Динамика функциональной активности микробных сообществ бореальных почв под влиянием биоугля

Динамика функциональной активности микробных сообществ бореальных почв под влиянием биоугля

Автор: Дубровина И.А., Мошкина Е.В.

Журнал: Сельскохозяйственная биология @agrobiology

Рубрика: Крайний Север, Арктика, Антарктика: новые агротехнологии

Статья в выпуске: 5 т.59, 2024 года.

Бесплатный доступ

Биоуголь представляет собой продукт пиролиза различных органических материалов с высоким содержанием углерода. За счет ароматической структуры, высокой пористости и емкости катионного обмена биоуголь оказывает значительное влияние на физические, химические и биологические свойства почв. Применение биоугля в сельском хозяйстве рассматривается как возможность безопасной утилизации отходов и восстановления качества почв, а также углеродной секвестрации. Изменение структуры, численности и экофизиологического статуса почвенных микроорганизмов остается одним из малоизученных последствий использования биоугля. В настоящей работе впервые установили, что биоуголь действует разнонаправленно на функционирование микробных сообществ бореальных почв. Целью работы было изучение влияния древесного биоугля на базальное дыхание, содержание углерода микробной биомассы и микробиологические коэффициенты бореальных почв различного гранулометрического состава. Исследования проводили в среднетаежной подзоне Карелии. Площадки были заложены в 2018 и 2019 годах на участках пашни с разными по гранулометрическому составу почвами и нормальным увлажнением. Почва легкого гранулометрического состава была представлена агроземом альфегумусовым иллювиально-железистым супесчаным на озерных песках (АА) (Лаборатория агротехнологий «Вилга» КарНЦ РАН, п. Виданы, Пряжинский р-н, Карелия, 61°52′22,8′′ N, 34°0′3,6′′ E), почва тяжелого гранулометрического состава - агроземом текстурно-дифференцированным типичным среднесуглинистым на морене суглинистой (АТ) (Агробиологическая станция КарНЦ РАН, г. Петрозаводск, 61°45′3,6′′ N, 34°21′12,4′′ E). Участки с внесением биоугля и контрольные делянки были заложены рандомизированно в 4-кратной повторности, площадь делянок составляла 5 м2. Использовали уголь древесный (ГОСТ 7657-84), марка А (Россия) в дозе 1,5 кг/м2 (15 т/га), размер фракции £ 1 см. Уголь вносили 1-кратно и перекапывали вручную на глубину 20-25 см, дополнительные удобрения не применяли. В первый год исследования на участках выращивали картофель, во второй год - сидераты. Отбор почвенных проб проводили ежемесячно в течение вегетационных периодов 2018-2019 годов для участков с АА и 2019-2020 годов для участков с АТ. С каждого участка отбирали почву с глубины пахотного горизонта 5-20 см методом «конверта» и анализировали смешанный образец в 4-кратной повторности. Содержание общего органического углерода (Сорг.) определяли методом высокотемпературного каталитического сжигания на анализаторе ТОС-L CPN («Shimadzu», Япония). Скорость базального (микробного) дыхания (БД) измеряли в нативной почве, которую инкубировали 24 ч при 22 °С. Содержание углерода микробной биомассы (Cмик.) определяли методом субстрат-индуцированного дыхания, которое оценивали по скорости начального максимального дыхания микроорганизмов после обогащения почвы глюкозой (инкубация в течение 1,5-2 ч при 22 °С). Изменение концентрации СО2 регистрировали газоанализатором NDIR-сенсор («SenseAir», Швеция). Определяли параметры экофизиологического статуса микробного сообщества: долю углерода микробной биомассы в общем органическом углероде почвы Смик./Сорг., микробный метаболический коэффициент qCO2, коэффициент микробного дыхания QR. Полевой мониторинг экофизиологических параметров микробных сообществ в почвах разного гранулометрического состава при внесении биоугля выявил многофакторные и нелинейные воздействия условий среды на динамику изученных показателей. Базальное дыхание меньше зависело от погодных условий по сравнению с углеродом микробной биомассы и связанных с ним коэффициентов, на величину которых, по-видимому, также влияло поступление органических остатков. АА изначально имеет более низкую микробную биомассу и менее зрелое микробное сообщество с меньшей устойчивостью и низким качеством органического вещества по сравнению с АТ. Внесение биоугля оказывало разнонаправленное влияние на эти почвы. Несмотря на стабильное и достоверное (р ≤ 0,05) повышение содержания общего органического углерода в обеих почвах до 20 %, показатели БД и Смик. при внесении биоугля в АТ имели тенденцию к снижению, также достоверно (р ≤ 0,05) снижалась доля Смик. в составе Сорг., что указывало на недостаток доступного для микроорганизмов субстрата. При этом показатели qCO2 и QR снижались незначительно и недостоверно. В АА происходило увеличение БД (недостоверное) и Смик. (р ≤ 0,05 для некоторых дат), что, по-видимому, свидетельствовало о всплеске активности K-стратегов при минерализации труднодоступных соединений биоугля. Добавление биоугля не влияло на Смик. в Сорг. почвы в АА. При этом происходило уменьшение qCO2 и QR, то есть для микроорганизмов складывались более благоприятные условия среды. В целом, добавление биоугля увеличивало адаптивный потенциал микробного сообщества супесчаной почвы.

Еще

Биоуголь, базальное дыхание, углерод микробной биомассы, органический углерод почвы, микробный метаболический коэффициент, коэффициент микробного дыхания

Короткий адрес: https://sciup.org/142243775

IDR: 142243775   |   DOI: 10.15389/agrobiology.2024.5.943rus

Список литературы Динамика функциональной активности микробных сообществ бореальных почв под влиянием биоугля

  • Gul S., Whalen J.K., Thomas B.W., Sachdeva V., Deng H. Physico-chemical properties and microbial responses in biochar-amended soils: mechanisms and future directions. Agriculture, Ecosystems and Environment, 2015, 206: 46-59 (doi: 10.1016/j.agee.2015.03.015).
  • Kuppusamy S., Thavamani P., Megharaj M., Venkateswarlu K., Naidu R. Agronomic and remedial benefits and risks of applying biochar to soil: current knowledge and future research directions. Environment International, 2016, 87: 1-12 (doi: 10.1016/j.envint.2015.10.018).
  • Hawthorne I., Johnson M.S., Jassal R.S., Black T.A., Grant N.J., Smukler S.M. Application of biochar and nitrogen influences fluxes of CO2, CH4 and N2O in a forest soil. Journal of Environmental Management, 2017, 192: 203-214 (doi: 10.1016/j.jenvman.2016.12.066).
  • Liu X., Zheng J., Zhang D., Cheng K., Zhou H., Zhang A., Li L., Joseph S., Smith P., Crowley D., Kuzyakov Y., Pan G. Biochar has no effect on soil respiration across Chinese agricultural soils. Science of the Total Environment, 2016, 554-555: 259-265 (doi: 10.1016/j.scitotenv.2016.02.179).
  • Šlapakova B., Jeřabkova J., Vořišek K., Tejnecky V., Drabek O. The biochar effect on soil respiration and nitrification. Plant, Soil and Environment, 2018, 64(3): 114-119 (doi: 10.17221/13/2018-PSE).
  • Walkiewicz A., Kalinichenko K., Kubaczyński A., Brzezińska M., Bieganowski A. Usage of biochar for mitigation of CO2 emission and enhancement of CH4 consumption in forest and orchard Haplic Luvisol (Siltic) soils. Applied Soil Ecology, 2020, 156: 103711 (doi: 10.1016/j.apsoil.2020.103711).
  • Бучкина Н.П., Балашов Е.В., Шимански В., Игаз Д., Хорак Я. Изменение биологических и физических параметров почв разного гранулометрического состава после внесения биоугля. Сельскохозяйственная биология, 2017, 52(3): 471-477 (doi: 10.15389/agrobiology.2017.3.471rus).
  • Дубровина И.А. Влияние биоугля на агрохимические показатели и ферментативную активность почв средней тайги Карелии. Почвоведение, 2021, 12: 1523-1534 (doi: 10.31857/S0032180X21120054).
  • Khadem A., Raiesi F. Responses of microbial performance and community to corn biochar in calcareous sandy and clayey soils. Applied Soil Ecology, 2017, 114: 16-27 (doi: 10.1016/j.apsoil.2017.02.018).
  • Wu D., Senbayram M., Zang H., Ugurlar F., Aydemir S., Brüggemann N., Kuzyakov Y., Bol R., Blagodatskaya E. Effect of biochar origin and soil pH on greenhouse gas emissions from sandy and clay soils. Applied Soil Ecology, 2018, 129: 121-127 (doi: 10.1016/j.apsoil.2018.05.009).
  • Zhou H., Zhang D., Wang P., Liu X., Cheng K., Li L., Zheng J., Zhang X., Zheng J., Crowley D., Van Zwieten L., Pan G. Changes in microbial biomass and the metabolic quotient with biochar addition to agricultural soils: a meta-analysis. Agriculture, Ecosystems and Environment, 2017, 239: 80-89 (doi: 10.1016/j.agee.2017.01.006).
  • Wang Z., Zhao M., Yan Z., Yang Y., Niklas K.J., Huang H., Mipam T.D., He X., Hu H., Wright S.J. Global patterns and predictors of soil microbial biomass carbon, nitrogen, and phosphorus in terrestrial ecosystems. Catena, 2022, 211: 106037 (doi: 10.1016/j.catena.2022.106037).
  • Рижия Е.Я., Бойцова Л.В., Вертебный В.Е., Хорак Я., Москвин М.А., Дубовицкая В.И., Хомяков Ю.В. Изменчивость полифенолоксидазной и пероксидазной активности агро-дерново-подзолистой почвы разной окультуренности с биоуглем. Сельскохозяйственная биология, 2022, 57(3): 476-485 (doi: 10.15389/agrobiology.2022.3.476rus).
  • Oladele S.O., Adetunji A.T. Agro-residue biochar and N fertilizer addition mitigates CO2-C emission and stabilized soil organic carbon pools in a rain-fed agricultural cropland. International Soil and Water Conservation Research, 2021, 9(1): 76-86 (doi: 10.1016/j.iswcr.2020.09.002).
  • Sorrenti G., Buriani G., Gaggìa F., Baffoni L., Spinelli F., Gioia D., Toselli M. Soil CO2 emission partitioning, bacterial community profile and gene expression of Nitrosomonas spp. and Nitrobacter spp. of a sandy soil amended with biochar and compost. Applied Soil Ecology, 2017, 112: 79-89 (doi: 10.1016/j.apsoil.2017.01.003).
  • Атлас Карельской АССР /Под ред. А.Г. Дурова. М., 1989.
  • Anderson J.P.E., Domsch K.H. A physiological method for the quantitative measurement of microbial biomass in soils. Soil Biology & Biochemistry, 1978, 10(3): 215-221 (doi: 10.1016/0038-0717(78)90099-8).
  • Карельский центр по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды. Информационно-аналитический обзор гидрометеорологических условий на территории Республики Карелия. Режим доступа: https://www.kareliameteo.ru/press-center.html. Дата обращения: 02.02.2021.
  • Xu X., Thornton P.E., Post W.M. A global analysis of soil microbial biomass carbon, nitrogen and phosphorus in terrestrial ecosystems. Global Ecology and Biogeography, 2013, 22(6): 737-749 (doi: 10.1111/geb.12029).
  • Zhu L.-X., Xiao Q., Cheng H.-Y., Shi B.-J., Shen Y.-F., Li S.-Q. Seasonal dynamics of soil microbial activity after biochar addition in a dryland maize field in North-Western China. Ecological Engineering, 2017, 104(Part A): 141-149 (doi: 10.1016/j.ecoleng.2017.04.026).
  • Wang Y., Liu X., Chen F. Huang R., Deng X., Jiang Y. Seasonal dynamics of soil microbial biomass C and N of Keteleeria fortunei var. cyclolepis forests with different ages. Journal of Forestry Research, 2020, 31: 2377-2384 (doi: 10.1007/s11676-019-01058-w).
  • Dequiedt S., Saby N.P.A., Lelievre M., Jolivet C., Thioulouse J., Toutain B., Arrouays D., Bispo A., Lemanceau P., Ranjard L. Biogeographical patterns of soil molecular microbial biomass as influenced by soil characteristics and management. Global Ecology and Biogeography, 2011, 20(4): 641-652 (doi: 10.1111/j.1466-8238.2010.00628.x).
  • Помазкина Л.В., Семенова Ю.В. Воздействие климатических изменений и загрязнения тяжелыми металлами разных типов почв на трансформацию соединений углерода в агроэкосистемах лесостепи Прибайкалья. Почвоведение, 2018, 5: 617-629 (doi: 10.7868/S0032180X18050106).
  • Liu S., Zhang Y., Zong Y., Hu Z., Wu S., Zhou J., Jin Y., Zou J. Response of soil carbon dioxide fluxes, soil organic carbon and microbial biomass carbon to biochar amendment: a meta-analysis. GCB Bioenergy: Bioproducts for a Sustainable Bioeconomy, 2016, 8(2): 392-406 (doi: 10.1111/gcbb.12265).
  • Palansooriya K.N., Wong J.T.F., Hashimoto Y., Huang L., Rinklebe J., Chang S.X., Bolan N., Wang H., Ok Y.S. Response of microbial communities to biochar-amended soils: a critical review. Biochar, 2019, 1: 3-22 (doi: 10.1007/s42773-019-00009-2).
  • Deshoux M., Sadet-Bourgeteau S., Gentil S., Prévost-Bouré N.C. Effects of biochar on soil microbial communities: a meta-analysis. Science of The Total Environment, 2023, 902: 166079 (doi: 10.1016/j.scitotenv.2023.166079).
  • Мухина И.М., Дурова А.С. Влияние биоугля на биологические свойства дерново-подзо-листой супесчаной почвы и эффективность использования растениями питательных веществ. Агрофизика, 2017, 1: 26-35.
  • Lavoie M., Mack M., Schuur E. Effects of elevated nitrogen and temperature on carbon and nitrogen dynamics in Alaskan arctic and boreal soils. Journal of Geophysical Research, 2011, 116(G3): G03013 (doi: 10.1029/2010jg001629).
  • Laghari M., Mirjat M.S., Hu Z., Fazal S., Xiao B., Hu M., Chen Z., Guo D. Effects of biochar application rate on sandy desert soil properties and sorghum growth. Catena, 2015, 135: 313-320 (doi: 10.1016/j.catena.2015.08.013).
  • Рижия Е.Я., Мухина И.М., Вертебный В.Е., Хорак Я., Конончук П.Ю., Хомяков Ю.В. Ферментативная активность и эмиссия закиси азота из дерново-подзолистой супесча-ной почвы с биоуглем. Сельскохозяйственная биология, 2017, 52(3): 464-470 (doi: 10.15389/agrobiology.2017.3.464rus).
  • Qayyum M.F., Steffens D., Reisenaue H.P. Schubert S. Kinetics of carbon mineralization of biochars compared with wheat straw in three soils. Journal of Environmental Quality, 2012, 41(4): 1210-1220 (doi: 10.2134/jeq2011.0058).
  • Благодатская Е.В., Семенов М.В., Якушев А.В. Активность и биомасса почвенных микроорганизмов в изменяющихся условиях окружающей среды. М., 2016.
  • Журавлева А.И., Мякшина Т.Н., Благодатская Е.В. Влияние пирогенно-измененных субстратов на минерализационную активность и стратегии роста микроорганизмов серой лесной почвы. Микробиология, 2011, 80(2): 207-218.
  • Shang W., Razavi B.S., Yao S., Hao C., Kuzyakov Y., Blagodatskaya E., Tian J. Contrasting mechanisms of nutrient mobilization in rhizosphere hotspots driven by straw and biochar amendment. Soil Biology and Biochemistry, 2023, 187: 109212 (doi: 10.1016/j.soilbio.2023.109212).
  • Шахназарова В.Ю., Орлова Н.Е., Орлова Е.Е., Банкина Т.А., Якконен К.Л., Рижия Е.Я., Кичко А.А. Изменения таксономического состава и структуры прокариотного сообщества агродерново-подзолистой почвы при внесении биоугля. Сельскохозяйственная биология, 2020, 55(1): 163-173 (doi: 10.15389/agrobiology.2020.1.163rus).
  • Guo X.F., Li H.S., Hu Y.M. Effects of biochar on the diversity and community structure of soil fungi in intercropping system. Applied Ecology and Environmental Research, 2019, 17(4): 8817-8834 (doi: 10.15666/aeer/1704_88178834).
  • Tarin M.W.K., Fan L., Xie D. Tayyab M., Rong J., Chen L., Muneer M.A., Zheng Y. Response of soil fungal diversity and community composition to varying levels of bamboo biochar in red soils. Microorganisms, 2021, 9(7): 1385 (doi: 10.3390/microorganisms9071385).
  • Гавриленко Е.Г., Сусьян Е.А., Ананьева Н.Д., Макаров О.А. Пространственное варьирование содержания углерода микробной биомассы и микробного дыхания почв Южного Подмосковья. Почвоведение, 2011, 10: 1231-1245.
  • Winter K., Beese F. The spatial distribution of soil microbial biomass in a permanent row crop. Biology and Fertility of Soils, 1995, 19(4): 322-326 (doi: 10.1007/BF00336102).
  • Маслов М.Н., Токарева О.А., Караванова Е.И., Маслова О.А., Копеина Е.И. Динамика биологической активности и водорастворимого органического вещества в почвах горной тундры Хибин на склонах разной экспозиции. Почвоведение, 2021, 4: 436-450 (doi: 10.31857/S0032180X21040110).
  • Thiffault E., Hannam K.D., Quideau S.A., Paré D., Bélanger N., Oh S.-W., Munson A.D. Chemical composition of forest floor and consequences for nutrient availability after wildfire and harvesting in the boreal forest. Plant and Soil, 2008, 308: 37-53 (doi: 10.1007/s11104-008-9604-6).
  • Рижия Е.Я., Хомяков Ю.В., Мухина И.М., Москвин М.А., Гурова Т.А. Почвенно-биоло-гические процессы в дерново-подзолистой супесчаной почве с биоуглем. Агрофизика, 2019, 3: 26-32 (doi: 10.25695/AGRPH.2019.03.05).
  • Zheng J., Chen J., Pan G., Liu X., Zhang X., Li L., Bian R., Cheng K., Zheng J. Biochar decreased microbial metabolic quotient and shifted community composition four years after a single incorporation in a slightly acid rice paddy from southwest China. Science of the Total Environment, 2016, 571: 206-217 (doi: 10.1016/j.scitotenv.2016.07.135).
  • Завьялова Н.Е., Ковалевская Н.П., Шаравин Д.Ю. Влияние длительного применения минеральных удобрений на экофизиологические показатели микробоценозов дерново-под-золистой почвы Предуралья. Агрохимия, 2020, 1: 3-8 (doi: 10.31857/S0002188120010147).
  • Ma R., Wu X., Liu Z., Yi Q., Xu M., Zheng J., Bian R., Zhang X., Pan G. Biochar improves soil organic carbon stability by shaping the microbial community structures at different soil depths four years after an incorporation in a farmland soil. Current Research in Environmental Sustainability, 2023, 5: 100214 (doi: 10.1016/j.crsust.2023.100214).
Еще
Статья научная
QR-код для установки приложения SciUp Наведите камеру и скачайте бесплатное приложение SciUp