Микробиологическая индикация почв зоны сухой степи в искусственных фитоценозах после пожара и агротехнических воздействий (Р. Хакасия)
Микробоценозы являются не только самой активной структурной единицей экосистемы, но и наиболее информативным диагностическим компонентом биоты, способным быстро реагировать на смену экологических условий, меняя при этом свою функциональную нагрузку. Ответные реакции микроорганизмов на воздействие различных нарушающих факторов проявляются быстро, достаточно отчетливо, что позволяет в короткие сроки выявить наиболее нарушенные экологические зоны, прогнозировать их состояние при сохранении или устранении антропогенного фактора. Как биоиндикатор, микробное сообщество является самым чутким показателем почвенно-химических условий, способное дать интегральную оценку состояния почвенного покрова и экосистемы в целом (Звягинцев, 1987; Ананьева, 2003; Сорокин, 2009). Использование микробных индикаторов позволяет проводить как оценку состояния почвенных микробоценозов, так и скорость их восстановления после антропогенных воздействий (пожар, агрохимические обработки и др.) с получением количественных характеристик.
Исследования почвенных микробоценозов неустойчивых аридных (степных) экосистем являются актуальными, поскольку с помощью микробиологической диагностики можно оценить состояние почвенного плодородия и развитие искусственно-создаваемых фитоценозов. Важнейшей задачей в степных экосистемах является создание устойчивых долголетних защитных лесных насаждений, выполняющих водоохранную, почвозащитную, санитарно-гигиеническую и эстетическую функции, поддерживающих агроэкологические свойства почв на оптимальном уровне.
В Ширинской сухой озерно-котловинной степи (Республика Хакасия) сотрудниками ИЛ СО РАН были созданы искусственные посадки лесных (1975-1978 гг.) и географических культур (2017 г.). Посадки были проведены на одном типе почв, которые идентифицируются как агроземы аккумулятивно-карбонатные темные легко- и среднесуглинистые (Классификация…, 2004).
Целью исследований являлось с помощью микробиологических индикаторов дать оценку изменений лесорастительных свойств почвы в искусственных фитоценозах: в посадках лесных насаждений, пройденных пожаром, и на плантации географических культур в прибрежной сухо-степной зоне оз. Шира (Ширинской степи).
Объекты и методы исследований. Объектами исследований являлись почвенные микробиомы, ассоциированные с искусственными насаждениями: 1) взрослыми древостоями лесных культур (посадки 1975-1978 гг.), состоящих из лиственницы сибирской (Larix sibirica Ledeb), вяза приземистого (Ulmus humilis L.), сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.) и 2) саженцами географических культур различных популяций/климатипов (посадки 2017 г.) Pinus sibirica (далее кедр, К) и Pinus sylvestris (далее сосна, С). В посадках 42-45 летних лесных культур в 2015 г. был сильный пожар, который повредил древостои и почвенный покров, повлиял на состояние почвенной микробиоты. Пробные площади в 42-45 летних посадках лесных культур (участки «Гари») выбраны по степени повреждения насаждений огнем, согласно терминологии Н.П. Курбатского (1972) – гари (полностью сгоревшие, Г) и пожарища (поврежденные огнем, но продолжающие вегетировать, П): ГЛР – гарь лиственница ризосфера, ГЛМ – гарь лиственница междурядье; ГСР – гарь сосна ризосфера, КГС – контроль гарь сосна), ПЛМ – пожарище лиственница междурядье, ПЛР – пожарище лиственница ризосфера, ПВМ – пожарище вяз междурядье, ПВР – пожарище вяз ризосфера, КЛВ – контроль для лиственницы и вязов. Образцы почвы для микробиологических и биохимических анализов отбирали из зоны ризосферы и между рядами посадок (междурядье) с глубины 5-10 см с 2018 по 2020 гг.
В 2017 г. на территории ОЭП «Ширинский» ФИЦ КНЦ СО РАН сотрудниками ИЛ СО РАН был распахан участок степи и заложена плантация географических культур 5-ти и 3- летних саженцев двух видов сосен (Pinus sibirica Du Tour (кедр, К) и Pinus sylvestris Ledeb (сосна, С)) и различных их климатипов (КМ – P. sibirica «Монгольский», КБ – P. sibirica «Байкальский»; СУ – P. sylvestris “Усть-кут”, СБ – P. sylvestris “Богучаны”, СП – P. sylvestris “Пудож”. Образцы почвы для микробиологических и биохимических анализов отбирали из зоны ризосферы саженцев (5 – 10 см) с 2017 по 2020 гг.
В образцах почвы всех исследуемых участков определяли следующие показатели: рН, влажность и температуру почвы, общую численность микроорганизмов (ОЧМ), соотношение эколого-трофических групп микроорганизмов (ЭТГМ), микробную биомассу (МБ), базальное дыхание (БД), удельное микробное дыхание (qCO2), согласно (Методы …, 1991; Ананьева, 2003; Практикум …, 2005; Anderson, Domsch, 1978; Sparling et al., 1995.).
Для оценки и прогнозирования скорости восстановления почвенного плодородия после пожара в течение нескольких лет проводили ежегодный мониторинг состояния микробных сообществ в лесных насаждениях участков «Гари». На участках с географическими культурами в ризосфере саженцев кедра и сосны определяли скорость восстановления почвенных микробных сообществ после агротехнического воздействия, регистрировали этапы формирования специфических микробных сообществ, характерных для конкретных видов и климатипов растений.
Результаты исследований. Участки «Гари». Анализ почвы под нарушенными пожарами посадками лесных насаждений в течение 3 лет исследований показал, что на эколого-физиологическое состояние почвенных микробиомов оказывали влияние влажность, рН и температура почвы. Так, из-за низкой влажности почвы в засушливом 2019 г. отмечено снижение обшей численности микроорганизмов (ОЧМ) в среднем на 18% по сравнению с 2018 г. и на 13% – с 2020 г. На исследуемых участках (опытных и контрольных) преимущественно доминировали актиномицеты (р. Streptomyces), типичные представители степных ландшафтов, доля которых от общего количества бактерий в 2018 г. составляла 51.2% (ПЛР), в 2020 – 72.8 % (ГСР), содоминантами выступали неспоровые бактерии – до 46.9% (ГСР) в 2019 г. Споровые бактерии р. Bacillus также регулярно обнаруживались в почвенных образцах, их доля в разные годы составляла от 11.7 до 37.2 % общей численности. Самой малочисленной группой были микроскопические грибы, среди которых наиболее часто встречались зигомицетовые (Zygomycota MOREAU) из рода Mortierella Coem, предпочитающие некислые почвы, являющиеся классическими сапротрофами, активно участвующие в разложении органического вещества. Их доля в некоторых случаях достигала 80% от суммарной численности выявленных грибов. Также встречались грибы родов Penicillium Link., Mucor Fresen, Cladosporium Link, Acremonium Link., Trichoderma Pers. На протяжении исследований в почве под посадками доминировали представители олиготрофно-копиотрофного комплекса. Однако в 2020 г. на участках с погибшей лиственницей (ГЛР, ГЛМ) отмечали увеличение содержания гидролитиков до 37% по сравнению с 2018 г. за счет увеличения численности споровых бактерий. Содержание микробной биомассы (МБ) менялось в зависимости от породы древостоя по годам и месяцам вегетации (май-сентябрь). В течение наблюдений максимальные значения МБ отмечены в пожарищах лиственницы (ПЛМ – 1385 и ПЛР – 1018 мкг С / г почвы) и вязов (ПВМ – 1298 и ПВР – 1226 мкг С / г почвы). Удельное микробное дыхание микроорганизмов в 2018 и 2020 гг. находилось в пределах эколого-физиологической нормы (qCO2 – 5.6 -6.0 мкг С-СО2 / мг С /ч), в то время как в 2019 г при более низких значениях МБ наблюдали повышенное базальное и удельное дыхание (qCO2 – 14.7 мкг С-СО2 / мг С /ч), что свидетельствовало о стрессе микробоценозов, вызванных низкой влажностью. Высокие коэффициенты корреляции в 2018 г между влажностью и МБ (r= 0.7), в 2019 г. – между влажностью и МБ и БД (r= 0.5 и 0.5) подтверждают наше предположение.
Таким образом, численность основных групп почвенных микробных сообществ (ОЧМ), содержание биомассы и интенсивность дыхания микроорганизмов (МБ и БД) на участках «Гари» изменялись в большей степени в зависимости от влажности почвы, в меньшей – от температуры и рН. На восстановившихся пожарищах отмечены бóльшие значения общей микробной численности (ОМЧ) и биомассы (МБ). На пожарищах вяза и лиственницы наибольшие значения ОЧМ зарегистрированы в ризосфере, а МБ – между рядами посадок. В целом за 3 года исследований изменилось соотношение ЭТГМ в сторону увеличения гидролитико-копиотрофных групп, и уменьшение олиготрофов, о чем свидетельствует снижение их численности в 2.2 и увеличение гидролитиков в 1.2 раза.
Участки «Географические культуры». Известно, что растения в процессе развития (как филлосфера, так и ризоплана), выделяют в окружающую среду продукты вторичного метаболизма, многие из которых обладают фитонцидными свойствами. При этом наблюдается видоспецифичность этих выделений, что приводит к формированию микробного сообщества, характерного для конкретного вида растения при равных других гидротермических факторах (Рощина, 2009).
Исследования 2017-2020 гг. показали, что под посадками географических культур Pinus sp. проявились первые признаки изменения нативного почвенного микробоценоза. Под климатипами Pinus sibirica за весь период исследований отмечена более низкая общая численность микроорганизмов, чем в контроле и под климатипами Pinus sylvestris. По-видимому, корневые выделения кедра формируют более специфические микробоценозы, чем сосна. Отмечены тенденции изменения микробного сообщества в сторону формирования специфических для видов хвойных микробиомов, обусловленных особенностями качественного состава экзометаболитов корневой системы. В ризосферной почве климатипов Pinus sp. в течение 4-х лет выявляли представителей микробного сообщества, оказывающих влияние на рост саженцев. В основном это неспоровые (рр. Pseudomonas, Xanthomonas) и споровые бактерии (рр. Actinobacteria и Bacillus). Самой малочисленной группой были грибы, преимущественно микромицеты, среди которых доминировали представители рода Mortierella Coem (до 60% от всех выявленных грибов). Отмечено снижение микромицетов из р. Penicillium (на 10-15%).
Динамика микробной биомассы (МБ) в первый вегетационный период во всех вариантах опыта и в контроле развивалась однотипно. На второй, третий и четвертый годы посадки под саженцами заметно проявлялось влияние корневых выделений на содержание МБ. В период 2018-2019 гг. корневые выделения кедра и сосны формируют большие, по сравнению с контролем, значения МБ, причем под кедром значения МБ выше (в среднем в 1.3 раза), чем под сосной. В 2020 г. общее содержание МБ под климатипами снизилась в 1.2 раза по сравнению с 2017 и 2019 гг., предполагаем, что это связано с формированием специфических для видов ризосферных сообществ. Наибольшие значения МБ отмечены под климатипами кедра КБ и сосны СБ– 785 и 803 мкг С / г почвы, соответственно. Интенсивность микробного дыхания (БД и qCO2) снизилась, приблизившись к эко-физиологической норме. На содержание МБ, БД и qCO2 оказывали влияние влажность, температура и рН почвы. Высокие коэффициенты корреляции отмечены между влажностью и МБ (r=0.64) и qCO2 (r=-0.74), а также между рН и БД (r=0.82) и qCO2 (r=0.74).
Показано, что под саженцами географических культур Pinus sp. формируются специфические ризосферные микробные сообщества, обусловленные влиянием не только абиотических факторов, но и корневых выделений, о чем свидетельствуют значения общей микробной численности, микробной биомассы и перегруппировка эколого-трофической структуры микробных сообществ под климатипами.
Таким образом, адекватными универсальными микробиологическими индикаторами для диагностики и мониторинга состояния почвы сухой озерно-котловинной Ширинской степи в исследуемых фитоценозах являлись: соотношение эколого-трофических групп микроорганизмов (ЭТГМ), содержание микробной биомассы (МБ), коэффициент удельного микробного дыхания (qCO2). Специфическими индикаторами являлись: для участков «Гари» – увеличение доли популяций споровых бактерий из родов Bacillus и Streptomyces; для участков «Географические культуры» – увеличение доли популяции ризосферных грибов из родов Mortierella и Mucor, и снижение доли грибов из рода Penicillium.
