Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

УЧАСТИЕ ЦИАНОБАКТЕРИЙ В НАКОПЛЕНИИ АЗОТА В ПАХОТНЫХ ПОЧВАХ НЕЧЕРНОЗЕМНОЙ ЗОНЫ

ВАК РФ 03.00.07, Микробиология

Автореферат диссертации по теме "УЧАСТИЕ ЦИАНОБАКТЕРИЙ В НАКОПЛЕНИИ АЗОТА В ПАХОТНЫХ ПОЧВАХ НЕЧЕРНОЗЕМНОЙ ЗОНЫ"

АтЪоосо

МОСКОВСКАЯ ОРДЕНА ЛЕНИНА И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ имени К. А. ТИМИРЯЗЕВА

На правах рукописи

РЕЗНИК Евгений Наумович

УЧАСТИЕ ЦИАНОБАКТЕРИЙ В НАКОПЛЕНИИ АЗОТА В ПАХОТНЫХ ПОЧВАХ НЕЧЕРНОЗЕМНОЙ ЗОНЫ

Специальность 03.00.07 — микробиология

Автореферат диссертации на соискание ученой степенй кандидата биологических наук

і

МОСКВА 1991

Работа выполнена на I афедре ботаник» Кировского ссль-с^охозя! ствешшго института

На\чныи руководитель — профессор, доктор биологических наук Е. М. Панкратова.

Официальные оппоненты — профессор, доктор бьологичс-ских наук В. К. Шильннксва, старшин нау шый сотрудник, кандидат биологических на\к К. А. Никитина.

Вед\щее предприятие — Институт почвоведения и фотосин теза АН СССР

Защита диссертации состоится < / -> (^К^Л. 1991 г п «> часов на заседании с^е шализпропачт го сове та К 1-0 35 ОЬ в Московской сельскохозяйственной академии им К \ Тимирязева по атрееу 127530 Москва, \л Тимирязевская, 49 Ученый совет ТСЧА

С диссертацией мо^кно ознакомиться в ЦПЬ ТСХА Автореферат разослан 29 199' г

Ученый секретарь

спсцнатизнрованного совета -кантлдат биологических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теш. В настоящее время биологическая фиксация азота рассматривается как важный фактор-формирования плодородия цахотных почв. Среди широкого спектра диазотрофных микроорганизмов наиболее разносторонними по биохимическому потенциалу являются цианобантерии. Способность к фотосинтезу позволяет им фиксировать азот атмосферы в тех условиях, когда сапротрофные микроорганизмы испытывают дефицит энергии. Осуществляя азотфинсацию, циа-нобактерии не только не расходуют органическое вещество почвы, но служат, наряду с высшими растениями, его первичными продуцентами.

Цианобактерии часто образуют массовые разрастания на почвенной поверхности в самых различных регионах мира, но их вклад в накопление азота в почве наиболее исследован в тропических зонах» Последнее послужило основой их практического использования при технологии возделывания риса (Увпкагаршввв,1961|Нвввг,игагапаЬв, 1982;Чан Ван Ни, 1990;Кучкарова, 1990; и др.).

Вместе с тем формируется мнение, что и в умеренном климате эти организмы являются одной из ооновннх групп диазотрофов ('8*е«тг1;,1977)# Для целинных почв Нечернозёмной зоны СССР их роль в накоплении азота показана В.М.Паннратовой ( 1973;1979; 1981;1989 ). Однако до сих пор имеется мало сведений об участии • пданобактерий в накоплении азота в пахотных почвах умеренней зоны ( ^пке,19б7»Непг1)сваоп ^ al,,I975{Witty вt а1. ,1979 ; Панкратова,1987). В то же время необходимость исследования размеров накопления в пахотных почвах азота биологическим путём, в том числе и за счёт деятельности цианобактерий, стала очеввдна в последнее время,.когда выявились отрицательные последствия многих интенсивных технологий, особенно связанных с использованием высоких доз минерального азота, на плодородие почвы и здоровье лидей ' . , ЦЕНТРАЛЬНАЯ. , " . НАУЧНАЯ БИБЛИОТЕК/* » ¿ух. сельскохсз ачадзмии и,и. К. А» Ъ^ирязева

Иир. .

х обострился общественный и научный интерес к "биологическому" сельскому хозяйству, предусматривающему систему агромероприятий для создания в почве благоприятных условий, агрономически полезным организмам и ограничение применения агрохимикатов.

Поэтому изучение экологии цианобактерий в агрофитоценозах и выяснение роли этих диазотрофов в пахотных почвах должно дать представление, об еще одной,; малоизученной возможности накапливать азот.биологическим путём и увеличивать потенциальное плодородие, что особенно интересно для бедных органическим веществом почв.

Основной целью настоящей работы было выяснение участия циа- • нобактерий в накоплении азота в пахотных почвах Нечернозёмной зоны.

Решались следующие задачи:

- Изучить условия, ведущие к массовому размножению цианобактерий на поверхности пахотных почв, и выяснить возбудителей этого процесса;

- Модифицировать экспериментальные методы изучения цианобактерий для более точного определения вклада этих микроорганизмов '

. в накопление азота в пахотных почвах;.

- Определить размеры азотонакопления цаанобактериями в различных агрофитоценозах; / •

- Выяснить результаты воздействия минеральных удобрений, исследовать влияние некоторых приёмов обработки почэы на развитие цианобактерий и осуществляемое ими азотонакопление.

Научная новизна. Выяснены возбудители "цветения" пахотных почв, являющегося следствием массового размножения цианобактерик. Показана регулярность этого явления в конце лета и осенние месяцы в регионе Нечернозёмной зоны. Ваервые установлена связь инициации

"цветения" с состоянием влажности почвы в предшествующие периода и определены сроки активного функционирования цианобактерий.

Впервые определены размеры накопления азота цианобактериями ' в различных агрофитоценозах. Изучено влияние систематического применения возрастающих доз азотных удобрений на азотфиксапию и развитие цианобактерий, установлены дозы, ограничивающие эти про-' цессы в почве. Показано воздействие некоторых широко распространённых приёмов обработки почвы на развитие и функционирование азотфиксирующих цианобактерий.,

Проведён ряд методических разработок, которые позволили правильнее и точнее, по сравнению с ранее применявшимися методами, проводить полевые и лабораторные исследования. Сконструированы экспозиционные камеры для изучения азотфиксации и фотосинтеза цианобактерий газохроматографическим методом, усовершенствована методика измерений. Предложены новые технические решения уст- . ройств для отбора газовых проб. Их новизна подтверздена авторскими свидетельствовами СССР: 949497, 1000904, 1045057, 1260854. На основе этих разработок создана исследовательская установка.

Практическая ценность. Полученные количественные данные, ' характеризующие участие цианобактерий в накоплении азота, могут служить теоретической основой при калькуляции азотного баланса • почв умеренной зоны для разработки приёмов рационального использования азотных- удобрений.

Новые методические разработки могут быть.использованы при изучении азотфиксации и газообмена биологических объектов.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на: научной конференции Кировского СХИ (1983); Конференции молодых учёных и специалистов сельского хозяйства (Тюмень,1983); 1-ой

межвузовской научной конференции "Современные методы Физико-хдаи-ческих исследований и аналитического контроля в сельском хозяйстве" (Тшень,1984); конференции "Лкробиологические методы защиты окружающей среды" Шуцино,1988); 3-м Всесоюзном симпозиуме "Биодинамика почв" (Таллинн, 1988); конференции "11аучно-техничеакиа потенциал вузов - народному хозяйству" (Киров,1989).

Дозатор для газового хроматографа но а.о. 1000904 экспонировался на ВДНХ СССР на выставке "Изобретательство и рационализация 88", где был отмечен поощрительной премией.

.Летодика определения содержания Сй, была внедрена в НИИСХ Северо-Зостока (Киров) 1990 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 20 работ.

ртруктута и объем диссертации. Диссертация изложена на 191 странице машинописного текста, состоит из введения, обзора литературы, описания объектов и методов исследования, изложения результатов и их обсуждения, выводов и списка литературы. Работа содержит ¿3 рисунка, 18 таблиц, II приложений. Список литературы вюшчает 168 отечественных а 129 иностранных работ.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОД* ИССДШВАНИЯ

Объектом исследования являлись гетероцистные азотфиксирупцие цианобактерии, вызывающие при своем массовом размножении "цветение" пахотных почв. Полевые наблюдения проводили на территории Кировской области, типичной по почвенно-клшлатическим условиям для Нечернозёмной зоны. Большая часть почвенного фсн„а пашни области представлена дерново-подзолистыми оуглинистыми почвами, среди которых доминируют кислые а слабокислые, имеющие ниже 5,5. Климат Кировской оодасти ьоктипентальный с продолжительной

холодной многоснежной зимой и умеренно тёплым летом.

"Цветение" почвы исследовали под посевами сельскохозяйственных культур при различных уровнях минерального питания и способах предпосевной обработки почвн. Кумулятивный эффект воздействия агротехнических приёмов изучали на стационарных многолетних опытах отделов агрохимии (зав.отделом Н.Г.Суров) и земледелия (зав.отделом Б.Г.Мальцев) 1ШИСХ Северо-Востока. Схема опытов отражена в таблицах. Уточнение данных полевых экспериментов проводили в модельных лабораторных опытах, используя почву взятую из под посевов и технику искусственного выращивания газонов цианобактерий.

Комплекс доминирующих видов и структурные особенности популяций цианобактерий изучали прямым микроскопированием. Численность клеток определялась в совместных, опытах Л.И.Домрачевой методом прямого счёта (Штина,1956). Биомассу цианобактерий находили после сухого озоления проб (Панкратова,1981). Продукцию рассчитывали по сумме статистически достоверных приращений фиксированного азота с учётом пространственного'фактора варьирования площади покрытия. Общий азот определяли по минро-Къельдалю с отгоном на приборе Хоскинса в модификации М.Щ.Шаймухаметова (1971).

Азотфиксацшэ в плёнках "цветения" в условиях близких к естествен-

тк ■ _■

ным определяли по включению к 2» анализ которого проводили

спектрально-изотопным методом. Пробы экспонировали в камере, разработанной .З.М.Панкратовой к А.С.Вахрушевым (1971). Количество .

фиксированного азота рассчитывали по формуле: Р-/7, • С, ■

Л/= -С- ¿>2\

где:/7- вес (г) смешанной пробы;/7,- общий азот (мг) в 1г пробы; С{- избыток концентрации 15 н (ат.$) в пробе;¿Г- избыток концентрации 1!^(ат.;1) в тазовой фазе кшлеры;*5^-площадь (см**) экспонирован-

б .■••■'

нтг плёнок цианобактерий; І- продол;кительность экспозиции (часы);

Для получения интегральных картин накопления азота циано-бактериями использовали интерполяционную формулу (Панкратова;' Вахрушев,1974), тлеющую следующий вид:

М /О '5 = ¿5, 7- /,ЗЗХ, 7,ООХ* (2).

где: V « ¿-25° х

Л/ ЇО (3)' о,/76 (4)-

температура поверхности почвы; И/- влажность почвы {%). По этой формуле находили теоретические уровни азотфиксатщи ^ддя внутрикамерных и внешних условий, и по формуле 5,

(5),

где/^- измеренное значение азотфиксации в камере, производили пересчёт количества фиксированного азота на каждый день интерполируемого промежутка времени. -

На газовомхроштографе ЛШ-8МД по интенсивности восстановления ацетилена определяли нитрогеназную активность цианобактерий, а по скорости поглощения СС^-их фотосинтез. Для повышения точности измерения содержания углекислого газа Модифицировали испаритель хроматографа для конвертирования СО^ в СН4 с последующим анализом на пламенно-ионизационном детекторе. Экспозиционные камері собирали на основе чаиек'Потри (рис.1),'которые устанавливали в термостате с прозрачными стенками. С цзлыо оптимизация процедуры отбора газовых проб разработали новые технические реше-' ния дозирующих устройств (а.с.949497;1045057;1260854). Специальный дозатор (а.с.1000904) позволил исключить вариабельность результатов, связанную с разницей во времени мевду момьытаын отбора проб. Его принцип действия основан на том, что дозирующие объёш . одновременно заполняются пробами, в дальнейшем последовательно

подающимися на анализ (рис.2).

В каждом варианте интенсивность поглощения или выделения СС^ измеряли двазды, в темноте и при освещении. Различие меящу

Рис.1. Схема проточной экспозиционной камеры и её подсоединения, к газовым линиям хроматографа

Обозначения: 1-чашка Петри; 2-прозрачная пластина; З-кольце-образная резиновая прокладка; 4-прияимные винты; 5-термостат; 6-сос " "

тор

Рис.2. Дозатор для газового хроматографа (А.о.1000904) Обозначения: I-корпус; ¿-шток; 3-канаш для прохождения газа-носителя; 4-дозирзтощиа каналы в штоке; 5-6 -каналы для прохождения газовых потоков иоале поворота штока; 7-аариковый фиксатор; 8-основание. ■ • .

• результата!® относили за счёт >їотосіштетическсй активности.

Полученные данные обрабатывали глрзаддэняо-сгатистическим методом

I. РАЗВИТИЕ АЗОТФИКСИРУкШИХ. ЦИАНОЕАКТШМ НА ПОВЕРХНОСТИ ПАХОТНЫХ. ПОЧВ В пахотных почвах Кировской области массовое размножение цианобактерш! стабильно возникает в конце лета-начале осени. Доминируют нитчатые гетероцистные формы, нредсталенные родами cyiln-drospermum (C.catenstum Halfs.,C.lichenlforme (Bory)Kuetz.,-.majus Kuetz. .C.muscicola Kuetz.) u Anabaena (A.veriabilis Kuetz.)pese РОДОМ Hoetoc (N.muaсorum Ag., N. paludosum juietz. ). Прослеживается тенденция к моно^икации "цветения", наиболее распространенным становится ВИД C.llcheniforme.

Анализ хода погодичных флуктуации гвдротершиеского ранима в связи с характером "цветения" позволил выявить определяющую роль для инициации этого процесса условий влажности, складывавшихся в середине вегетационного периода (ишь). При достаточном увлажне-шш почвы к концу лета возникает массовое размножение цианобакте-рий. Зсли почвенная поверхность часто пересыхает, то срони "цветения" сдвигаются, и оно характеризуется меньшим развитием. Сильное асеумение почвы неблагоприятно влияет на размножение Циано-бактерий и в последующие годы. В модельных опытах было показано, что варьирование шш дня и влажности почвы при температуре ¿2°С не инициировало всплеск размножения циааобактериа p. tylindrosper-тат, хотя взятая для опыта почва была богата его спорами а гормо-гониями. В то же время, начало "цветения" совпадало с понижением ночных температур почвы до 5-8°С а дневных до 10-1?°С. При этих условиях видимые разрастания цианобактерий наблодались через 2 недели после начала зкепозиции нативной почвы. Следовательно, ни осеннее повышение влажности почвы, ад укорачивание дня не являются определяющими для возникновения "цветения". Очевидно, что оно каким-то образом ирьро или опосредовано связано с понижением или

колебаниями (на фоне понижения) температуры почвы.

Цианобактерии проявляли высокую холодостойкость. Это было доказано наличием в популяциях высокой численности вегетативных клеток, находящихся в состоянии непрерывного роста и развития в конце сентября и начале октября, а также обнаружением после неоднократных заморозков активности каталазы, фотосинтеза и азотфин-. сации. Разрастания цианобактерий активно функционировали до глубокой осени, вплоть до выпадения снежного покрова. Эти микроорганизмы обнаружили толерантность и к другим неблагоприятным факторам почвенных и климатических условий Северо-Восточной части Нечернозёмной зоны. Так, клетки с.ИсЬегШогте хорошо размножались в условиях низкой освещённости под полёгшими хлебами. Их размножению не препятствовала высокая кислотность (рН 4,8). "Цветение" возникало при применении некоторых пестицидов (2М4Х; Бай-летон;Силт), а переуплотнение почв, вызываемое тяжёлыми агрегатами, было даже благоприятно для него.'

Интенсивность "цветения" в различных агрофитоценозах неоди-

'' ....... _

накова. Численность меток в плёнках колебалась в пределах 10 -Ю7 на см2, а площадь,, занишемая пятнами "цветения" на поверхности почвы - от 5 до 802. Одномоментная биомасса цианобантерий, измеренная в разных участках поля, варьировала (табл.1), что било обусловлено различием в толщине плёнок и, следовательно, в численности клеток, приходящейся на единицу площади. Таким образом, между размерами площади, занишемой цианобактериями, и соответствующей биомассой прямой корреляции нет: высокой шсса может соответствовать небольшая площадь покрытия и наоборот. Поэтому при оценке накопления азота цианобактериями нужно определять тот и другой показатели. По самим осторожным оценкам биомасса достигала

Таблица I

Биомасса и продуктивность цианобактерий в плёнках "цветения" Xсухое вещество)

Культура Дата (1987г) Площадь покрытия,;? Колебания биомассы, г/м2 Средняя биомасса, кг/га Продукция 1 кг/га

20,08 80. 1,1-15,8 85

Овёо 30,09 36 4,3-7,6 .60. 189

Сельдерей. 20,08 45 2,5-21,1. 118 384

Ячмень 20,08 20 6,0-10,0 80 173

десятков, продукция - сотен кг/га сухого вещества. Её максимальное значение под озимой'рожью в августе месяце 1986 г. рассчитанное по количеству фиксированного азота- - 22,7 кг/га (табл.5) к содержанию общего азота в клетках равного 4,5$ составило 504,4 кг/га. По сравнению с массой корневых остатков в почве продукция/, цианобактерий кажется незначительной. Однако в известные периоды она является мощным средообразупцим фактором для сапротрофных бактерий, обусловливая их мякростратификацню (Домрачева и др., 1986.) и улучшая условия питания микрофауны почвы (Домрачева, 1974). Благодаря этому, биомасса цианобактарий подвергается более быстрой трансформации в почве, чем растительные остатки (Панкратова,1979; Мезенцева, 1987;зытте1,1)вг1ву, 1985). Таким образом, органическое вещество цианобактарий играет значительную роль в почве. Одновременное накопление азота позволяет считать эту группу организмов агрономически полезной и интересной для изучения.

2. Ш1ШШЕ ВНЕИЕШХ САКТОРШ НЛ ФИКСАЦИЮ АЗОТА ЦИАНСКАКТШПМИ

Уровень азотфиксирующей активности цианобактерий (табл.2) в раде случаев на 1-2 порядка выса, чем у сапротрофных бактерий на тех жа участках в отсутствии плёнок "цветения".£це она оказалась в

тех же пределах, что и приведённая нри характеристике ассоциативной азотфиксации в дерново-подзолистой супесчаной почве под посевами ячменя, где максимальный уровень азотфиксации достигал 0,073 миги см-2час-1 (Умаров,1986). .

Таблица 2 -

Аз о тфик с ирующая активность цванобактерий и сапротрофных ' микроорганизмов

Скорость азотфиксации, Вариант ^¿ЙтЖ*. мкг N см^час"1

садротрофы цианобактериа

Попыт°Й % Су1іп<іговрегшіш ер. яр. 0,02-0,13 ' 0,1-8,0

Искусствен-30' . п од

ный газон ноа-Ьос шиесогит - и,¿а

Примечание. х 12-летний стационарный опыт НШСХ Северо-Востока (г.Киров), заложенный на дерново-подзолистой среднесуглинистой почве,** почва для выращивания газона взята с делянки того же опыта. \ ' .

. Можно предположить, что в периоды массового размножения циа-нобактерии являются основной группой азотфиксаторов в почвах.

Ключевыми факторами, определяющими динамику процесса азотфиксации у цианобактерий, являются температура и влажность почвы. Их влияние имеет сопряжённый характер. На рис.3 представлен ход азотфиксации у популяции Суііпіговрвгтит вр. ер л период "цветения". Видно, что в этот период недостатка влаги не наблвдается.она ограничивала азотфиксации только один день - 28 августа. Ход процесса практически полностью определялся изменениями температурного фактора. Понижение температуры'влекло за собой уменьшение азотфиксации. После холодового шока 23-25 сентября она снова проявляется. Суммарное накопление азота за период "цветения" составило 8,5кг/га Благодаря периодическим замерам скорости азотфиксации, мате-

магическому моделированию процесса и определению биомассы циано-бактерий или шюшзди покрытия шли почвы в динамике, удалось пока-

Август Сентябрь

Рис.3. Динамика фиксации даота цианобактериями под посевами овса о

Обозначения: 1-азот, Фиксированный за световой день.мкг/см*';

2-температура почвы,°С; 3- влажность почвы (слой 0-5см),£

зать порядок величин, характеризующих деятельность цванобактерий как азртфиксаторов а пахотных почвах.

3. ВЛ1Й1ИЕ НЕКОТОРЫХ АГРОТЕХНИЧЕСКИХ ПР1Ш.1СВ НА ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ ЦИАНСЬАКГЕРИЙ

Для малоплодородных дерново-подзолистых почв, преобладающих в Нечерноземной зоне, основными элементами современных технологии, определяющими повышение урожайности большинства культур, являются, вое увеличивающийся объем наклонения минералы их удобрений, в частности азотных, аестдцидов и массированные обработки почиы.

Влияние удоби»нцЗ. ¿уньциониро^ание цланобактерий со много, определяется уровнем связанного азоха в аочае, ч;о было оснару-жено в модельном лабораторном опыте к показано в разлитых агро-фитопанозах на пахоаных почвах.

Ьнксеьие фосфорно-калийных удобрвнка з (1лзрдэ I улерфос-

фата и К£20 - хлористого калия) и небольших доз аммиачной селитри к60 Увеличивало степень развития цианобактерий Iтабл.3). 3 то же время более высокие дозы ограничивали рост этих микроорганизмов.

Таблица 3

Влияние минеральных удобрений на биомассу (мг/см2,сухое вещество)

удоб^ний (Р^К120) ^90 ^120 ^150 ^180

9,0+2,3 17,0+4,3 18,6+4,7 15,8+4,0 9,8+2,5 16,4+4,1 12,6+3,2

Примечание. Лабораторный опыт, заложенный по схема палевого. Для инокуляции стерильной почвы использован Иовгос тиасогиа шт.21. Длительность опыта один месяц. Повторностъ четырехкратная.

Обеспеченность почвы элементами минерального питания оказывает видимое влияние на усвоение молекулярного азота (рис.1). Наибольшая нитрогеназная активность проявляется у цианобактерий при внесении только фосфора совместно с калием. Минеральный азот действовал на азотфиксацию как мощный ингибирующий фактор. В атом отношении реакция цианобактерий не отличалась от реакции других азотфиксируицих микроорганьзмов (Мшустин, Ёмцев, 1У87). При максимальном исключении взаимоотношений мевду естественными педобион-тами в почве даже небольшие дозы азота (30-60 кг/га) вызывали депрессию азотфиксации. Постепенно нитрогеназная. активность восстанавливалась. Глубина депрессии зависела от времени, но механизм ей снятия остается ноясным (ряс.4).

¿ели сравнить влияние минерального азота на азотфиксацию к и фотосинтез цианобактерий, можно видеть, что результат воздействия дуально сходен: уровень фотосинтеза непосредственно после внесения удобрений ниже, чем в более поздние срони определения. Высокие ^оаы ал^иа о^лшили на фотооинтез ингибирукада влияние,

нмСг>Н4 мин см2.

мкг сод мин см*"

0,2 - ш 0,3

0,1 0,2

1 1 р П 0,1 ё л-

I

(В)

К ф м30 я60 Я90 М120 К ф Н30 М60 Н90К120 И150 Н180

■■ I ът 2 си з

Рис.4. Влияние минерального азота на нитрогеназную активность (А) и фотосинтез (В)

Обозначения: I - через сутки; 2 - через две недели;

3- через месяц после внесения удобрений.

К - без удобрений; Ф - внесение *120к120*

которое снижалось со временем. Вместе с тем, существование альтернативного пути усвоения азота цри образовании фотосинтетической продукции - либо из молекулярной формы, либо из источника почвенного азота - исключает синхронизацию хода фотосинтеза а азотфиксации. Фотосинтез депрессировался более высокими дозами азота, чем азотфиксация. В опыте, проведённом по аналогичной схеме, но с более высокими дозами азотных удобрений, было обнаружено, что фотосинтез цианобактерий оказался устойчивым к дозам в до 240 кг/га. При этом сохранялись мощные разрастания нормально пигментированных пятен "цветения" в течение длительного времени после внесения удобрений. Результат воздействия зависел от возраста культуры.,Более старея популяция (14-недельная) проявляла большую толерантность, чем Ю-недельная, у которой каблвдалось статистически достоверное ингибированив фотосинтеза.

С другой стороны, возможность накопления цианобактерпями внутри меток значительного количества азота и минеральных во- :

цеств освобовдает их на время от зависимости по этому фактору от условий минерального питания (Гусев,Никитина,1979). Это объясняет некоторую"размытость" реакции фотосинтеза цианобактерий на увеличение содержания азота в5почве. Во всяком случав очевидно, что существенные отличия в ходе азотфиксации а фотосинтеза делают неточным определение масштабов аз отонакошцшия у цианобактсрий косвенным методом по величине их продукции.

Естественно, что в нолевых условиях реакция цианобактерий на внесение азотных минеральных удобрений более-сложная и опосредованная.. В то же время результативность многих взаимодействий и взаимовлияний может быть выявлена только в полевом эксперименте. Прежде всего было обнаружено, что систематическое внесение в почву минерального азота сильно влияло на структуру популяций и численность фототрофиых микроорганизмов. Регулярное, в течение 9-ти лет применение высоких доз азота ( Hj2q- Ы^зд) по данным Д.И.Дом-рачевой (Панкратова,Домрачева,Резник,1989) сопровождалось усилением развития нитчатых зелёных водорослей и подавлением цианобан-терий вплоть до их полного выпадения из состава плёнок "цветения" При этом максимальная численность цианобактерий наблвдалась при систематическом внесении в почву только, фосфора и калия.

При дробном внесении удобрений. (nx4Q^I3ö%08 кг/га 113 ТРИ срока), когда уровень доступных питательных веществ в почве сравнительно стабилен, преимущество развития зелёных нитчатых (доминант Chlorhormidiura flaccidum ) и одноклеточных водорослей ( Chlorella ар. ар., Chlorococcum зр. ар.) становится еще более : очевидным. Они вызывают позеленение поверхности почвы. Цианобак-терни в этом случае развиваются осенью лишь на вариантах, где удобрения были внесены одновременно или вообще не вносились.

Таким образом, если в лабораторішх условиях при стершшзаціш почвы до её инокуляции цианобактервдми, последние росли при дозе азота 240 кг/га, то в полевых условиях их рост ингибировалоя при значительно более низких дозах азотных удобрений. Модно предположить, что эти микроорганизмы элиминируются из состава почвенной биоты из-за потери своего экологического преимущества - способности к азотфиксации, что и приводит к вытеснению их из фототроф-. ного слоя почвы водорослями-конкурентами. ' V *

мнг С02 мин

0,9 0,5

0,1 Ь

А

[І

А

Без

Фон.

Фт

і

А

60

^120^180

Рис.5. Фотосинтетическая активность циаяобактерий на

разных вариантах полевого опыта:с возрастающими , дозада аэогнтгх удобрений .

Действительно, высокие дозы удобрений, которые применялись на стационарном опыте систематически, подавляли и фотосинтез (рио.5), и азотфкксашш (табл.5) цианобантерий. Самая высокая интенсивность фотосинтеза и азотфиксации, каблвдалась в вариантах, где были внесены толь-со фосфор и калий и при дозах азота бОкг/га.

Чувствительность азотфпксируюшгое дяанобактерий к высоким дозам минерального азота даёт, с одной стороны, принципиальную возможность использовать, эти микроорганизмы в качестве тест-объектов при мониторинге текущего состояния почв,, о другой,- в определённой степени, управлять накоплением биологического азота, используя те дозы азотных удойрояий, которые не подавляет■азотфиксации.

Влияние растений и обработки почвы. Растения прямо и косвенно влияем на саму возможность появления ^¿ассових разрастаний циа-нобактерий. Они плохо размножаются под клевером второго года пользования и бобово-злаковыми "мешанками" из-за большой степени затенения поверхности почвы. Особенности агротехники, связанные о летними обработками мевдурядии у пропашных культур и окучиванием картофеля, вызывают перемещение почвенных слоев и разрушение пленок "цветения". Это уменьшает критическую массу клеток циано-бактерий на поверхности почвы и задерживает возникновение "цветения". йак правило, под пропашными культурами оно развивается позднее и бывает более слабым, чем под культурами, где поверхность почвы долго не обрабатывается, что приводки к различной результативности накопления, азота цианобактершши (табл.4).

Таблица 4

Влияние возделываемой культуры на развитие цианобактерий

Возделываемая Длительность Плоишь ¿иксировашшй

культура "цветения.",дни "цветения",% азот, кг/га

яровая пшешша 60 10-15 14,5

Брюква '¿I 5-10 6,6

Примечание, »¡змерения проведены в один год на соседних полях под производственными посевами. Почва - дерново-подзолистая средне-суглинистая, внесены одинаковые дозы удобрений

Разрастания цианобактерий обычно обнаруживаются на полях, занятых озимой рожью (в конце ее созревания), на садовых участках (под земляникой), под клевером первого года, под яровыми зерновыми, под многолетними злаковыми травами.

Способ предпосевной обработки почвы меньше влияет на степень развития цианооактерий и их Функционирование, чем внесение удобрений (табл.5).

Таблица 5

Влияние внесения удобрений и способов обработки почвы на развитие и азотфиксацюо цианобактерий

Дозы внесённых удобрений, кг/га Способы обра-х Численность ботки почвы цианобактерий, тыс./см2 Ешот^кг/^га^

■ вспашка. 4800 8,0

Без удобрений (контроль) отвальное лущение 3585 5,9

. плоскорезная обработка 68X0 8,7

. вспашка 8950 22,7

В60^60%0 отвальное лущение 1860 11,5

плоскорезная обработка І0І20 19,6

вспашка 3490 1,5

®І20РІ20КІ20 отвальное лущение плоскорезная обработка 1460 2000 2,2 0,1

Примечание.хИзмерения проведены на 4-летнем стационарном полевом опыте, заложенном на дерново-подзолистой остаточно-карбонатной тяжелосуглинистой почве. Вспашка на глубину 20-22см; отвальное лущение без оборота,,пласта на глубину 10-12см; плоскорезная обработка - 10-12 см. Количество фиксированного азота определено оавктралъно-кзотоЕИШ методом, коэффициент вариации метода 5$ (Вахрушев, 1974) _;_: ■ . ■_■ ^

Численность цтанобангерий в расчёте на единицу площади бала несколько выше при плоскорезной предпосевной обработке почвы. Минимальная. обработка почвы способствовала сохранению структуры микробных сообществ в большей степени, чем вспашка. Эта закономерность сохранялась при лслользовании ^60Р60%0» но б5:;ла обратной при двойкой дозе этюс удобрений. В целом же нужно отметить, что, по-видимому, за период времени от посева до начала массового размножения цианобактерий в значительной степени .стираются, изменения: розетта почвы, происходящие под влиянием разных;обработок.-это-

іа

правде всего относится к еа поверхностно^ слов.

Основное влияние на азотфиксацию цианобактерий обработки почв оказывают через изменение длительности активного функционирования этих организмов. Ранняя зяблевая, вспашка автоматически прекращает азотфиксацию вследствии перемещения фототрофного слоя в глубь почвы. Например, в один из годов наблвдения зяблевую вспашку после посева ржи провели 13 октября. На этом поле циано-бактерии накопили 19,9 кг/га азота. Если бы зяблевая вспашка была проведена в обычные для Кировской области сроки ( конец августа - начало сентября), то азотонанопленш снизилось бы до В,16 кг/га. Отодвигая зяблевую вспашку модно добиться увеличения вклада цианобактерий в азотирование почв.

Абсолютные величины накопления азота за время функционирования поверхностных разрастаний во всех вариантах без удоОрашЫ были незначительны, варьируя от 5,9 до 8,7 кг/га. Азотонакоцлшше резко повышалось при внесении м^о^бО^бО' Д°СЇИГаа величины 22,7 кг/га. Подобные результаты были получены при проведении опытов в Ротамстеде, где на поле под посевами шаевилы применение весной азотных удобрений в дозах до 80 кг/га стимулировало азот-фиксацию инокулята N03*00 е1іраоарогша( ЛІ«У ,1979). Чётко выявлялось ингибируюцее влияние на азотфиксацию высоких доз удобрений. Оно бдпо следствием прямого подавления нитрогеназной. активности минеральными соединениями азота (рис.4), ослабления активного физиологического состояния цианобактерий, выражающееся в подавлении фотосинтеза, *і в конечном счете, в скорости размножения цианобактерий, и в сшне состава фототрофных организмов в поверхностных разрастаниях. При «.озе N 60^60^0 и вариантах без внесения удобрений В комплекс доминирующих видов ВЫШЛИ СуНпйгоареГШШП ХІсЬвпі-

forme, c.majus, K.musoicola На вариантах о высокой дозой удобрений ( N i20^I20KI20^ Доминировали, в основном неазотфиксирувщие Виды: rhormidivaa autumnale (Ag. )Gom., Hi.corium (Ag. )Gon. , Flectos«*.

та. edaphicura (Hollerb. )Vaul.,а азогфиксаторы переходили в состав субдоминантов. Происходило увеличение численности клеток безгете-роцистных видов и снижение гетероцистных. Это отразилось на размерах азотфиксации у цианобактерий.

Чтобы представить долю участка цианобактерий в приходных статьях баланса азота в почве были проведена измерения азотфиксации и интерполяционные расчёты на производственных площадях при различной агротехнике, применяемой в настоящее время при возделывании растений. (табл.б).

Таблица 6

Накопление, азота цианобактериями в производственных посевах

Культура Условия • Длительность "цветения",дни Фиксированный азот, кг/га

Овёс W.I20PI20KI20 Гербициды: 2М4Х, Баалетон .' . 60 8,5

Ячмень МI20PI20KI20 Гербициды: 2М4Х., Силт -»"в* 7,8

Яровая пшеница N90PI20KI20 о»"«. 14,5

Бршва H90PI2GKI20 21 6,6

Сельдерей Без внесения . удобрений ' 30 17,9

Яровая пшеница Внесение NJ2Q в ■течение 9-TJt лет 30 0,7

Естественно,, что при этом существует множество ПервХОДНКХ ситуаций, имеющих экологический характер, что в коквчнсм итога и

определяет размеры азотфиксацпи. Поэточу нь задаваясь целью проанализировать влияние того или иного фактора на функционирование цианобактерий в производственных посевах, мы считали полезным при отсутствии информации привести данные по накоплению ими азота.

Сушарное количество азота, фиксированного цианобактерцями в разных агрофитоценозах, варьировало от малозначимых величин -( 0,7 кг/га) до агрономически ощутимых (14,5; 17,9) за время "цветения" почвы. В опытах, при контролируемых условиях, ьльсамально& накопление азота цианобактарлями достигало 22,7 кг/га (табл.5). Всё сказанное даёт основание для заключения, что цианобактериаль-ная азотфиксациа может быть отнесена к числу важных составляющих баланса азота в пахотных почвах.

ВЫВЦЦД

1. Показано, что сообщество азотфиисирующих цианобактерий образует интенсивное покрытие на пахотных почвах Нечерноземной зоны в конце лета и начале осени в течение 30-45 дней. Доминирующими организмами при "цветении" пахотных почв являются cylindros-permum catenatum Ralfs. , C.licheniforme (Bory)Kuetz., l.majua Kueta. C.musclcula Kuetz.»Anabaena variabilis Kuetz., реже Npatoc muscorum Ag. , N.paludosua Kuetz.

2. Возникновение "цветения" не зависит от осеннего увеличения влажности почвы и укорачивания светлого времени суток. Возможность массового размножения цианобактерий определяется количеством осадков, вчподающих в середине лета, когорое должно быть не меньше, чем по среднегодовым нормам. В этом случае "цзетениэ" почвы появляется в передана августа. В те годы, когда почвенная. Поверхность в июле месяц» часто пересыхает в связи с краше нерав-

номерным выпадением осадков, сроки "цветения" сдвигаются, уменьшается интенсивность его развития. Сильное летнее иссушение почвы неблагоприятно влияет на размножение цианобактерий и в последующие годы, даже если условия влагообеспеченности для этих микроорганизмов улучшаются.

3. Инициация массового размножения клеток видов р. Cylindro-epermura. связана прямо или опосредовано с понижением или колебаниями на фоне понижения температуры почвы, что сопровождается интенсивным выпадением росы.

4. Установлена интенсивность "цветении" пахотных почв. В зависимости от года наблюдения, возделываемой культуры, агротехники площадь покрытия почвы азотфиксирующими цианобактериями колебалась в пределах 5-80:3, одномоментная биомасса - в пределах 60 -118 кг/га, годовая продукция - 173 - 504,4 кг/га. Максимальная численность клеток цианобактерий в пятнах "цветения" достигала десятков миллионов.

5. На основании анализа структуры популяций цианобактерий, образуемых ввдами р. Cylindrospermum } обнаружения у них в октябре после холодовых шоков фотосинтеза, фермептативной активности

и азотфиксации сделано заключение о холодостойкости этих организмов и активном функционировании в осенние месяцы. Установлено, что цианобактерии способны осуществлять азотонакопление в пахотных почвах вплоть до глубокой осени при условии сохранения их поверхностных разрастаний от механического разрушения. Показана-достаточная ацидотолерантность. этих организмов.

6. Разработан комплекс методических приёмов для определения газообмена у цианобактерий, позволяющих повысить точность и воспроизводимость ззмеренЕй и оценивать, его в условиях близких к

естественным.

тк

7. Измеренияпроведённые с использованием ы2 па пахотных почвах Нечернозёмной зоны под различными культурами, показали, что размеры накопления азота цианобактериями колебались от 0,1. до 22,7 кг/га, что определялось условиями агротехники возделываемых . растений и, в первую очередь, применением азотных удобрений.

8. Показано, что на пахотных почвах значительное размножение азотфиксирующих цианобактерий начинается после уменьшения в почве доступных соединений азота. Быстрее всего осенью цианобактерии появлялись на "полях, где систематическое весеннее внесение азота не превышало SO кг/га и при внесении фосфорно-калийных удобрений. Систематическое применение азотных минеральных удобрений в дозах 120-180 кг/га приводит к снижению численности цианобактерий, ... вплоть до их исчезновения, из пятен "цветения"..

Э. Азотфиксация цианобактерий резко уменьшается сразу после внесения даже небольшой дозы азота (30 кг/га) и восстанавливается со временем. Наибольшая азотфиксация наблюдается в агроценозах, где доза азота при систематическом внесении не превышает 60 кг/га.

10. Подавление фотосинтетической активности цианобактерий происходит при дозах азота 150-180 кг/га. Поэтому показатели фотосинтеза не могут быть использованы для изучения азотонакопления, тем не менее, они характеризуют физиологическое состояние популяции. ...

11. Механические обработки почв уменьшают сроки активного функционирования цианобактерий вследствие разрушения их поверхностных разрастаний. Цианобактерии хуже и в более поздние сроки размножаются под пропашными культурами. Осенняя зяблевая вспашка является основной причиной прекращающей азотонакопление за счёт

цванобактерий. Варьируя сроки обработок почвы, например, отодвигая зяблевую вспашку, можно добиться увеличения вклада цианобактерий в азотирование почв.

12. В период массового размножения (август-сентябрь) циаяоба-ктерии являются основными азотфиксаторами в фототрофном слое почвы, поэтому в Нечернозёмной зоне деятельность этих микроорганизмов должна быть учтена при составлении азотного баланса пахотных почв.

По материалам диссертации опубликованы следующие работы:

1. A.c.949497 СССР, МКИ3 G0IN3I/08. Устройство для ввода проб в газовый хроттограф/В.А.Маругин.Е.Н.Резник (СССР).-4 о.: ил.

2. А.с.1000904 СССР, МКИг GOlf31/08. Дозатор для газового хромат ографа/J.А.Маругин,Е.Н.Резник (СССР).-4 е.: ил.

3. А.с.1045057 СССР, ЫКИ3 GОН 1/22. Устройство для отбора я на4анализ газ0ВЫХ газовых проб/В.А.Маругин,E.H.Резник

4. А.о.1260854 СССР, МКИ4G01КЗО/ГО. Дозатор для газового хроматографа/В.А.Иаругин,E.H.Резник (СССР).-6 е.: ил.

5. Вахрушев А.С.,Резник E.H. Определение...фотосинтеза водорослей методом газовой хроматографии // Ьауч.докл.высш.шк. Биол. науки.-1980.-:0.-С.101-104.

6. Вахрушев А.С.,Резник E.H. Изучение газообмена почвенных микроорганизмов // Тр.Киров.с-х ин-та. Т.70,-Пермь.-1981.-С.168-176.

7. Резник E.H. Влияние различных доз минеральных удобрений

на фотосинтез почвенных водорослей // тез.докл.облает.научно-практ. конф.мол.учённх и спец. с.-х. Тюмень,1983. Изд.ТСХИ.-С.84-85.

8. Маругин В.А.,Резник E.H. Определение С02-газообмена азот-фиксирующих водорослей в зависимости от количества вносимых минеральных удобрений // ^качественный состав и повышение плодородия почв в Предуралье Ыегэузовскцй сб.научн.трудов).Пермь,1983,-

С.63-69.

9. ¿1аругш В.А.,Резнин E.H. Высокочувствительный газохрома-тографический способ определения ССЬ-газообмена почвенных микроорганизмов/Кировский СХИ. Киров.1982,-8 с.(рукяись дед. в ВИНИТИ 20.05.83. JS270I-Ü3 ДепТ).

10. Маругин В.А.,Резник Е.К. Совместное высокочувствительное определение COv,. С2Н2 и С gl ¡4 методом газовой хроматографии // Современные методы физило-химических исследований и химико-аналити-. ческого. контроля в сельском хозяйстве, хез. 1-Oil шжвуэовевой научной конференции, Тшеш>,ÜC4.-G.20-2^.

11. Панкратова Ё. М., Домрачева Л. И., Резник Ё. Н. Сочетание методов газовой хроматографии и прямого счета для диагностики состояния почвенных водорослей в агрофитоценозах // Современные методы физико-химических исследований и химико-аналитического контроля в сельском хозяйстве. Тез. 1-й межвузовской научной конференции. Тюмень, 1984, —С. 17—18.

12. Биологическая оценка состояния почвы при разных дозах азотных удобрений / Е. М. Панкратова, Л. И. Домрачева, Г. И. Маркова, Г. В. Мезенцева, Е. Н. Резник, О. С. Сметанин//Эффективность удобрений и окультуривание почв Северо-Востока Нечерноземной зоны РСФСР. Тр. НИИСХ Северо-Востока. Киров, 1984.— С. 111—114.

13. Влияние доз азотных удобрений на биологическую активность почвы/Е. М. Панкратова. Л. И. Домрачева, Г. И. Маркова, Г. В. Мезенцева, О. С. Сметании, Е. Н. Резник//Задачи агрохимической науки по повышению окупаемости удобрений по зонам страны. Тез. докл. Всесоюзн. конф. Горький, 1984. Ч. I. — С. 40—41.

14. Сметании О. С., Резник Е. Н. Сравнительная оценка изотопного и газохроматографического методов измерения фотосинтетической активности почвенных водорослей / Кировский СХИ. Киров. 1985.—8 с. (рукопись деп. в ВИНИТИ 3.06.85. № 3843-Деп.).

15. Резник Е. Н., Домрачева Л. П., Панкратова Е. М. Использование цианобактерий и некоторых зеленых микроводорослей для диагностики перегрузки почвы азотными удобрениями // Микробиологические методы защиты окружающей среды. Тез. докл. конф. Пущино. 1988.— С. 159—160.

16. Панкратова Е. М., Резник Е. Н., Бородина Н. В. Динамика накопления азота цианобактериями в пахотных почвах при возрастающих дозах азотных удобрений // Биодинамика почв: Тез. докл. 3-го Всесоюз. симпоз. 25—27 октября 1988 г. — Таллинн, 1988. — С. 17.

17. Резник Е. Н., Домрачева Л. И. Изучение закономерностей развития наземных альгоценозов для характеристики состояния почвы // Биодинамика почв: Тез. докл. 3-го Всесоюз. симпоз. 25—27 октября

1988 г. — Таллинн, 1988. — С. 139.

18. Панкратова Е. М., Домрачева Л. И., Резник Е. Н. Функционирование цианобактерий на пахотных почвах Нечерноземной зоны II Почвоведение. — 1989. — № 4. — С. 75—81.

19. Шулятьев В. Н., Резник Е. Н. Исследование распределения содержания углекислого газа в животноводческом помещении // Механизация процессов кормоприготовления и содержания животных: Сб. науч. тр.—Пермь, 1988.— С. 17—21.

20. Маругин В. А., Резник Е. Н. Определение содержания некоторых компонентов в газовых и воздушных смесях//Научно-технический потенциал вузов — народному хозяйству: Тез. докл. конф. 22 декабря

1989 г. — Киров, 1989. — С. 20.

Объем l'/г п. л.

Заказ 1081.

Тираж 100

Типография Московской с.-х. академии им. К. А. Тимирязева 127550, Москва И-550, Тимирязевская ул., 44

Бесплатно.