Статья: Микробиологический статус микрофлоры ризосферы многолетних бобовых трав как критерий оценки и прогноза состояния почвы

Микробиологический статус микрофлоры ризосферы многолетних бобовых трав как критерий оценки и прогноза состояния почвы

Р.А. Шурхно, О.Л. Шайтанов, Р.Г. Гареев, Р.П. Наумова

В трехлетнем эксперименте на серых лесных почвах оценивали динамику численности ризосферных микроорганизмов и биологическую активность почвы под посевами кормовых бобовых культур различных видов. Обсуждается возможность интегральной оценки физиологического состояния ризосферной микрофлоры по показателям биологической активности почвы и численности микроорганизмов.

Summary

MICROBIOLOGICAL STATUS OF MICROFLORA OF RHIZOSPHERE

OF PERENNIAL LEGUMES GRASSES AS CRITERIA FOR

ESTIMATION AND FORECAST OF SOIL CONDITION

R.A. Shurkhno, O.L. Shaitanov, R.G. Gareev, R.P. Naumova

In three-year experiment on gray forest soils the authors estimated the dynamics of number of rhizospheral microorganisms and the soil biological activity under fodder legumes crops of different species. The inverse negative relationship was revealed between nitrogen-fixing and nitrifying activity in rhizospheral soil and the nitrogen-fixing activity was significantly higher as compared with control. It was shown, that cultivation of legumes crops influenced positively on restoration of soil fertility and also promote to reduction of soil phytopathogenicity and nitrate content. The possibility of integral estimation of physiological state of rhizospheral microflora by the parameters of soil biological activity and the number of microorganisms.

Микробиологический мониторинг ризосферы многолетних бобовых трав привлекает к себе внимание в связи с необходимостью повышения урожайности кормовых культур при одновременном сохранении почвенного плодородия, которое в значительной степени обусловлено активностью микроорганизмов корнеобитаемого слоя почвы. В этой зоне активность микробиоты значительно выше, чем в неризосферной, и зависит главным образом от вида возделываемых культур. При этом растения оказывают влияние на биогенность и общую биологическую активность пахотного слоя, накопление биомассы микроорганизмов и включение последней в структуру органического вещества почвы (1).

При возделывании бобовых культур ризосферные микроорганизмы способствуют как формированию в почве определенного фона необходимых растениям питательных и физиологически активных (витамины, гормоны, ферменты) веществ, так и повышению азотфиксирующей активности почвы (2, 3). Ризосферные микроорганизмы продуцируют также антибиотические вещества, благодаря чему участвуют в образовании микробных ассоциаций.

В задачу нашей работы входило исследование динамики численности ризосферных микроорганизмов и биологической активности почвы под посевами кормовых бобовых культур с целью интегральной оценки растительно-микробных взаимодействий.

Методика

Эксперименты проводили в течение 3 лет на опытных полях Татарского НИИ сельского хозяйства (Казань). Делянки площадью по 45 м² располагали систематически в 3-кратной повторности. Почва серая лесная, тяжелосуглинистая. Содержание в почве калия и фосфора (по Кирсанову), кальция + магния (по Каппену), легкогидролизуемого азота (по Корнфилду) и гумуса (по Тюрину) составляло соответственно 157,0 и 318,0; 27,0; 12,3 мг/кг и 3,8 %; рН 5,3 (солевая вытяжка) (4). Использовали следующие кормовые культуры: клевер луговой (сорт Ранний 2), козлятник восточный (сорт Гале) и люцерну посевную (сорт Айслу). Контролем служил участок под паром.

Образцы микроорганизмов отбирали асептически из гумусированного горизонта А₁ (5-кратно на протяжении полевого сезона) и культивировали на плотных питательных средах в течение 5-7 сут при 28 ^оС. При этом аэробные гетеротрофы культивировали на мясо-пептонном агаре, микромицеты -- на среде Чапека-Докса, актиномицеты -- на крахмало-аммиачном агаре, нитрифицирующие бактерии -- на голодном агаре, свободноживущие азотфиксаторы -- на среде Эшби (5, 6).

Численность почвенных бактерий, актиномицетов и микромицетов оценивали по количеству колониеобразующих единиц (КОЕ) на 1 г абсолютно сухой почвы. Идентификацию микромицетов (до рода) проводили по морфолого-культуральным признакам (7). Об интенсивности дыхания почвы судили по количеству выделенного в полевых условиях диоксида углерода -- мг СО₂/(м²ч) (8).

Нитрифицирующую способность почвы (реальную и потенциальную) анализировали по общепринятой методике (6). Концентрацию нитрат-ионов в водных растворах (мг NO/кг почвы) определяли на ионометре И-130 с помощью ионоселективного электрода ЭМ-020604, потенциальную активность азотфиксации -- ацетиленовым методом на приборе «Хром-5» (7). Активность азотфиксации (Р_а) рассчитывали по формуле

Р_а = 210^-4 S(V_ф - 0,7V_п)(Р - 17,5)/S_т,

где Р_а -- мг N₂/(кгч); S и S_т -- площадь «пиков» по концентрации этилена соответственно в образце и стандарте, мм²; V_ф -- объем флакона, см³; V_п -- объем почвы, см³; 0,7 -- коэффициент, отражающий рыхлость почвы; Р -- атмосферное давление, мм рт. ст. (9).

Для оценки химического состава растительной массы бобовых трав последние высушивали при 108 ^оС (ГОСТ 27548); содержание общего азота определяли по Кьельдалю (10).

Статистическую обработку данных проводили с использованием таблиц программы Excel 7.0.

Результаты

Численность аэробных гетеротрофов, актиномицетов и микромицетов в ризосфере кормовых бобовых трав зависела от периода вегетации (рис. 1). Максимальное количество гетеротрофных микроорганизмов в прикорневой зоне растений в летний и осенний периоды достигло соответственно 28,5 и 14,8 млн КОЕ/г почвы (в контроле -- соответственно 6,0 и 6,5 млн КОЕ/г) (см. рис. 1А).

Поскольку диоксид углерода является конечным продуктом окисления при аэробном дыхании, а скорость и количество выделенного СО₂ служат индикаторами аэробной минерализации органических соединений, последние можно использовать в качестве показателей суммарной биологической активности ризосферной почвы. По-видимому, аэробным гетеротрофам принадлежит решающая роль на конечных этапах разложения органического вещества, так как они доминируют в ризосферном сообществе микроорганизмов. Тем не менее прямой корреляции между численностью гетеротрофов и дыхательной активностью почвы нами не выявлено (табл. 1).

Количество актиномицетов было на порядок (и более) ниже, чем аэробных гетеротрофов (см. рис. 1Б). Известно, что между количеством актиномицетов в почве, содержанием и степенью доступности органического вещества существует корреляция (11). Прокариоты этой категории активно размножаются лишь тогда, когда создаются условия для использования сравнительно труднодоступных субстратов.

Рис. 1. Динамика численности (млн КОЕ/г) различных микроорганизмов в ризосфере многолетних бобовых трав разных видов в зависимости от периода вегетации: А, Б и В -- соответственно аэробные гетеротрофы, актиномицеты и микромицеты; 1, 2, 3 и 4 -- соответственно козлятник восточный (сорт Гале), люцерна посевная (сорт Айслу), клевер луговой (сорт Ранний 2) и контроль (пар).

Количество грибных пропагул в ризосфере бобовых растений варьировало от 0,04 до 0,29 млн КОЕ/г (см. рис. 1В).

Учитывая особую роль микромицетов в разложении стойких полимеров отмирающей растительной массы и образовании ароматических мономеров для синтеза гумуса, мы провели идентификацию рода популяций грибов в ризосфере изучаемых растений (табл. 2). Микромицеты были представлены в основном родами Penicillium, Aspergillus, Mycor, Trichoderma, Rhizopus, Alternaria и Fusarium, хотя по количеству колониеобразующих единиц они уступали микроорганизмам других групп.

В ризосфере растений исследуемых культур содержание пропагул грибов было сопоставимо с таковым в контроле. Доминирование бактериального комплекса (псевдомонады и бациллы), возможно, обусловлено высокой миколитической активностью этих прокариотов. По частоте встречаемости в ризосфере растений козлятника восточного абсолютными доминантами (> 50 %) были представители родов Aspergillus и Trichoderma, клевера лугового и люцерны посевной -- Penicillium и Aspergillus; в прикорневой зоне растений люцерны доминировал также условно патогенный гриб Fusarium sp. (см. табл. 2).

2. Почвенные микромицеты, встречающиеся в ризосфере многолетних бобовых трав в зависимости от периода вегетации и вида возделываемой культуры

Для всех испытуемых культур выявлена тенденция к смещению рН ризосферной почвы в нейтральную область: 5,9; 6,0; 6,3 -- соответственно растения козлятника восточного, клевера лугового и люцерны посевной (в контроле рН 5,3).

Это, несомненно, отражает средообразующую роль бобовых культур и, вероятно, является следствием повышенного содержания белка в растениях.

При разложении отмершей растительной массы минерализация аминокислот сопровождается освобождением азота в форме аммония, понижающего кислотность почвы, что наиболее характерно для высокобелковых растений, особенно люцерны посевной:

Рис. 2. Численность свободноживущих азотфиксирующих бактерий (1) и азотфиксирующая активность почвы (2) в ризосфере многолетних бобовых трав разных видов в зависимости от периода вегетации: I, II, III, IV и V -- соответственно май, июнь, июль, август и сентябрь; а, б, в и г -- соответственно козлятник восточный (сорт Гале), люцерна посевная (сорт Айслу), клевер луговой (сорт Ранний 2) и контроль (пар).

Усвоение атмосферного азота -- процесс, который в природных условиях основан на азотфиксирующей активности очень многих бактерий (12). Интенсивность накопления биологического азота растениями бобовых культур в симбиозе с бактериями-азотфиксаторами обусловливает урожайность последних, а также сохранение почвенного плодородия. В нашем эксперименте количество свободноживущих азотфиксаторов, осуществляющих связывание атмосферного азота в прикорневой зоне растений, не всегда коррелировало с азотфиксирующей активностью серой лесной почвы по вариантам опыта (рис. 2). Вероятно, увеличение азотфиксирующей активности почвы вызвано возрастанием численности свободноживущих диазотрофов, связывающих азот, в большей мере, чем количеством клубеньковых бактерий. Так, за полевой сезон активность азотфиксации в ризосфере растений козлятника восточного, люцерны посевной, клевера лугового и в почве контрольного варианта составляла соответственно 1,2; 1,3; 0,95 и 0,2 мг N₂/(кгч).

Следовательно, активность азотфиксации в почве при наличии растений в 4,8-6,5 раза выше, нежели в их отсутствие. Это объясняется тем, что продукты экзосмоса и прикорневого опада растений являются энергетическим субстратом для бактерий-диазотрофов. Высокая поглотительная способность корней способствует быстрому оттоку метаболитов азотфиксаторов и поддерживает тем самым высокую активность нитрогеназы (13). Что касается альтернативной, окислительной ветви цикла азота, то процесс нитрификации в почве при ее сельскохозяйственном использовании обычно подавлен и, возможно, это предохраняет почвенную экосистему от очень больших потерь азота в ходе последующей денитрификации (14). Полученные данные по соотношению реальной и потенциальной нитрифицирующей активности почвы подтверждают эту закономерность (табл. 3).