Влияние длительного применения минеральных удобрений на микробную систему почв

При изучении влияния минеральных удобрений на почвенную микробиоту особую ценность представляет характеристика изменений в микробной системе длительно удобряемых почв. Только на ее базе можно оценить прогнозирующие возможности модельного эксперимента, составить реальное представление о масштабах изменений, произошедших в микробной системе при удобрении почвы, выяснить, меняется ли устойчивость микробной системы к данной антропогенной нагрузке после окультуривания почвы и длительного использования удобрений.

Для оценки влияния систематического внесения минеральных удобрений на микробную систему был охарактеризован видовой состав (выявлено 54 вида микромицетов, относящихся к 13 родам) и определена структура комплекса микроскопических грибов выщелоченного чернозема, установлены типичные частные, типичные редкие и случайные виды для данной почвы. Оказалось, что большая часть выделенных грибов (36 видов) попадает в разряд случайных.

Наибольший сдвиг в структуре комплекса микромицетов произошел в результате окультуривания почвы. На окультуренных вариантах опыта достоверно возросла частота встречаемости ceми видов грибов - Aspergillus ustus, А. wentii, Penicillium funiculosum, P. notatum, P. lanosum, Р. purpurogenum, Р. raciborskii и уменьшилась у двух - Trichoderma hamatum, Т. viride. Незначительно изменилась встречаемость грибов в выщелоченном черноземе, длительно получавшем полное минеральное удобрение, в сравнении с контролем: достоверно увеличилась частота встречаемости только Р. raciborskii.

Установленные факты подтверждаются коэффициентами сходства Соренсена, высокими и близкими для комплексов микромицетов окультуренных почв (0,82-0,86) и существенно отличающимися от значения этого коэффициента при сравнении с комплексом грибов целинного чернозема (0,51-0,56). В результате окультуривания почвы и внесения удобрений возросло видовое разнообразие почвенных микроскопических грибов, на что указывают индексы разнообразия Шеннона, равные для целинной почвы – 3,20, для неудобренной пашни – 3, 41, а для вариантов с полным минеральным удобрением - 3,89 и 3,69.

Таким образом, на основании представленных данных можно констатировать глубокие сдвиги в структуре комплекса микромицетов при окультуривании и незначительные изменения под влиянием удобрений на выщелоченном черноземе. На дерново-подзолистой почве четко выраженные изменения во встречаемости микроскопических грибов происходят не только при окультуривании, но и при последующем применении минеральных удобрений. Это свидетельствует о том, что характеристика структуры комплекса микромицетов также позволяет оценить устойчивость микробных систем различных почв к воздействию минеральных удобрений.

С использованием метода инициированного микробного сообщества (ИМС), как и при изучении структуры комплекса микромицетов, наибольшие различия обнаружены в микробных системах целинного и окультуренного выщелоченного чернозема, рис. 31. Кроме того, метод ИМС позволил более рельефно выявить изменения в микробной системе при длительном удобрении почвы. Однако установленные изменения не носят глобального характера - состав доминирующих и часто встречающихся организмов микробных сообществ контрольной и удобренной почв сходный. Внесение полного минерального удобрения стимулировало развитие в сообществе грибов: Coniothyrium sp., Gymnoascus sp., Fusarium nivale. Penicillium velutinum и бактерий рода Bacillus. Отмеченные изменения в микробной системе выщелоченного чернозема, по-видимому, в большой степени являются следствием увеличения содержания подвижного азота и фосфора, так как другие агрохимические показатели почвы практически не изменялись. На это указывали и результаты модельных экспериментов. При сопоставлении изменений ИМС почвы полевого и модельных опытов, можно определить, воздействием каких минеральных удобрений они вызваны. Так, активное развитие бактерий рода Bacillus в микробном сообществе обусловлено действием фосфорных удобрений, появление гриба Penicillium velutinum, главным образом, азотными удобрениями; возрастание доли грибов Coniothyrium sp,. Gymnoascus sp., Fusarium nivale - внесением полного минерального удобрения.

Анализ полученных результатов позволяет заключить, что длительное применение удобрений не приводит к существенным изменениям микробной системы чернозема (см. рис. 31). Оценить эти изменения возможно с позиций устойчивости микробной системы к удобрениям. Исходя из общеэкологических представлений увеличение устойчивости экосистемы рассматривается как позитивное явление, а снижение _ как негативный процесс. Критериями устойчивости микробной системы почв к антропогенным воздействиям могут быть величины зоны гомеостаза микробной системы - диапазон концентрации реагента, при внесении которого в почву структура и состав инициированных микробных сообществ не изменяются, и дозы, вызывающие микробный токсикоз почвы.

Сравнение стабильности микробных систем удобряемой почвы и контрольной к последующему применению минеральных удобрений показало, что микробная система выщелоченного чернозема сохранила свои высокие буферные свойства к данной антропогенной нагрузке. Реакции по типу стрема микробной системы и токсикоз почвы наступали при тех же концентрациях внесенных питательных веществ в удобренную почву, что и на контрольную.

Рис. 31. Структура инициированного микробного сообщества целинного и окультуренного чернозема:

А – доминирующие виды; Б – часто встречающиеся виды; В – редко встречающиеся виды.

1 – Aspergillus sclerotiorum; 2 – Penicillium lilocinum; 3 – Paecilomyces sp.; 4 – Chrysosporium keratinophylium; 5 – Humicola brevis; 6 – Humicola grisea; 7 – Humicola sp.; 8 – Streptomyces sp. (2) гр. griseus; 9 - Giliocladium catenulatum; 10 - – Streptomyces sp. гр. violaceus; 11 – Trichosporiella hyaline; 12 – Coniothyrium sp.; 13 – Gymnoascus sp.; 14 – Bacillus sp.; 15 – Fusarium nivale; 16 – Penicillium velutinum

Изучение длительного применения минеральных удобрений на микробную систему типичного серозема был проведено по той же схеме, что и для выщелоченного чернозема. Охарактеризован видовой состав (выделено 54 вида микромицетов, относящихся к 21 роду) и выявлена структура комплекса микроскопических грибов данной почвы. Анализ частоты встречаемости микроскопических грибов показал, что наибольшие изменения в структуре комплекса микромицетов также произошли в результате окультуривания почвы. Математически достоверно возрастала встречаемость 12 видов грибов на вариантах окультуренной почвы по сравнению с целинной. Определенные различия удалось выявить и между вариантами окультуренной почвы·, но они связаны не только с уменьшением дозы удобрений, но и с изменениями в агротехнике и севообороте. Глубина сдвигов в структуре комплекса микроскопических грибов при окультуривании почвы и различных противовилтовых мероприятиях отражена в рассчитанных коэффициентах сходства Соренсена и индексах разнообразия Шеннона. На значительную разницу в комплексах грибов целинной и окультуренной почв указывают низкие коэффициенты сходства Соренсвна (0,38-0,44). Но различий между комплексами микромицетов окультуренных вариантов опыта намного меньше - коэффициенты сходства высокие (0,70-0,75). Существенно возросло видовое разнообразие грибов при окультуривании типичного серозема: значение индекса разнообразия Шеннона увеличилось с 2,71 для комплекса микромицетов целинной почвы до 3,25-3,74 - для различных вариантов окультуренной почвы. Аналогичные выводы можно сделать на основе изучения структуры инициированных микробных сообществ типичного серозема. Сопоставляя изменения, произошедшие в составе микробных сообществ при окультуривании серозема, с результатами модельных экспериментов было обнаружено, что исчезновение гриба Acremonium roseolum из инициированного микробного сообщества (ИМС), возрастание доли бактерий рода Bacillus и грибов рода Coniothyrium вызваны применением минеральных удобрений. Полного сходства ИМС окультуренной почвы с микробным сообществом целинной, в которую в модельных экспериментах вносили азот, фосфор, калий, не выявлено, рис. 32.

Это вполне закономерно, так как главное при окультуривании серозема - изменение водно-воздушного режима почвы, гранулометрического состава, содержания органического вещества, влияние культурных растений и т. п. Сравнение устойчивости микробной системы целинного и окультуренного типичного серозема к воздействию минеральных удобрений показало, что микробная система окультуренного серозема выдерживает большую нагрузку удобрении. Сельскохозяйственное освоение целинного серозема приводит к увеличению зоны гомеостаза микробной системы по отношению к азотным, калийным и полному минеральному удобрению на 20-50%. Возросли также величины доз минеральных удобрений, вызывающих микробный токсикоз почвы. Внесение фосфорного удобрения практически не изменяло структуры и состава микробных сообществ и не приводило к микробному токсикозу как в целинной, так и окультуренной почвах, т.е. микробная система окультуренного серозема способна выдерживать в 1,5 раза более высокую нагрузку полного минерального удобрения по сравнению с целинным сероземом.

Рис. 32. Структура инициированного микробного сообщества целинного и окультуренного типичного серозема:

А – доминирующие виды; Б – часто встречающиеся виды; В – редко встречающиеся виды.

1 – Humicola nigrescens; 2 – Penicillium funiculosum; 3 – Acremonium roseolum; 4 – Aspergillus ustus; 5 - Stachybolrys alternans; 6 – Monilis sp.; 7 - Streptomyces sp. гр. griseus; 8 - Streptomyces sp. гр. albus; 9 - Giliocladium catenulatum; 10 – Trichurus spirales; 11 – Chaetomium sp.; 12 - Bacillus sp.;13 - Coniothyrium sp.; 14 - Gymnoascus sp.

Увеличение устойчивости микробной системы к минеральным удобрениям при окультуривании серозема позволяет оценить произошедшие изменения в микробиоте почвы как положительные.

Также были проведены исследования по влиянию длительного применения минеральных удобрений в отношении микробиоты дерново-подзолистой почвы.

При рассмотрении группового состава микроорганизмов кислой дерново-подзолистой почвы (при высеве на мясопептонный агар) отмечалось доминирующее положение коринеформных бактерий (70-81%), доля актиномицетов и аэробных бактерий составляла соответственно 12-22 и 5-8%. При известковании значительно возросло количество актиномицетов (до 25-41%), появились неспороносные бактерии, близкие к Pseudomonas, и снизилась представленность коринеформных бактерий и бацилл (Bacillus cereus, В. mycoides). Действие удобрений на состав бактерий наиболее заметно на вариантах с внесением аммиачной селитры, как на кислом, так и известкованном фоне. Важно отметить, что применение азотных и азотно-калийных удобрений способствует увеличению в почве количества фитотоксичных бактерий Bacillus mesentericus (в 2 раза) и рода Pseudomonas (в 5 раз).

Разнообразие видового состава актиномицетов лишь незначительно изменялось в вариантах с внесением азотных и полного минерального удобрения по сравнению с кислой неудобренной почвой вследствие появления среди выделенных актиномицетов форм, имеющих розовую окраску (виды секций Roseus).

Известкование длительно удобряемой почвы существенно увеличивало разнообразие выделяемых актиномицетов. В комплексе актиномицетов появлялись представители рода Micromonospora, отсутствующие в вариантах кислой почвы. Известкование также приводит к широкому распространению в почве вида S. roseolilaceus. Показано, что в известкованной длительно удобряемой почве изменяется соотношение типичных и редких видов. В случае применения азотных удобрений это изменение выражалось в увеличении числа типичных доминантных видов в комплексе актиномнцетов.

Увеличение видового богатства актиномицетов на известкованных вариантах почвы подтверждалось рассчитанными индексами разнообразия Шеннона. Отмечена тенденция к снижению видового разнообразия актиномицетов на удобряемых аммиачной селитрой кислой почве и получающей NPK известкованной.

В результате изучения видового состава грибов-микромицетов дерново-подзолистой почвы было выделено около 100 видов, относящихся к 38 родам. Установлена структура комплекса микромицетов, в результате чего выделено 20 типичных видов, остальные отнесены в разряд случайных.

Как в черноземе и сероземе, наибольший сдвиг в структуре комплекса произошел при окультуривании почвы. Коэффициент сходства между целинной и окультуренной почвой в данном случае очень низкий и равен 0,20. различий между контрольной почвой и вариантами опыта с удобрениями значительно меньше.

Следует отметить, что при наличии более высокой численности грибных зачатков, разнообразие выделенных видов меньше в почве, получавшей азотные удобрения.

В известкованных длительно удобряемых дерново-подзолистых почвах видовое разнообразие выделяемых почвенных грибов существенно увеличивается и одновременно заметно изменяется видовой состав микромицетов. Наибольшие изменения структуры комплекса микромицетов длительно удобряемой почвы были выявлены под влиянием известкования с азотным (увеличение встречаемости 8 видов) и азотно-калийным (9 видов) удобрениями. Наименьшие изменения - в результате известкования в комплексе микромицетов контрольного варианта. Варианты с внесением К и NPK занимают промежуточное положение. Наличие существенных изменений в комплексе микромицетов под влиянием извести нашло отражение в низких коэффициентах сходства между кислыми и известкованными вариантами почв (0,51-0,66).

Рассмотрение группового состава дрожжей показало, что доминируют в этой почве дрожжи рода Cryptococcus, доля которых заметно возрастает при известковании (с 47-58 до 62-67%). Почвенные дрожжи Candida podzolica в большем количестве выделяются из кислых почв (22-32%) в сравнении с известкованными (13-18%). На известкованных вариантах уменьшается доля и других мицелиальных дрожжей родов Candida и Trichosporon. В небольшом количестве на всех вариантах опыта обнаружены пигментные дрожжи родов Rhodotorula, Sporobоlomyces, только в известкованной почве - Debaryomyces hansenii. Внесение удобрении (N и NK) привело к увеличению относительного количества в почве только Саndida podzolica.

Таким образом, на состав основного комплекса дрожжей дерново-подзолистой почвы заметное влияние оказывает известкование, применение минеральных удобрений практически его не изменило. Вместе с тем наименьший спектр видов дрожжей выделен из почвы с внесением азотного и азотно-калийного удобрений по фону извести и без нее (11-12 видов), из контрольной почвы и варианте с NPK выделено соответственно 14 и 15 видов.

Под влиянием азотных удобрений и извести происходит существенное изменение процентного содержания токсичных форм грибов. Резко увеличивается при внесении минерального азота встречаемость токсинообразующего гриба Р. funiculosum, намного чаще обнаруживаются фитотоксичные штаммы Р. janthinellum, Р. mariensii, а на известкованных вариантах встречаемость токсичных штаммов этих грибов уменьшается в 10 раз по сравнению с контролем.

Анализ результатов, полученных методом инициированного микробного сообщества, показывает, что систематическое применение азотных, калийных и азотно-калийных удобрений на дерново-подзолистых почвах в течение 30 лет приводит к доминированию в сообществах токсинообразующих грибов Penicillium funiculosum, Р. janthinellum, Р. vermiculatum, Р. purpurogenum и микробному токсикозу почвы, рис. 33. Полное минеральное удобрение, азотно-фосфорное и калийно-фосфорное воздействуют на состав и структуру микробных сообществ значительно слабее, но аналогичным образом. На этих вариантах в меньшей степени проявляется и микробный токсикоз. Длительное применение суперфосфата не изменило структуры микробного сообщества контрольной почвы.

Рис. 33. Структура инициированного микробного сообщества дерново-подзолистой почвы при известковании и различной системе удобрений:

А – доминирующие виды; Б – часто встречающиеся виды; В – редко встречающиеся виды.

1 – Bacillus sp.; 2 – Mycogone nigra; 3 - Aspergillus ustus; 4 – Monilia geophilia; 5 - Streptomyces sp. гр. griseus; 6 - Coniothyrium sp.; 7 - Artrobotrys oligospora; 8 - Gymnoascus sp.; 9 – Trichoderma viridae; 10 – Penicillium lanosum; 11 - Chaetomium sp.; 12 - Oidiodendron griseum; 13 – P. janthinellum; 14 – Cliocladium catenulatum; 15 – P. purpurogenium; 16 – P. funiculosum; 17 – P. vermiculatum

Между степенью микробной токсичности почвы и урожайностью сельскохозяйственных культур существует тесная корреляция. На вариантах, получавших N, К, NK, урожаи всех культур севооборота снизились на 30-60% по сравнению с контролем и вариантом с фосфором.

Известкование дерново-подзолистой почвы коренным образом меняет видовой состав всех вариантов опыта: исчезают токсинообразующие пенициллы и развиваются грибы Monilia geophila, Mycogone nigra, Artrobotrys oligospora, актиномицеты рода Streplomyces и бактерии рода Bacillus. Микробный токсикоз на известкованных вариантах не проявляется. Таким образом, минеральные удобрения и известь по-разному воздействуют на одни и те же микроорганизм Применение минеральных удобрений «смещает» микробное сообщество известкованной почвы по структуре и видовому составу к сообществу контрольной неизвесткованной почвы.

Мелиорирующее действие известкования проявляется и в повышении устойчивости микробной системы почв к применению высоких доз минеральных удобрений. Так, известкование почвы по одной гидролитической кислотности увеличивает зону гомеостаза микробной системы с 300 до 500 кг /га, а микробный токсикоз проявляется при дозе 1500 кг/га NPK Внесение извести в количествах, соответствующих двум – четырем гидролитическим кислотностям, повышает устойчивость микробной системы дерново-подзолистой почвы к удобрениям в 2-3 раза и доводит до величин, близких к чернозему. Применение минеральных удобрений на неизвесткованной почве ведет к быстрому снижению устойчивости ее микробной системы к данному антропогенному фактору.

На известкованной почве этот процесс также имеет место, но протекает значительно медленнее. Это свидетельствует о том, что необходимость периодического известкования вызывается не только ухудшением агрохимических показателей, но и биологических свойств почвы.

При оценке степени воздействия минеральных удобрений на микробиоту почвы такие показатели, как общая численность микроорганизмов и их биомасса, недостаточно четкие критерии. Достоверные изменения их значений происходят, как правило, при применении высоких до удобрений или длительном внесении удобрений, когда существенно меняются агрохимические показатели почвы. Сам характер изменений (увеличение или уменьшение количества микроорганизмов) не всегда можно рассматривать как однозначно положительное или негативное явление.

Более конкретным показателем является определение численности микроорганизмов различных эколого-трофических групп. Внесение минеральных удобрений в умеренных дозах повышает количество микроорганизмов многих физиологических групп в почве. Однако масштабы микробиологических процессов в почве определяются не только численностью микроорганизмов, но главным образом их активностью. Поэтому чрезвычайно актуальным представляется изучение влияния минеральных удобрений на интенсивность протекания в почве важнейших микробиологических процессов, так, пределы доз минеральных азотных удобрений которые могут увеличивать долю «биологического» азота в урожае злаковых культур на дерново-подзолистой и серой лесной почвах составляют 100-120 кг/га. Это обусловлено снижением продуктивности ассоциативной азотфиксации и значительными газообразными потерями азота при более высоких дозах азотных удобрений.

Итак, важнейшим свойством микробной системы почвы является ее устойчивость к антропогенным воздействиям, в частности к минеральным удобрениям. Ее количественным выражением могут быть:

1) величина зоны гомеостаза - диапазон доз вносимых удобрений, при которых сохраняются неизменными состав и структура инициированных микробных сообществ

2) доза, вызывающая микробный токсикоз почвы.

Устойчивость микробной системы определяется типом почвы, степенью ее окультуривания и видом удобрения. Действие минеральных удобрений в дозах, соответствующих зоне гомеостаза, проявляются в интенсификации микробиологических процессов - возрастают общее количество микроорганизмов в почве, скорость микробного разложения органических субстратов, азотфиксация и денитрификация. Использование более высоких доз минеральных удобрений приводит к изменению в соотношении активно функционирующих микроорганизмов в почве и активности различных микробиологических процессов. В этот процесс вовлечены все группы почвенных микроорганизмов (бактерии, актиномицеты, мицелиальные грибы и дрожжи). Важно отметить, что действие минеральных удобрений имеет достаточно малую специфичность, т.е. в небольшой степени зависит от природы агента, и определяется главным образом степенью его нагрузки. Это обусловливает сложность и бесперспективность поиска индикаторных видов микроорганизмов на определенное удобрение. Появление индикаторных форм микроорганизмов, связанных с конкретным удобрением, возможно только при внесении его в очень высоких концентрациях, которое коренным образом изменяет состав микробных сообществ почв и общее количество почвенных микроорганизмов. В практике сельского хозяйства такие большие дозы удобрений не применяются, в то же время индикаторные организмы можно обнаружить в отдельных микроочагах с избыточным количеством удобрений за счет неравномерности их внесения в полевых условиях.

Отрицательное действие высоких доз азотных, калийных и полного минерального удобрения и длительного их применения проявляется в активизации токсинообразующих микроорганизмов и увеличении их содержания в почве, что приводит к микробному токсикозу почвы.

Окультуривание почв путем внесения органических удобрений и извести - важный фактор для предотвращения негативных последствий высоких доз удобрений.