агротехнике и недостатке органических и минеральных удобрений в них снижается содержание легкодоступных растениям минеральных соединений азота [13, 14]. Общую направленность процессов превращения азота в почве можно оценить по численности основных физиологических группировок и их соотношению. Так, количество легкодоступного азота в почве в определенной степени зависит от состава микроорганизмов, участвующих в превращении азота и минерализации органических остатков [13]. Разложение органических азотсодержащих соединений осуществляется, главным образом, аммонифицирующими бактериями, которые при помощи внеклеточных ферментов могут переводить часть белкового азота в доступную для растений форму [9]. Численность аммонифи-каторов в почве под сеяными бобовыми травами (козлятником, люцерной, эспарцетом и донником), а также под зерновой культурой (яровой пшеницей) была больше численности этих микроорганизмов в почвах
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.