Микробиота ризосферы растений и ее роль в изменении субстрата на посттехногенных территориях крайнесеверной подзоны тайги (Республика Коми)

Суровые климатические условия Севера при наличии многолетней мерзлоты обуславливают определенные особенности в строении почв природных экосистем. Это проявляется в резком разделении профиля почвы на маломощный продуктивный органогенный слой и бедную элементами питания минеральную толщу. Такое строение почвы является, с одной стороны, приспособлением биотической компоненты природных экосистем к суровым условиям Севера, с другой – усиливает их уязвимость к техногенным (антропогенным) воздействиям. При техногенном воздействии разрушается плодородный слой и обнажается минеральный, малопригодный для самовосстановления растительного сообщества (экосистемы в целом), увеличивая начальный период самовосстановительной сукцессии и активизируя развитие эрозионного процесса.

С учетом отмеченного была разработана система приемов природовосстановления, ускоряющая начальный период самовосстановительной сукцессии [1]. Система включает два этапа: на первом, интенсивном этапе с помощью комплекса агротехнических приемов (внесение удобрений и посев адаптированных к условиям Севера многолетних трав) в короткие сроки (три–пять лет) вос- станавливается уничтоженный биогенно-аккумулятивный слой, который и обеспечивает активизацию самовосстановления древесного яруса и в целом экосистемы зонального типа на втором, ассимиляционном этапе. В биогенно-аккумулятивном слое сосредоточена подавляющая масса корней и почвенных микроорганизмов, функционирующих в ризосфере растений. Для выявления механизма формирования органогенно-аккумулятивного слоя в посттехногенном субстрате необходимо изучение взаимодействия растений и сообщества почвенных микроорганизмов в ризосфере.

Ризосфера растений как динамическая среда, где взаимодействуют микроорганизмы, корни растений и абиотические компоненты субстрата, изучалась рядом исследователей [2–6]. Взаимодействие растений и микроорганизмов в ризосфере является важным аспектом в проблеме восстановления экосистем на Севере, который в настоящее время практически не изучен.

Исследования проведены в Усинском р-не Республики Коми (крайнесеверная подзона тайги) – районе интенсивной добычи нефти, где остро стоит проблема восстановления природных экосистем на посттехногенных территориях. Цель исследования – определить качественно-количественные характеристики комплекса микроорганизмов ризосферы растений в процессе восстановления почвы на первом интенсивном этапе системы природовосстановления.

Объекты и методы исследования

Исследования проводили на территории песчаного карьера, где весной 2006 г. был заложен опыт, схема которого приведена в табл. 1. Повторность опыта трехкратная. Субстрат карьера, на котором был заложен опыт, – песчаный, перевиваемый, бедный питательными веществами: содержание органического углерода (С орг. ) – 0.1–0.2 %, гидролизуемого азота (N гидр. ) – 0.1–0.3 мг/100 г в.с.п. Несмотря на прошедшие 28 лет после окончания разработки карьера, самовосстановления растительного покрова к началу опыта не происходило.

Таблица 1

Схема опыта на первом этапе системы природовосстановления

		Интенсивный этап
Вариант опыта	Посадочный материал	Агротехничес-	Система ухода
		кие приемы улучшения субстрата при закладке опыта	Весенние подкормки	Осенние подкормки
1	Двулетние сеянцы сосны (5000 шт./га)
2	Двулетние сеянцы сосны (5000 шт./га)	БИАК** – 5т/га, N45Р45К45, травосмесь* (20 кг/га)	ежегодные в течение 4 лет (N45Р45К45), начиная со второго года опыта	на второй (N45) и третий (N45Р45К45) годы
3	Двулетние сеянцы сосны (5000 шт./га)	N45Р45К45, травосмесь* (20 кг/га)	ежегодные в течение 4 лет (N45Р45К45), начиная со второго года опыта	на второй (N45) и третий (N45Р45К45) годы

Примечание: * – состав травосмеси: мятлик луговой, овсяница красная, овсяница луговая, кострец безостый, тимофеевка луговая (соотношение 1:1:1:1:1);

** – БИАК – органическое удобрение, продукт биотехнологической переработки гидролизного лигнина.

Агрохимический анализ субстрата проводили общепринятыми в почвоведении методами [6,7]. Для изучения микробного комплекса ризосферы растений отобраны в вариантах 1 и 2 монолиты площадью 15х15 см на глубину 25 см с растениями сосны. В варианте 2 корни сосны плотно переплелись с корнями травянистых растений, поэтому были отобраны вместе в одном монолите.

Обычно выделяются микроорганизмы, поселяющиеся на поверхности корня – микрофлора ри-зопланы и группа обитающих в слое почв, приле- гающем к корням – микрофлора ризосферы [8,9]. Разделение это достаточно условно и носит субъективный характер, так как практически нельзя точно разграничить ризосферу и ризоплану. В связи с отмеченным, нами внесено методическое уточнение. В ризосфере выделяли «прикорневую» зону, относя к ней легко отделяющийся от корня субстрат и «корневую» зону – субстрат, плотно прилегающий к корню и отделяющийся при встряхивании, а также зону расположения микроорганизмов, развивающихся непосредственно на корнях растений (смыв с поверхности корня растения). Отдельно был отобран субстрат вне зон влияния корней.

Общее количество микроорганизмов определяли методом люминесцентной микроскопии. Расчет количества клеток (длины мицелия) на 1 г почвы проводили по стандартной формуле:

N=S1an/vS2c, где N – число клеток (длина мицелия, мкм) на 1 г почвы; S1 – площадь препарата (мкм2); а – количество клеток, длина мицелия (мкм) в одном поле зрения (усреднение производится по всем препаратам); n – показатель разведения почвенной суспензии (мл); v – объем капли, наносимой на стекло (мл); S2 – площадь поля зрения микроскопа (мкм2); с – навеска почвы (г) [10].

Количество разных эколого-трофических групп микроорганизмов определили методом разведения почвенной суспензии с последующим высевом ее на плотные питательные среды. Повторность чашек Петри при посевах – трехкратная [10].

Результаты исследований

Формирование травянистого покрова является одним из важнейших показателей интенсивного этапа системы природовосстановления. В варианте 1 полевого опыта растительный покров практически отсутствует при ОПП (общее проективное покрытие) менее 1%. В вариантах 2 и 3 на шестой год ОПП травостоя достигло 80–90%, высота травостоя 30– 40 см (генеративные побеги до 80 см). Сохранность сосны в варианте 1 – 38%, в вариантах 2 и 3 – ниже (около 20%), по-видимому, из-за заглушения низкорослых растений сосны травами. Так, высота сосны на шестой год опыта в вариантах составляет 24±2; 26±3; 20±3 см соответственно.

Активное развитие травянистого покрова в вариантах 2 и 3 обеспечило поступление на поверхность субстрата до 300 г/м2 биомассы растений. При замедленном разложении в суровых климатических условиях на поверхности субстрата образовался рыхлый слой травянистых остатков («подстилка»), около 1 см. Под ним выделяется слабо уплотненный массой корней растений одернованный слой мощностью около 5–7 см.

Аккумуляция органического углерода в субстрате идет медленно, что согласуется с данными наблюдений других исследователей за преобразованием техногенных субстратов [11, 12]. В вариантах без посева трав (вариант 1) и с посевом трав (вариант 3) содержание органического углерода в верхнем 5-сантиметровом слое составляет 0.1– 0.2 % во все годы опыта. В варианте 2 при внесении 5 т/га органического удобрения (БИАК) содержание органического углерода в верхнем слое субстрата в первый год резко увеличилось – до 0.6%. В последующие годы без повторного внесения органических удобрений оно снижается до 0.2%.

При рассмотрении изменения содержания биогенных элементов следует обратить внимание на существенно большее содержание азота в одернованном слое варианта 2 в сравнении с вариантом 3. Это, возможно, связано с влиянием внесенного ранее органического удобрения (рис. 1).

Сравнивая численность микроорганизмов в ризосфере растений вариантов 1 (контроль) и 2 (с внесением удобрений и посевом трав), следует подчеркнуть существенную разницу между ними. В смыве с корней сосны в варианте 2 численность бактерий примерно в десять раз выше, чем в смыве с корней сосны варианта 1. Это, очевидно, связано с влиянием удобрений (особенно органических) на развитие сосны, а также корневой системы трав на ризосферу сосны. Высокая и примерно равная численность в обоих вариантах спор грибов свидетельствует о неблагоприятных условиях для развития микромицетов, однако в варианте 2 длина

Рис. 1. Профильное распределение элементов-биогенов по вариантам на шестой год опыта (мг на 100 г воздушно-сухой почвы).

Несмотря на прекращение с осени пятого года внесения минеральных удобрений в вариантах 2 и 3, содержание основных элементов питания растений на шестой год опыта в одернованном слое сохраняется высоким. При этом в профильном распределении прослеживается четкое и равное в обоих вариантах увеличение (аккумуляция) оксидов фосфора и калия в одернованном слое, которое под органогенным слоем резко снижается. Отмеченное, очевидно, связано с начавшимся развитием биологического круговорота органического вещества.

Накоплению элементов-биогенов в субстрате способствует взаимодействие растений и микробных сообществ в ризосфере. При этом развитие комплекса микроорганизмов ризосферы идет совместно с сукцессией растительного сообщества [13].

Данные микробиологического анализа (табл. 2) показывают, что максимальная численность микроорганизмов отмечена на поверхности корней растений (смыв с корней). В «корневой» и «прикорневой» зонах как у сосны, так и травянистых растений происходит резкое снижение численности микроорганизмов. В зоне вне влияния корней численность микроорганизмов незначительна, т.е. налицо проявляется ризосферный эффект.

грибного мицелия в почве, смытой с поверхности корня, всё же значительно больше, чем в варианте 1 (табл. 2).

Таблица 2

Количественная характеристика комплекса микроорганизмов в почве, г/а.с.п.*

Почвенный	Бактерии,	Споры грибов,	Грибной
образц	млрд. кл.	млн. кл.	мицелий, м

	Вариант 1
Смыв с корней сосны	2.17±1.4	12.79±5.6	0.22±0.07
Корневая и прикорневая зоны	0.01±0.007	0.43±0.12	0
Зона вне корней	0	0.22±0.09	0
Смыв с корней сосны	Вариант 2 19.22±6.8	17.19±3.1	25.03±7.2
Смыв с корней травы	14.78±5.1	12.39±4.6	9.22±2.1
Корневая зона	0.07±0.03	0.28±0.11	0.09±0.02
Прикорневая зона	0	0	0
Зона вне корней	0	0	0

«о» – отсутствие микроорганизмов, * – абсолютно сухая почва.

Внесение удобрений, в том числе органических, и посев трав в варианте 2 существенно увеличивают численность микроорганизмов в субстрате и активизируют микробиологические процессы, связанные с трансформацией вновь поступающего органического вещества (растительный опад). Иными словами, именно с растениями связано начало формирования субстратной микробиоты, питающейся корневыми выделениями растений. С ризосферы начинается процесс биологического оборота веществ, связывающий все компоненты в систему. В песчаном посттехногенном субстрате эта система еще только начинает развиваться, поэтому максимальная численность микроорганизмов сосредоточена на поверхности корней.

Следует отметить, что общая численность бактерий, полученная методом прямого счета, ха- ждается данными агрохимического анализа субстрата. Слабое развитие ризосферных микроорганизмов в варианте 1 пока не может обеспечить преобразование субстрата: содержание основных биогенных элементов Сорг. и Nгидр. как в ризосфере сосны, так и во внекорневой зоне незначительно – 0.1 % и 0.1-0.2 мг/100 г.возд.-сух.почвы, соответственно. В варианте 2 при примерно одинаковом содержании органического углерода в рассматриваемых зонах, содержание Nгидр. различается: 1.8 мг/ 100 г в.с.п. – в корневой зоне и 1.0 – во внекорневой.

Заключение

Применение двухэтапной схемы природовосстановления на ее «интенсивном» этапе обеспечивает за счет формирования травянистого сообще- рактеризует лишь потенциальный запас микроорганизмов в исследуемом субстрате и не может указывать на то, в каком состоянии находятся микроорганизмы – активном или неактивном. Одной из важных характеристик почвенной микробиоты является соотношение экологотрофических групп бактерий, позволяющих косвенно судить о биохимических процессах, которые интенсивно протекают в ризосфере и связаны с превращением основных биогенных элементов.

Сравнивая численность и соотношение основных экологотрофических групп бактерий в варианте 1, отметим, что на поверхности корней сосны активно развиваются все группы бактерий, которые участвуют в превращении, поступающего в виде корневых выделений органического вещества (рис. 2).

По мере удаления от корня поступление питательных веществ снижается, что ведет к сокращению численности и замедлению жизнедеятельности микроорганизмов. Это отмечено и другими исследователями микробиоты ризосферы [3, 14, 15].

Изменение численности микроорганизмов и соотношения эколого-трофических групп в ризосфере сосны в варианте 2 имеет ту же закономерность, что и в ризосфере сосны в варианте 1 (рис. 3). Однако количественные показатели в варианте 1 в сотни раз ниже.

Активизация процессов преобразования субстрата в ризосфере растений подтвер-

Рис. 2. Эколого-трофические группы бактерий в субстрате варианта 1 (млн. КОЕ/1г абсолютно сухой почвы).

1 – смыв с корней сосны, 2 – корневая и прикорневая зоны, 3 – зона вне корней.

Рис. 3. Эколого-трофические группы бактерий в субстрате варианта 2 (млн. КОЕ/1 г абсолютно сухой почвы).

1 – смыв с корней сосны, 2 – смыв с корней травянистых растений, 3 – «корневая» зона, 4 – прикорневая зона, 5 – зона вне корней.

ства активизацию процесса развития микробного сообщества ризосферы и связанного с этим процесса формирования биогенно-аккумулятивного слоя восстанавливающейся почвы. В результате проведенного исследования установлено, что в варианте 1 (без приемов улучшения субстрата) комплекс микроорганизмов ризосферы сеянца сосны развит слабо и, как следствие, преобразование субстрата практически не происходит. В ризосфере растений варианта 2 по сравнению с субстратом, лишенным корней, отмечено значительное увеличение количества микроорганизмов и содержания элементов-биогенов, т.е. четко выявляется ризосферный эффект. На шестой год опыта в вариантах 2 и 3 взаимодействие корней растений и микроорганизмов приводит к формированию одернованного слоя с выраженной тенденцией накопления в нем элементов-биогенов.

Таким образом, ризосфера представляет собой систему взаимосвязанных и взаимодействующих между собой компонентов: растения, которые поставляют органическое вещество микроорганизмам, преобразующим корневые выделения растений, и снабжающим доступными элементами питания, самого преобразующегося субстрата. С момента появления на нарушенных землях растений в субстрате начинают проявляться сложные и длительные процессы, совокупное действие которых обуславливает направленность и интенсивность возникающего процесса почвообразования. Результаты полевого опыта позволяют отметить очаговый характер почвообразования, связанный с влиянием ризосферы растений.

Работа выполнена при поддержке Программы РФФИ, проект №3-04-98818 «Ускоренное восстановление лесных экосистем на посттехногенных территориях таежной зоны Республики Коми».