ПОЧВОВЕДЕНИЕ, 2004, № 8, с. 945-951
УДК 631.46:576.8
БИОЛОГИЯ ПОЧВ
ПОЧВЕННО-МИКРОБИОЛОГИЧЕСКИИ МОНИТОРИНГ ЛЕСОБОЛОТНЫХ ЭКОСИСТЕМ ЗАПАДНОЙ СИБИРИ*
© 2004 г. И. Д. Гродницкая, Н. Д. Сорокин
Институт леса им. ВН. Сукачева СО РАН, 660036, Красноярск, Академгородок
Поступила в редакцию 05.03.2003 г.
Получены новые данные, отражающие структурно-динамические и функциональные особенности микробиологических комплексов в глубокозалежных лесоболотных почвах Западной Сибири. Максимальные уровни численности микроорганизмов регистрируются в зоне активной аккумуляции 10х (0-10 см); на глубинах 50-100 см - П^^; в зоне Ш^х на глубинах 250-350 см; в зоне ана-эробиозиса 1Укед2 (550-675 см). Для исследуемых торфяных почв различной глубины залегания характерен окислительный тип метаболизма, инициируемый аэробными и факультативно-анаэробными микроорганизмами гетеротрофного цикла.
ВВЕДЕНИЕ
Болота, как один из центров концентрации живого вещества, занимают среди наземных экосистем важное место. Их биосферная функция заключается в обеспечении постоянного стока атмосферного углерода и формировании, таким образом, его огромного пула в биосфере [19]. Аккумулирующая роль болотных систем, в которых накопление органической массы на поверхности преобладает над ее распадом, связана с высокой интенсивностью биологического круговорота химических элементов и имеет ведущее значение в формировании состава торфов [12]. В условиях высокой влажности и низких положительных температур торфяных почв интересно выявить активность жизнедеятельности микроорганизмов на значительных глубинах. Растущий торфяник находится в состоянии непрерывных смен неравномерно разлагающихся пластов. Только верхние 50 см составляют современные почвы, а вся остальная торфяная толща представляет собой слой погребенных почв.
Есть сведения, что в условиях континентального климата Западной Сибири процессы минерализации органического вещества значительно заторможены по сравнению с подобными почвами европейской части России [3], но в то же время численность микроорганизмов и их состав в торфяной толще не меньше, чем в верхних горизонтах лесоболотных почв [4, 5, 7].
Специфика климатических и географических условий Сибирского региона дает право предполагать наличие подобной тенденции численности
микроорганизмов, с учетом стадии анабиоза на
*
Работа выполнена при поддержке грантов РФФИ-БРФФИ < 00-04-81097 Бел2000а и РФФИ - < 01-04-48692, 02-0463085.
различной глубине торфяной залежи. В связи с этим представляло интерес определить биологическую активность глубокозалежных пластов торфяника и групповой состав микробоценоза; оценить микробный пул изучаемого торфяника и сравнить его с подобными лесоболотными почвами европейской части страны. Наблюдения за динамикой почвенно-микробиологических процессов положат начало исследованию почвенно-ми-кробиологического мониторинга лесоболотных экосистем Западной Сибири и изучению распределения таксономических структур микроорганизмов по профилю торфяных почв, залегающих на глубоких торфах.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ
Объектом исследований послужило глубокозалежное болото (низинный среднезольный торфяник) грунтового питания, находящееся в северной части междуречья Оби и Томи с высокой заболоченностью (>25%). По сообщению С.П. Ефремова, изучаемое болото (Клюквенное) площадью более 1 тыс. га относится к числу самых крупных осоково-гипновых болот водораздела. Уровень почвенных грунтовых вод составляет 62 см. Напочвенный покров представлен кедровником зе-леномошно-разнотравным [13]. Исследования выполнены в центральной самой глубокой части торфяного массива (8 м), характеризующего наиболее длительный временной отрезок голоцена.
Образцы торфа на микробиологический анализ в пределах почвенного (торфогенного) слоя 0-50 см отбирались по генетическим горизонтам: подстилка (0-4 см), ожелезненный торф (4-10 см), хорошо разложившийся торф зернисто-орехова-той структуры (10-20 см), менее разложившийся торф с зачатками структурных отдельностей, ви-
Пул микроорганизмов в Клюквенном болоте
Исследуемые зоны Количество бактерий на средах (млн/см2)
МПА КАА Эшби органо-минеральный гель
lûx 9.3 ± 1.23 39.0 ± 5.02 23.0 ± 3.52 101.0 ± 9.23
Hox-Red 59.0 ± 5.20 70.0 ± 6.12 27.0 ± 3.65 41.0 ± 5.05
HlRed1 163.0 ± 10.12 30.0 ± 3.37 4.7 ± 1.15 98.0 ± 7.54
IVRed2 246.0 ± 11.50 70.0 ± 6.15 1.0 ± 0.15 300.0 ± 11.85
димых в ненарушенном состоянии (20-30 см), сла-боразложившийся торф с элементами орехова-той структуры, видимой при нарушении сложения (30-40 см), слаборазложившийся торф глыбистой структуры (40-50 см). В нижележащей толще и суглинке, подстилающем ложе болота, образцы отбирались буром сплошной колонкой через каждые 50 см до 8 м. Для соблюдения условий анаэробиозиса брали срединную часть выбуренного образца.
Во всех исследуемых образцах были определены общепринятыми методами влажность, объемный вес торфа, потенциометрически измерены рН солевой и водной вытяжек.
Общую численность и состав эколого-трофи-ческих групп микроорганизмов определяли чашечным методом с использованием ряда диагностических сред: МПА, КАА, Эшби-агар, СА, ПА и бактерий, минерализующих гумусовые соединения [1, 18]. Строгие анаэробы и специфические группировки, требующие особых методов выделения и сред, не изучались. В исследованных образцах проводился дифференцированный учет аэробных и факультативно-анаэробных микроорганизмов, для учета которых использовали перечисленные питательные среды, но с добавлением редуцирующих веществ (1% глюкозы и 0.5% аскорбиновой кислоты), удерживающих редокс-потенциал среды на низком уровне (-100-200 мВ). С целью еще большего снижения редокс-потен-циала сред индекс кислотности доводили до нейтрального и слабощелочного значений. Перед инокуляцией почвенной суспензией среды предварительно кипятили. Восстановленную среду (остуженную до 40°С) использовали сразу, разливая в чашки Петри, и вносили 0.5 мл почвенной суспензии соответствующего разведения. На поверхность инокулированной среды наслаивали толстый слой голодного агара для создания "анаэробной пробки". Засеянные чашки Петри помещали в эксикаторы со смесью пирогаллола и 10%-ным раствором соды и инкубировали при комнатной температуре в течение двух недель. Аэробные микроорганизмы термостатировали при 27°С.
Данные по общей численности микроорганизмов, полученные методом посева, выражали в
тыс. и млн колоний образующих единиц (КОЕ) на 1 г почвы или абсолютно сухого торфа. Все варианты опытов были проведены не менее трех раз; в таблице и рисунках цифры представляют средние величины из трех определений, разброс данных не превышал 15%.
Статистическая обработка данных проведена общепринятыми методами [8] и при помощи пакета программ Microsoft Excel.
Идентификацию культур микроорганизмов проводили на основании морфологических и фи-зиолого-биохимических признаков [16, 20].
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Ранее проведенными исследованиями установлено, что торфяная залежь характеризуется нормальной зольностью 7-12%. Она повышается до 39% только на окраинных участках болота в сильно ожелезненных слоях 0-15 см благодаря гидрохимической специализации низинных торфяников [15]. Реакция среды - слабокислая (pH 5.8-6.6) по всему профилю торфяной залежи. Степень залегания варьирует в пределах 26-45% [13]. Влажность почвенного (торфогенного) слоя в течение теплого периода года изменяется от 330 до 600% (на сухую навеску). Влажность инертной толщи (за пределами колебания почвенно-грун-товых вод) является достаточно устойчивой величиной и достигает в среднем 900%. Почвенно-грунтовые воды, питающие болото, относятся к гидрокарбонатно-кальциевым и обогащены растворенным органическим веществом гумусовой природы (47-50 мг/л). Насыщенность поверхностных вод кислородом - низкая (1.7-3.3 мг/л). Запасы гумуса с глубиной увеличиваются. В составе гумусовых компонентов преобладают гуминовые кислоты и содержание негидролизуемого остатка (гумина) последовательно возрастает с глубиной торфяной залежи [9, 11-13; 15, 17, 21].
Коррекционный анализ данных выявил некоторые прямые и обратные зависимости между численностью микроорганизмов различных экологических групп и содержанием основных химических составляющих торфяной толщи. Так, количество гидролитиков связано с накоплением гумуса и гумина на уровне тенденции (коэффици-
ент корреляции соответственно 0.3 и 0.4); микроорганизмы, мобилизующие минеральный азот, имеют обратные корреляционные зависимости с общим углеродом (-0.66), гумусом (-0.61) и гуми-ном (-0.68), но положительно взаимосвязаны с общим азотом (0.39) и гуминовыми кислотами (1 и 2 фракций) - (0.59 и 0.31 соответственно); уменьшение численности олиготрофов, очевидно, связано с большей насыщенностью почв общим углеродом, азотом и гумусом (-0.50; -0.32 и -0.59); гели гуминовой кислоты оказывают заметное стимулирующее влияние на деятельность олигонитрофильных микроорганизмов (0.63).
В торфяной залежи Клюквенного болота ранее были выявлены и изучены 4 зоны, отражающие окислительно-восстановительные условия торфяной толщи, в связи с миграцией геохимических элементов: 10х - зона повышенной окислительной активности поверхностных слоев (010 см), или так называемый окислительный барьер; П0х-Кеа - зона перемежающихся окислительно-восстановительных условий (80-100 см); -
зона устойчивого анаэробиозиса (100-550 см); ГУКей2 - зона обогащения торфяника в резко восстановительной обстановке (550-800 см) [21].
Для описания распределения микроорганизмов по торфяной толще мы воспользовались данным разделением, тем более что оно соответствовало и микробной миграции. Контуры распределения микроорганизмов по толще торфяника зависят от многих параметров, в том числе и от ботанического состава торфа. Ранее были выявлены основные растения-торфообразователи: осоки, гипновые мхи и древесные остатки хвойных и березы [13].
Зону биологической активности 10х в наших исследованиях составляют верхние 0-50 см, она хорошо аэрируема. По ботаническому составу -это, в основном, осоки (50-70%) и до 32% приходится на древесные остатки хвойных и березы. Чи
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.