Динамика функциональной активности микробных сообществ бореальных почв под влиянием биоугля

Биоуголь представляет собой продукт пиролиза различных органических материалов с высоким содержанием углерода. Сырьем для получения биоугля могут служить отходы сельскохозяйственного производства, лесной и деревообрабатывающей отрасли, а также бытовой мусор и осадок сточных вод. Биоуголь имеет высокую обменную емкость и удерживающую способность, обусловленные большой площадью поверхности и отрицательным поверхностным зарядом гидроксильных и карбоксильных групп. Пористая структура биоугля служит основным фактором, влияющим на его адсорбционную способность. В последнее время биоуголь активно исследуют и применяют в качестве мелиоранта и удобрения для почв в сельском хозяйстве. За счет ароматической структуры, высокой пористости и емкости катионного обмена биоуголь оказывает значительное влияние на физические, химические и биологические свойства почв (1).

Применение биоугля рассматривается как возможность безопасной утилизации отходов и восстановления качества почв, а также углеродной секвестрации (2). Поскольку уголь представляет собой одну из наиболее устойчивых форм восстановленного углерода для химического окисления и остается в почве длительное время, происходит связывание биосферного углерода. Множество исследований показывают общее снижение потока углекислого газа из сельскохозяйственных почв, обогащенных биоуглем (36). Это свойство предлагается использовать в борьбе с глобальным потеплением климата. Значительная неопределенность влияния биоугля на изменение почвенных параметров и эмиссию парниковых газов обусловлена гранулометрическим составом почв, видом биоугля и его дозировкой, а также применением дополнительных удобрений (7-10).

Одно из малоизученных последствий применения биоугля в сельском хозяйстве — изменение структуры, численности и экофизиологиче-ского статуса почвенных микроорганизмов (11). Микробное сообщество играет важную роль в почвообразовании и круговоротах биогенных элементов, разложении органических веществ и минерализации азота, а также влияет на продуктивность экосистем (12). Поскольку гетеротрофные микроорганизмы извлекают энергию из органического вещества почв, то внесение биоугля как источника трудноразлагаемого углерода может иметь непредсказуемые последствия для почвенной экологии. В почвенной среде, несмотря на высокую химическую стойкость и ароматическую структуру биоугля, происходит его биохимическое разложение под воздействием микроорганизмов (13). Эти процессы связаны с активностью почвенной микробиоты и оказывают влияние на циклы элементов питания растений, от чего зависит урожайность и качество культур (14, 15).

В связи с вышеперечисленным существует необходимость полевых наблюдений и опытов с биоуглем для понимания пролонгированных эффектов его применения на эколого-физиологические параметры почвенных микробных сообществ.

В настоящей работе мы впервые установили, что биоуголь оказывает разнонаправленное действие на функционирование микробных сообществ в бореальных почвах среднетаежной подзоны Карелии.

Целью работы было изучение влияния внесения древесного биоугля на базальное дыхание, содержание углерода микробной биомассы и микробиологические коэффициенты бореальных почв различного гранулометри- ческого состава.

Методика. Исследования проводили в среднетаежной подзоне Карелии, климат района исследования характеризовался как умеренно-холодный, переходный от морского к континентальному. Территория относится к южному агроклиматическому району со средней температурой января - 10 ° С, июля +16 ° С и среднегодовым количеством осадков 650-725 мм. Продолжительность безморозного периода составляет 200-210 сут, сумма эффективных температур — 1400-1500 ° С (16).

Площадки мониторинга 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 имела развитый пахотный горизонт мощностью 46 см с содержанием физической глины 12 %, плотность сложения — 1,1 г/см³, рН KCl 6,1, содержание С орг. — 3 %, N общ. — 0,23 %, подвижного фосфора и калия (по Кирсанову) — соответственно 510 и 120 мг/кг. Почва тяжелого гранулометрического состава была представлена 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). Почва имела пахотный горизонт мощностью 30 см, содержание физической глины составляло 31 %, плотность сложения — 1,2 г/см³, рН KCl 5,1, содержание С орг. — 1,8 %, N общ. — 0,14 %, подвижного фосфора и калия (по Кирсанову) — соответственно 310 и 150 мг/кг.

Участки с биоуглем и контрольные делянки были заложены рандомизиро-ванно 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. Биоуголь имел следующие характеристики: содержание С — 81, N — 0,35, К — 0,24, Р — 0,026, Са — 0,83, Mg — 0,20, золы — 2,8 % от массы сухого вещества, рН H 2 O 9,3, рН KCl 7,9; плотность — 0,37 г/см³. Уголь вносили 1-кратно и перекапывали вручную на глубину 20-25 см, дополнительные удобрения не применяли. В первый год исследования на участках выращивали картофель ( Solanum tuberosum L.) сорта Невский, во второй год — сидераты (горчица Sinapis alba L.).

Почвенные пробы отбирали ежемесячно в течение вегетационных периодов 2018-2019 годов для участков с АА и 2019-2020 годов для участков с АТ. С каждого участка в 4-кратной повторности отбирали почву с глубины пахотного горизонта 5-20 см методом «конверта» и анализировали смешанный образец.

Содержание общего органического углерода (С орг. ) определяли методом высокотемпературного каталитического сжигания на анализаторе ТОС-L CPN («Shimadzu», Япония).

Для определения базального дыхания (БД) и углерода микробной биомассы (Cмик.) образцы почвы предварительно инкубировали 7 сут при 22 °С и 60 % полной влагоемкости. Скорость базального (микробного) дыхания (мг С • кг-1 • сут-1) измеряли в нативной почве, проинкубированной 24 ч при 22 °С. Содержание углерода микробной биомассы определяли методом субстрат-индуцированного дыхания (СИД), 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-sensor («Sen-seAir», Швеция).

Углерод микробной биомассы (мг С/кг почвы) рассчитывали по формуле: C мик. = СИД • 40,04 + 0,37. Определяли параметры экофизиоло-гического статуса микробного сообщества: долю углерода микробной биомассы в общем органическом углероде почвы С мик. /С орг. (%); микробный метаболический коэффициент qCO 2 (мг* кг - 1 •ч ^{- 1}) рассчитывали как отношение скорости базального дыхания к величине микробной биомассы БД/С мик. ; коэффициент микробного дыхания QR вычисляли как отношение БД/СИД (17).

Статистическую обработку данных проводили с использованием t -теста Стьюдента для анализа различий средних значений на контрольных участках и участках с биоуглем при р <  0,05. Рассчитывали средние значения ( M ) и стандартные отклонения (±SEM). В работе использовали пакеты анализа PAST Statistics и Microsoft Excel.

Результаты. В годы проведения исследований метеорологические условия характеризовались как неравномерные. Вегетационный период 2018 года отличался повышенным температурным фоном, фактические значения среднемесячных температур превышали средние многолетние значения на 1,4-3,5 ° С. В начале сезона зафиксировано небольшое количество осадков, в среднем на 26 мм ниже нормы, при этом в августе наблюдался избыток увлажнения. В 2019 году в начале вегетации в мае и июне отмечался повышенный температурный фон, в июле и августе, напротив, среднемесячная температура была ниже на 1,6-3,6 ° С средних многолетних значений. В июле было зафиксировано превышение среднего многолетнего уровня осадков на 51 мм, в июле, августе и сентябре отмечался дефицит осадков. В 2020 году температурный фон был ниже нормы на 1,5 ° С в мае, превышал средние значения на 1,3-2,0 ° С в июне и сентябре, в остальные месяцы соответствовал климатической норме. В течение сезона наблюдался дефицит осадков в среднем на 23 мм, в сентябре отмечалось небольшое превышение нормы осадков (18). Показатели гидротермического коэффициента увлажнения Селянинова (ГТК) в период в 2018-2020 годах были несколько ниже или близки к норме, которая составляла 1,5 для периода вегетации (16). В месяцы с избыточным увлажнением ГТК превышал норму в 1,5-2 раза. Во все годы наблюдений в июне была отмечена засуха при показателях ГТК ниже единицы.

Интенсивность базального дыхания АА в течение вегетационных периодов 2018-2019 годов варьировала в небольших пределах и составляла 47,5-61,8 мг С*кг ^{- 1} •сут ^{- 1} в контроле и 47,9-65,1 мг С •кг ^{- 1} • сут ^{- 1} в вариантах с биоуглем (рис. 1, А). Статистически значимых различий в величине БД между вариантами мы не выявили, при этом отмечалась общая тенденция к увеличению БД в образцах с биоуглем. В АТ в 2019-2020 годах интенсивность БД была в 2 раза ниже, чем в супесчаной почве, и составляла 20,236,6 мг С-кт¹ •сут ^{- 1} в контроле и 19,9-36,1 мг С-кт¹ •сут ^{- 1} в вариантах с биоуглем (см. рис. 1, Б). Изменчивость БД в двух вариантах опыта также была незначительной и недостоверной, но практически для всех дат отбора имела противоположную тенденцию и оказалась выше в контроле.

Содержание углерода микробной биомассы в АА показывало значительные сезонные и межвариантные колебания и находилось в пределах 62,3-135,9 мг С/кг в контроле и 74,4-178,5 мг С/кг в вариантах с биоуглем (см. рис. 1, В). Для всех дат отбора были характерны более высокие показатели Смик. в образцах с биоуглем, в некоторых случаях разница с контро- лем оказалась достоверной (р ≤ 0,05). В АТ содержание Смик. в среднем было выше, чем в супесчаной почве, и составляло 92,9-230,3 мг С/кг в контроле и 91,5-258,2 мг С/кг в вариантах с биоуглем (см. рис. 1, Г). Колебания показателя между вариантами опыта были невелики и недостоверны, но в большинстве случаев содержание Смик. имело тенденцию к снижению в вариантах с биоуглем.

Рис. 1. Показатели базального дыхания (А, Б), углерода микробной биомассы (В, Г) и органического углерода (Д, Е) для агрозема альфегумусового (А, В, Д) и агрозема текстурно-дифференцированного (Б, Г, Е) в контроле (а) и при внесении биоугля (б) ( n = 4, М ±SEM). Даты отбора образцов: 1 — 15.07.2018, 2 — 15.08.2018, 3 — 19.09.2018, 4 — 14.05.2019, 5 — 19.06.2019, 6 — 16.07.2019, 7 — 19.08.2019, 8 — 17.09.2019 (Лаборатория агротехнологий «Вилга» КарНЦ РАН, п. Виданы, Пряжинский р-н, Карелия); 9 — 26.06.2019, 10 — 25.07.2019, 11 — 30.08.2019, 12 — 20.09.2019, 13 — 29.05.2020, 14 — 30.06.2020, 15 — 27.07.2020, 16 — 25.08.2020, 17 — 23.09.2020 (Агробиологическая станция КарНЦ РАН, г. Петрозаводск).

* Различия с контролем статистически значимы при р ≤ 0,05.

Многочисленные наблюдения за почвенными микробиологическими процессами свидетельствуют об их обусловленности метеорологическими факторами и поступлением доступного органического субстрата (19-21). Наши исследования показали, что влияние погодных условий на БД было менее заметным, чем на Смик. и связанные с ним коэффициенты. Базальное дыхание характеризует доступность органического углерода в почве и отражает интенсивность минерализации органических веществ почвенными микроорганизмами. Различие в содержании Сорг., количество которого в АА было в 1,5 раза выше, чем в АТ, объясняет существенную разницу в интенсивности БД этих двух почв. Добавление глюкозы не вызывало значительного всплеска СИД в АА, и содержание Смик. в этой почве было в среднем в 1,5-1,7 раз ниже, чем в АТ. Известно, что содержание Смик. в пахотных почвах сильнее зависит от доступного для минерализации пула углерода, чем от общего содержания в почве. В целом, суглинистые почвы имеют большую микробную биомассу по сравнению с почвами легкого гранулометрического состава. Это связано с мелкими размерами пор суглинистых почв, обеспечивающих лучшее питание и защиту микроорганизмов (22).

Высокие показатели БД в сочетании с небольшим содержанием С мик. могут указывать на интенсивный круговорот углерода и низкую устойчивость микробного сообщества супесчаной почвы (23). При внесении биоугля в почвах наблюдались противоположные тенденции: в АА происходило увеличение БД и С мик. , в АТ, напротив, снижение. Применение биоугля значительно улучшает питательный режим и условия для роста микроорганизмов, что особенно характерно для почв легкого гранулометрического состава и отмечено многими исследователями (24-26). В то же время интенсивность БД и содержание С мик. зависят от доступных азотистых соединений (27, 28). Поскольку биоуголь представляет собой высокоуглеродистое соединение с индексом С/N больше 20 , при его применении метаболические возможности микроорганизмов лимитируются доступным азотом (29). Как было показано ранее (8), в исследованных нами почвах биоуголь по-разному влияет на содержание доступного азота, увеличивая его в АА и снижая — в АТ, что прослеживается и в микробиологических показателях. Эта особенность может быть обусловлена усилением минерализации в почвах легкого гранулометрического состава в присутствии биоугля (30, 31).

Содержание органического углерода в АА колебалось в пределах 2,73,2 % в контрольных вариантах и возрастало при внесении биоугля до 3,44,1 % (р ≤ 0,05 для всех дат сбора) (см. рис. 1, Д). При этом доля С мик. в С орг. имела незначительную сезонную динамику и изменялась в пределах 0,20-0,50 % во всех вариантах, не показывая между ними различий (рис. 2, А). В АТ содержание С орг. статистически значимо (р ≤ 0,05) изменялось с 1,7-2,0 % в контроле до 2,1-2,4 % в вариантах с биоуглем (см. рис. 1, Е). Показатель С мик. /С орг. имел заметную сезонную динамику и тенденцию снижения с 0,51-1,26 % в контроле до 0,44-1,12 % в вариантах с биоуглем (см. рис. 2, Б).

Доля С мик. в составе С орг. в АА оказалась значительно ниже, чем в АТ, что диагностирует микробное сообщество супесчаной почвы как недостаточно зрелое с низким качеством органического вещества. При этом добавление биоугля практически не влияло на показатель С мик. /С орг. в АА, значительно снижая его в АТ. Эта особенность объясняется тем, что биоуголь вызывал достоверное (р ≤ 0,05) увеличение общего органического углерода обеих почв до 20 %, при этом С мик. в АТ снижался, отражая недостаток доступного субстрата в суглинистой почве. В АА, напротив, происходил рост содержания С мик. , что, по-видимому, отражало всплеск активности K-стратегов при минерализации труднодоступных соединений биоугля (32-34). Так, в исследовании В.Ю. Шахназаровой с соавт. (35) при добавлении биоугля в супесчаную почву возрастало количество олиготрофных бактерий. В некоторых случаях при внесении в почву древесного биоугля отмечено увеличение числа микроскопических грибов, утилизирующих более прочно связанные соединения углерода (36, 37).

Рис. 2. Показатели С мик. /С орг. (А, Б), микробного метаболического коэффициента (В, Г) и коэффициента микробного дыхания (Д, Е) для агрозема альфегумусового (А, В, Д) и агрозема текстурно-дифференцированного (Б, Г, Е) в контроле (а) и при внесении биоугля (б) ( n = 4, М ±SEМ). Даты отбора образцов: 1 — 15.07.2018, 2 — 15.08.2018, 3 — 19.09.2018, 4 — 14.05.2019, 5 — 19.06.2019, 6 — 16.07.2019, 7 — 19.08.2019, 8 — 17.09.2019 (Лаборатория агротехнологий «Вилга» КарНЦ РАН, п. Виданы, Пряжинский р-н, Карелия); 9 — 26.06.2019, 10 — 25.07.2019, 11 — 30.08.2019, 12 — 20.09.2019, 13 — 29.05.2020, 14 — 30.06.2020, 15 — 27.07.2020, 16 — 25.08.2020, 17 — 23.09.2020 (Агробиологическая станция КарНЦ РАН, г. Петрозаводск).

* Различия с контролем статистически значимы при р ≤ 0,05.

Микробный метаболический коэффициент qCO 2 для АА охватывал широкий диапазон — от 14,1 до 35,2 мг•кг ^{- 1}•ч ^{- 1} и имел значительную сезонную динамику с тенденцией снижения в вариантах с биоуглем (см. рис. 2, В). Коэффициент микробного дыхания QR находился в пределах 0,52-1,47, также показывал сезонную динамику и снижался в вариантах с биоуглем (см. рис. 2, Д). Для АТ qCO 2 заметно изменялся по сезонам в пределах 4,1-16,6 мг•кг ^{- 1}•ч ^{- 1} в обоих вариантах и был несколько ниже в образцах с биоуглем (см. рис. 2, Г). QR имел схожую динамику и значения 0,16-0,67 (см. рис. 2, Е).

Показатели qCO2 для АА были значительно выше, чем для АТ, что указывает на более низкую микробную биомассу и в целом менее стабиль- ное микробное сообщество в супесчаной почве. Подобная закономерность отмечена в супесчаных почвах по сравнению с суглинистыми (38, 39). Сезонные всплески qCO2 могут быть вызваны поступлением легко-минерализуемых растительных остатков и развитием r-стратегов, специализирующихся на их утилизации (40, 41). При применении биоугля qCO2 имел тенденцию к снижению, особенно для АА, отмеченную другими исследователями (9, 42, 43). Следовательно, в этом случае создаются более благоприятные условия среды и снижаются затраты энергии на формирование единицы биомассы микроорганизмов. Известно, что добавление щелочного биоугля в почвы с низкими значениями pH среды улучшает рост микроорганизмов и увеличивает эффективность использования углерода (11).

Величина коэффициента микробного дыхания QR отражает воздействие антропогенных или климатических факторов на почвенное микробное сообщество и считается интегральным показателем экологического состояния почв (44). Величина QR была меньше для АТ по сравнению с АА, отражая большую устойчивость и экологическое благополучие микробного сообщества суглинистой почвы. Внесение биоугля несколько снижало QR в почвах, этот эффект был более выражен для АА, аналогичную закономерность отмечали и другие исследователи (45).

Таким образом, полевой мониторинг экофизиологических параметров микробных сообществ в почвах разного гранулометрического состава при внесении биоугля выявил многофакторные и нелинейные воздействия условий среды на динамику исследованных показателей. Базальное дыхание меньше зависело от погодных условий по сравнению с углеродом микробной биомассы и связанными с ним коэффициентами, на величину которых, по-видимому, также влияло поступление органических остатков. В агроземе альфегумусовом супесчаном микробная биомасса, зрелость и устойчивость микробного сообщества, как и качество органического вещества, изначально ниже, чем в агроземе текстурно-дифференцированном суглинистом. Внесение биоугля оказывало противоположный эффект на эти почвы. Несмотря на стабильное повышение уровня общего органического углерода в обеих почвах, показатели базального дыхания и содержания углерода микробной биомассы при внесении биоугля в агрозем текстурно-дифференцированный имели тенденцию к снижению, также достоверно (р ≤ 0,05) снижалась доля С мик. в составе органического углерода, что свидетельствует о недостатке доступного для микроорганизмов субстрата. При этом микробный метаболический коэффициент qCO 2 и коэффициент микробного дыхания QR снижались незначительно и недостоверно. В агроземе альфегуму-совом происходило недостоверное увеличение коэффициента базального дыхания и статистически значимое (р ≤ 0,05) для некоторых дат отбора образов повышение С мик. , что, по-видимому, указывало на всплеск активности K-стратегов. Добавление биоугля не влияло на долю С мик. в общем органическом углероде агрозема альфегумусового. При этом микробный метаболический коэффициент и коэффициент микробного дыхания уменьшались, то есть для микроорганизмов складывались более благоприятные условия среды. В целом добавление биоугля увеличивало адаптивный потенциал микробного сообщества супесчаной почвы.