Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Влияние инокулята почвенных микроорганизмов на агрохимические показатели техногенных элювиев и продукционные процессы Avena sativa L. в условиях породного отвала

ВАК РФ 03.02.08, Экология (по отраслям)

Автореферат диссертации по теме "Влияние инокулята почвенных микроорганизмов на агрохимические показатели техногенных элювиев и продукционные процессы Avena sativa L. в условиях породного отвала"

На правах рукописи

МАКЕЕВА Наталья Александровна

ВЛИЯНИЕ ИНОКУЛЯТА ПОЧВЕННЫХ МИКРООРГАНИЗМОВ НА АГРОХИМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ТЕХНОГЕННЫХ ЭЛЮВИЕВ И ПРОДУКЦИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ A VENA SATIVA L. В УСЛОВИЯХ ПОРОДНОГО ОТВАЛА

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

03.02.08.-Экология

8 АПР 2015

Кемерово - 2015

005566780

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки «Институт экологии человека» Сибирского отделения Российской академии наук

Научный руководитель доктор биологических наук, профессор

Неверова Ольга Александровна

Официальные оппоненты: Апдроханов Владимир Алексеевич, доктор биологических наук, ФГБУН «Институт водных и экологических проблем» СО РАН, старший научный сотрудник лаборатории геомониторинга

Водолеев Анатолий Сергеевич, доктор сельскохозяйственных наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет», профессор кафедры теплоэнергетики и экологии

Ведущая организация ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет

имени первого Президента России Б. Н. Ельцина»

Защита состоится 15 мая 2015 г. в 13:00 ч. на заседании диссертационного совета Д 220.048.03, созданного на базе ФГБОУ ВПО «Новосибирский государственный аграрный университет» (630039, г. Новосибирск, ул. Добролюбова, д. 160). Тел., факс (383) 264 29 34, e-mail: norge@ngs.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Новосибирского государственного аграрного университета и на сайте http://nsau.edu.ru

Автореферат разослан « » ¿¿'С^/}2015 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

" Маренков Владимир Григорьевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Восстановление промышленно измененных земель, в том числе шахтных отвалов, является одним из обязательных компонентов рационального природопользования любых национальных программ. Наиболее остро проблема восстановления нарушенных земель в результате открытой добычи угля стоит в Кузбассе, где не менее 80 % почвенного покрова земледельческой части региона трансформировано, а около 100 тыс. га уничтожено полностью.

Воздействие нарушенных земель на природную среду проявляется в различных формах. Глубинные горные породы, вынесенные на поверхность, загрязняют почвенный покров прилегающих территорий в результате гравитационного перемещения с породных отвалов (оползни), водной эрозии со склоновых поверхностей отвалов, аэрогенного переноса.

В результате нарушения почвенного и растительного покровов происходит замена природных ландшафтов техногенными, восстановление которых естественным путем идет очень медленно. Анализ научных публикаций и практических работ по восстановлению техногенно нарушенных земель показывает, что в Кузбассе наиболее разработаны методы лесной и сельскохозяйственной рекультивации.

В производственном масштабе наиболее широко используется лесная рекультивация с преимущественным использованием сосны обыкновенной. Однако данное направление рекультивации не может дать достаточно быстрых результатов. В связи с вышесказанным остается актуальной проблема разработки ускоренных способов восстановления породных отвалов Кузбасса, в том числе с элементами биотехнологии с дальнейшей апробацией предложенных технологий и их внедрением.

Степень разработанности проблемы. Исследования по восстановлению отвалов угольных разрезов, а также влиянию методов ускоренной рекультивации на экологическое состояние нарушенных угледобычей земель в России и за рубежом проводили И. В. Катаева, Н. М. Костенков, А. П. Красавин, В. И. Ознобихин, Л. В. Моторина, В. В. Тарчевский, А. Н. Хорошавин, Т. С. Чибрик, S. М. Cornwell, J. R. Matthews, V. Petrikova, I. V. Thirgood, Z. N. Ye и другие.

На территории Кемеровской области разработкой методов лесной и сельскохозяйственной рекультивации шахтных отвалов занимались Л. П. Баранник, Л. А. Воронина, А. П. Захаров, Т. В. Иванова, А. Н. Куприянов, Т. Г. Ламанова, М. Т. Логуа, Ю. А. Манаков, Н. В. Шеремет, А. М. Шмоиов и другие. Вопросы ускоренной рекультивации рассматривали А. С. Водолеев, X. А. Исхаков, А. Д. Писарчук, Н. Н. Терещенко, В. И.

Уфимцев и другие. Работ по использованию эколого-трофических групп почвенных микроорганизмов для восстановления нарушенных земель в Кузбассе нет.

Цель исследований - изучить влияние инокулята почвенных микроорганизмов различных эколого-трофических групп на агрохимические свойства техногенных элю-виев и продукционные процессы Avena sativa L. в условиях породного отвала угольного разреза «Кедровский» Кемеровской области.

Задачи исследований:

изучить динамику численности микроорганизмов, разлагающих силикаты, микроорганизмов, использующих минеральный азот, и микроскопических грибов в техногенных элговиях породного отвала при инокуляции эколого-трофическими группами почвенных микроорганизмов в различных сочетаниях;

исследовать содержание подвижных форм азота, фосфора и калия в техногенных элювиях отвалов при их инокуляции почвенными микроорганизмами;

изучить фотосинтетическую способность листового аппарата Avena sativa L. в условиях эксперимента на породных отвалах;

провести анализ ростовых и продукционных процессов Avena sativa L., произрастающего на породных отвалах при их инокуляции почвенными микроорганизмами;

оценить влияние инокулята почвенных микроорганизмов на накопление азота, фосфора и калия различными органами растений Avena sativa L. в условиях породного отвала.

Научная новизна. Впервые в Кемеровской области исследовано влияние инокулята эколого-трофических групп почвенных микроорганизмов в различных сочетаниях на агрохимические свойства техногенных элювиев и показатели роста и продуктивности Avena sativa L. в условиях породного отвала угольного разреза «Кедровский». Разработана технология стимулирования процесса формирования эмбриоземов на поверхности вскрышных пород отвала угольного разреза с применением инокулята эколого-трофических групп почвенных микроорганизмов.

Практическая значимость. Разработан способ улучшения агрохимических свойств техногенных элювиев путем инокуляции породных отвалов угольного разреза почвенными микроорганизмами. Установлено, что инокуляция отвалов микроорганизмами, разлагающими силикаты как в отдельности, так и в составе комплексов: «микроорганизмы, разлагающие силикаты + микроорганизмы, использующие минеральный азот», «микроорганизмы, разлагающие силикаты + микроорганизмы, использующие минеральный азот + микроскопические грибы» улучшает агрохимические свойства элювиев и оказывает стимулирующее действие на рост и продуктивность Avena sativa L. Применение инокулята микроорганизмов позволяет в короткие сроки повысить плодо-

родие техногенных элювиев без дополнительного внесения минеральных удобрений.

Результаты работы внедрены в учебный процесс специализации «Экология и природопользование» Кемеровского государственного университета, в научную часть раздела дисциплины «Основы экобиотехнологии».

Методология и методы исследований. Методологической основой диссертационного исследова1шя послужили труды отечественных и зарубежных ученых в области изучения особенностей формирования микробных ценозов техногенно нарушенных земель в результате угледобычи, ускоренных способов восстановления нарушенных биоценозов. В ходе выполнения исследований были использованы апробированные методы: физико-химические (спектрофотометрия, атомно-абсорбционный анализ, пламенная фотометрия, ионометрия), оптическая микроскопия, морфометрия, методы математической статистики.

Защищаемые положения:

1. Инокуляция поверхности отвалов эколого-трофическими группами микроорганизмов (микроорганизмы, использующие минеральный азот; микроорганизмы, разлагающие силикаты; микроскопические грибы) как отдельно, так и при их совместной комбинации приводит к увеличению численности данных групп микроорганизмов в техногенных элювиях и увеличению подвижных форм азота, фосфора и калия;

2. Ростовые и продукционные процессы Avena sativa L. являются адекватным критерием оценки эффективности действия инокулятов почвенных микроорганизмов на агрохимические свойства элювиев;

3. Эффективным способом улучшения агрохимических свойств техногенных элювиев на породном отвале угольного разреза «Кедровский» в условиях Кемеровской области является применение инокулятов микроорганизмов, разлагающих силикаты, как в отдельности, так и в составе комплексов: «микроорганизмы, разлагающие силикаты + микроорганизмы, использующие минеральный азот», «микроорганизмы, разлагающие силикаты + микроорганизмы, использующие минеральный азот + микроскопические грибы».

Личный вклад автора. В диссертацию вошли материалы, полученные лично автором в результате полевых и лабораторных исследований в 2008 - 2010 гг. Автором выполнен основной объем исследований, проведен анализ полученных данных, сформулированы основные положения диссертации, составляющие её новизну и практическую значимость.

Достоверность результатов исследования подтверждена четкой постановкой цели и задач, тщательным планированием эксперимента, использованием адекватных целям и задачам методов, репрезентативностью выборки, применением статистических методов.

Апробация работы. Основные результаты исследований доложены на семинарах, научных сессиях и конференциях молодых ученых в Институте экологии человека СО РАН (2008 - 2012 гг.), заседании президиума Кемеровского научного центра СО РАН (2011), международных конференциях: «Проблемы промышленной ботаники индустриально развитых регионов» (Кемерово, 2009, 2012 гг.), «Экология. Риск. Безопасность» (Курган, 2010), «Урбоэкосистемы: проблемы и перспективы развития» (Ишим, 2010); международной научной школе-конференции студентов и молодых ученых «Экология Южной Сибири и сопредельных территорий» (Абакан, 2010); международной молодежной экономической школе (Новосибирск, 2011); всероссийских научно-практических конференциях с международным участием: «Экологические проблемы промышленных городов» (Саратов, 2011), «Проблемы озеленения городов Сибири и сопредельных территорий» (Иркутск, 2011), «Биологическая рекультивация и мониторинг нарушенных земель» (Екатеринбург, 2012), «Ботанические чтения» (Ишим, 2011, 2012); всероссийских научно-практических конференциях: «Агроэкологические проблемы техногенного региона» (Кемерово, 2009), «Научное творчество молодежи» (Анжеро-Судженск, 2011), «Эколого-ботанические исследования в Азиатской России» (Новосибирск, 2012); инновационном конвенте «Кузбасс: образование, наука, инновации» (Кемерово, 2011), молодежной конференции «I Усовские чтения в Кузбассе» (Кемерово, 2010).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 печатных работ, из них в журналах, рекомендованных ВАК, - 4.

Структура и объем работы: диссертация изложена на 162 страницах, состоит из введения, 6 глав, выводов, практических предложений, списка литературы, включающего 333 источников, из них 39 на иностранном языке, и приложений, изложенных на 30 страницах. Работа содержит 8 таблиц и 13 рисунков.

Благодарности. Выражаю искреннюю благодарность научному руководителю профессору, д.б.н. О. А. Неверовой за общее руководство работой. Автор признателен коллективу Института экологии человека СО РАН за содействие и поддержку в проведении настоящих исследований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Глава 1. Обзор литературы

В главе рассмотрен опыт применения лесной, сельскохозяйственной и ускоренной рекультивации отвалов угольных разрезов как в России, так и за рубежом; а так же особенности формирования микробных ценозов техногенно нарушенных земель в результате угледобычи.

Глава 2. Характеристика района исследования

Исследования проведены на породном отвале «Южный» угольного разреза «Кед-ровский», расположенном на правом берегу р. Томи в 30 км к северу от областного центра г. Кемерово. Возраст отвала 25 - 30 лет.

Породы отвала «Южный» представлены песчаником (60 %), алевролитами (20 %), аргиллитами (15 %), суглинками и глинами (5 %). Исследуемые элювии характеризуются щелочной реакцией (pH 7,8), низкой обеспеченностью подвижными формами фосфора (5 - 10 мг/кг) и азота (0,91 - 5,7 мг/кг), содержание обменного калия чуть ниже нормы (125 - 140 мг/кг). Преобладающей фракцией являются крупные агрегаты (от 3 до 10 мм и более), содержание мелких частиц снижено. Исследуемые техногенные элювии (ТЭ) являются суглинком средним согласно классификации почв Н. А. Качинского [1965], основанной на соотношении количеств физического песка и физической глины в почве. Анализ содержания тяжелых металлов не показал превышения ПДК.

Глава 3. Объект и методы исследований

На основе анализа источников литературы по изучению формирования микро-боценозов на нарушенных землях Кузбасса [Александров, Терновская, 1968; Клевенская и др., 1985; Наплекова и др., 1982; Кулебакин, 1989] для инокуляции породных отвалов были выбраны эколого-трофические группы микроорганизмов (ЭКТГМ), способные заселять отвалы на инициальной стадии их развития: микроорганизмы, использующие минеральный азот (МИМА), микроорганизмы, разлагающие силикаты (MPC), и микроскопические грибы.

Инокулят микроорганизмов получали путем выделения эколого-трофических групп микроорганизмов из зональных почв (оподзоленный чернозем) на специальных агаризованных средах: микроскопические грибы - на среде Сабуро, микроорганизмы, использующие минеральный азот, - на крахмало-аммиачном агаре (КАА), микроорганизмы, разрушающие силикаты, - на среде Александрова-Зака с дальнейшим наращиванием микробной массы в соответствующих жидких питательных средах последовательным пересевом в возрастающие объемы среды. Культивирование микроорганизмов проводили при температуре 28 °С при постоянном перемешивании питательных сред до логарифмической фазы роста микроорганизмов (плотность культуры 109 - 1010 клеток на 1 мл питательной среды) (таблица 1 ). Содержание жизнеспособных клеток в жидких средах определяли путем посева суспензии на соответствующие агаризованные среды [Прунтова, Сахно, 2005].

Микроскопирование полученных инокулятов показало, что MPC представлены в основном бактериями родов Bacillus sp., Mycobacterium sp., Pseudomonas sp. На среде Сабуро преимущественно развивались грибы родов Mucor sp., Pénicillium sp., Aspergil-

lus sp., Cladosporium sp., Trichoderma sp., Dematium sp. На KAA выявлено преобладание бактерий родов Actinomyces sp., Mycobacterium sp., Streptomyces sp., Streptoverticillium sp., Nocardia sp., Micromonospora sp., Streptosporangium sp.

Таблица 1 - Количество КОЕ в инокулятах (средние данные за 2008 - 2010 гт.)

Дата определения Число микроорганизмов, 105 КОЕ/мл

Микроорганизмы, разлагающие силикаты Микроорганизмы, использующие минеральные формы азота Микроскопические грибы

19 - 25 июня 9036,02±306,81 1382,65±80,20 38676,49±2028,72

19-25 июля 9826,85±396,55 1316,24±73,33 37618,56±708,58

Испытуемые смеси микроорганизмов для инокуляции составляли в равных объемах с учетом, что общий объем для внесения на делянки соответствовал 7 л. Внесение инокулята микроорганизмов проводили дважды за вегетацию: первичное внесение - в период с 20 по 25 июня и вторичное внесение - в период с 20 по 25 июля 2008 - 2010 гг.

Пробные площадки (ПП) площадью 1 м2 разбиты на вершине спланированного отвала, в местах лишенных растительности, по следующей схеме: ПП 1 - контроль (полив водой); ПП 2 - внесение микроскопических грибов; ПП 3 - внесение микроорганизмов, разлагающих силикаты; ПП 4 - внесение микроорганизмов, использующих минеральные формы азота; ПП 5 - внесение грибов + микроорганизмы, разлагающие силикаты; ПП 6 - внесение грибов + микроорганизмы, использующие минеральные формы азота; ПП 7 - внесение микроорганизмов, разлагающих силикаты + микроорганизмы, использующие минеральные формы азота; ПП 8 - внесение микроорганизмов, разлагающих силикаты + грибы + микроорганизмы, использующие минеральные формы азота. Повторность опыта каждой пробной площадки 3-кратная. Делянки по повторно-стям пространственно отдалены друг от друга для исключения влияния неоднородности субстрата и рельефа местности [Доспехов, 1985; Кириченко и др., 2006].

В качестве тестового растения на интенсивность почвообразовательного процесса использовали Avena sativa L. (овес посевной) сорта Ровесник селекции Кемеровского НИИСХ и СибНИИ растениеводства и селекции. Посев растений проводили из расчета 45 г (867,7915,19 семян) на 1 м2.

Образцы техногенных элювиев (ТЭ) для микробиологического, агрохимического и гранулометрического анализов брали с каждой ПП методом «конверта» на глубине 0 -5 см.

Учет численности основных ЭКТГМ в ТЭ проводили три раза за вегетацию 2008 - 2010 гг. методом посева почвенной суспензии на агаризованные среды. По числу колоний рассчитывали наиболее вероятное количество микроорганизмов в 1 г сухой почвы при уровне достоверности 95% (Ро,95) [Егоров,!976]. Идентификацию микроорга-

низмов (до рода) проводили по морфологическим и культуральным признакам [Теппер и др., 1993; Определитель бактерий..., 1997].

Анализ образцов ТЭ (механический, гранулометрический и агрохимический состав, содержание тяжелых металлов) проводили на базе аккредитованного испытательного центра агрохимической службы «Кемеровский».

Гранулометрический состав ТЭ определяли по весовому содержанию в нем частиц различной крупности, выраженному в процентах по отношению к весу сухой пробы грунта, взятой для анализа. Определение механического состава проводили методом Н. А. Качинского на основании содержания физической глины с учётом доминирующей фракции и типа почвообразования [ГОСТ 12536-79].

Содержание подвижного азота в ТЭ проводили ионометрическим методом [ГОСТ 26951-86] путем извлечения нитратов раствором сернокислого калия и последующего определения нитратов в вытяжке с помощью ионоселективного электрода. Определение подвижных соединений фосфора и калия проводили по методу Чирикова в модификации ЦИНАО [ГОСТ 26204-91]. Метод основан на извлечении подвижных соединений фосфора и калия из почвы раствором уксусной кислоты и последующем определении фосфора в виде синего фосфорно-молибденового комплекса на фотоэлектроколоримет-ре и калия - на пламенном фотометре. Определение тяжелых металлов в ТЭ проводили атомно-адсорбционным методом на спектрофотометре ААБ-ЗО (Германия) в пламени ацетилен-воздух [Методические указания..., 1992].

В течение вегетации оценивали всхожесть и сроки наступления основных фаз развития овса по общепринятым методам [Синякова и др., 1984]. Оценку фотосинтетической способности листьев проводили бескамерным методом, разработанным О. Д. Быковым [1974]. Метод основан на определении относительного изменения в удельном содержании восстановленных веществ за единицу времени. Изучение ростовых и продукционных процессов на уровне целого растения проведено по методике И. В. Карма-новой [1976] на основе определения массы растений и площади листьев. Анализ структуры урожая проведен по следующим показателям: количество стеблей на одном растении, количество зерен с одного растения, масса 1000 зерен, масса зерен с одного растения [Никитенко, 1982; ГОСТ 12042-80].

Определение содержания общего азота в растительном материале проводили методом мокрого озоления серной кислотой с использованием реактива Несслера [Плеш-ков, 1976]; количество общего фосфора - колориметрическим методом по Фиске-Суббароу в модификации с применением аскорбиновой кислоты [Плешков, 1976]. Определение калия проводили на пламенном фотометре. Метод основан на измерении светового излучения атомов калия при возбуждении их электронных оболочек в пламени ацетилена [Методические указания..., 1992].

Обработка экспериментальных данных проведена с использованием статистического пакета Statistica 6.0.

Глава 4. Оценка влияния инокулята микроорганизмов на некоторые показатели, участвующие в формировании плодородия техногенных элювиев

4.1. Динамика эколого-трофических групп микроорганизмов в элювиях отвалов в условиях эксперимента. Анализ средних данных за 2008 - 2010 гг. показал, что инокуляция поверхности отвалов исследуемыми ЭКТГМ как отдельно, так и при их совместной комбинации приводит к увеличению численности данных групп микроорганизмов в ТЭ. Сравнительная характеристика полученных результатов показала, что в динамике численности исследуемых микроорганизмов имеются как сходства, так и различия.

После первичной инокуляции содержание МИМА в ТЭ опытных вариантов находилось в пределах 25481 - 48734 тыс. КОЕ/г сухой почвы. При этом максимальные отличия от контроля отмечены при внесении инокулята микроорганизмов, использующих минеральный азот, и комплекса всех микроорганизмов - выше контроля на 211 и 170 % (Р < 0,001) соответственно. Вторичная инокуляция отвалов микроорганизмами, использующими минеральный азот (ПП 4), привела к увеличению их численности в ТЭ на 96 % (Р < 0,001) по сравнению с контролем. В остальных вариантах опыта отличия от контроля незначительные.

Инокуляция породных отвалов микроорганизмами, разлагающими силикаты, как в отдельности, так и в комплексах, приводит к несколько иной динамике их численности в ТЭ. Во всех вариантах опыта максимальное количество MPC наблюдается в конце вегетации (35785 - 49560 тыс. КОЕ/ г сухой почвы). Однако отличия от контроля более существенны после первичной инокуляции в вариантах с внесением MPC как отдельно (ПП 3), так и в виде комплекса всех микроорганизмов (ПП 8) (превышение над контролем составило 171 и 186 % соответственно, Р < 0,001). После вторичной инокуляции в тех же вариантах опыта отличия в содержании MPC от контроля составили 85 и 90 %; в конце вегетации - 39 и 48 %. Кроме того, после вторичной инокуляции высокая численность MPC (выше контроля на 61 %) наблюдалась после внесения комплекса «грибы + микроорганизмы, разлагающие силикаты» (ПП 5).

Содержание микроскопических грибов в ТЭ опытных вариантов при инокуляции отвалов изменяется в пределах 10,7 - 23,6 тыс. КОЕ/г сухой почвы с максимумом в конце вегетации, однако отличия от контроля недостоверны. Максимальная стимуляция роста микроскопических грибов отмечается после первичной и вторичной инокуляции отвалов микроскопическими грибами (ПП 2) (выше контроля на 56 и 28 %, Р < 0,001).

Внесение микроскопических грибов в комбинации с другими микроорганизмами не приводит к существенным изменениям численности грибов в элювиях по сравнению с контролем.

Таким образом, установлено, что инокуляция поверхности отвалов исследуемыми эколого-трофическими группами микроорганизмов как отдельно, так и при их совместной комбинации приводит к увеличению численности данных групп микроорганизмов в ТЭ. Максимальный эффект отмечен после первичной инокуляции отвалов на основе отдельных эколого-трофических групп микроорганизмов: возрастает количество микроорганизмов, использующих минеральный азот, на 211 %, микроорганизмов, разлагающих силикаты, - на 171 %, микроскопических грибов - на 56 % (Р < 0,001).

4.2. Физико-химические свойства техногенных элювиев. ТЭ кошрольных площадок характеризуются низким содержанием фосфора (5 - 10 мг/кг) и азота (0,91 -5,7 мг/кг), содержание обменного калия чуть ниже нормы (125 - 140 мг/кг). Инокуляция ТЭ почвенными микроорганизмами приводит к повышению содержания подвижных форм данных элементов (таблица 2).

Таблица 2 - Агрохимический состав техногенных элювиев породного отвала при инокуляции почвенными микроорганизмами (средние данные за 2008 - 2010 гг.)

№ пробной площадки Фосфор подвижный Р2О5 (мг/кг) Калий обменный К20 (мг/кг) Азот нитратный (мг/кг)

1 7,33±1,45 131,67±4,41 2,77±1,48

2 8,33±1,67 168,33±6,02*" 11,40±4,17"*

3 15,67±2,97*** 208,33±15,92*" 5,00±1,03"

4 12,33±3,39* 191,67±8,34"* 5,54±4,29

5 12,33±1,86*" 176,00±20,26"** 6,27±1,05*"

6 12,00±1,53*" 151,67±1,67"* 10,23±2,77"*

7 15,33±2,6Г" 180,00±10,42*" 2,47±1,95

8 12,33±1,86*** 161,67±10,15*" 6,70±1,38"*

Примечание (здесь и далее). отмечены достоверные отличия от контроля при Р < 0,001, "— Р<0,01, Р < 0,05; 1 - Контроль; 2 - Грибы; 3 - Микроорганизмы, разлагающие силикаты; 4 — Микроорганизмы, использующие минеральные формы азота; 5 — Грибы + микроорганизмы, разлагающие силикаты; 6 - Грибы + микроорганизмы, использующие минеральные формы азота; 7 - Микроорганизмы, разлагающие силикаты + микроорганизмы, использующие минеральные формы азота; 8 — Микроорганизмы, разлагающие силикаты + грибы + микроорганизмы, использующие минеральные формы азота.

В среднем за три года максимальное повышение нитратного азота в ТЭ отмечено в варианте с внесением инокулята микроскопических грибов как отдельно, так и в комбинации с МИМА - выше контроля на 312 и 269 % (Р < 0,001) соответственно. Повы-

шение содержания в ТЭ подвижных форм калия и фосфора выявлено в вариантах с внесением инокулята MPC и МИМА, как в отдельности, так и в совместной комбинации: при инокуляции отдельными группами микроорганизмов отмечено повышение обменного калия на 58 и 46 % (Р < 0,001), фосфора - на 114 и 68 % (Р < 0,05). Инокуляция комбинацией этих групп микроорганизмов вызывает повышение К2О и Р2О5 на 36 и 109 % (Р < 0,001).

Глава 5. Особенности ростовых и продукционных процессов Avena sativa L. при инокуляции отвалов почвенными микроорганизмами

В данной главе представлены результаты анализа ростовых и продукционных процессов овса посевного (Avena sativa L.) как тестовых на почвообразовательный процесс. Установлено, что фотосинтетическая способность, сухая масса, площадь листьев и показатели структуры урожая овса при инокуляции ТЭ различными вариантами почвенных микроорганизмов, как правило, выше контроля.

Изучение фотосинтетической способности листьев показало, что как в контроле, так и в опытных вариантах минимальные значения отмечены в начале и конце вегетации, максимальные - в середине (рисунок 1). Первичная инокуляция отвалов MPC (ПП 3) вызывает максимальное увеличение фотосинтетической способности листьев овса и к 25 июня превышает контроль на 21 %. Вторичная инокуляция отвалов микроскопическими грибами (ПП 2), MPC (ПП 3) и комплексом из всех групп микроорганизмов (ПП 8) способствовала увеличению фотосинтетической способности на 21 - 24 %. К концу вегетации (5 августа) фотосинтетическая способность листьев овса превосходит контроль на 31 % в варианте с внесением MPC (ПП 3). Отличия от контроля достоверны (Р < 0,001). Таким образом, наибольшие средние значения фотосинтетической способности листьев овса в течение вегетации наблюдаются в варианте с внесением инокулята MPC.

Полученные экспериментальные данные показали, что прирост сухой массы овса в вегетационный период происходит по S-образной кривой Сакса, как в контрольных, так и в опытных вариантах - с минимальным приростом в июне и периодом максимального роста в конце июля - начале августа.

15 июня 25 июня

5 июля 15 июня Сроки наблюдения

А августа

Н-2 •■•*••• 3 -■♦•-4

45,00

40.00 -

8 Г 35.00

X ё 30,00 ■

е я 25,00

я G ci 20,00

ч 15,00

£ и 10,00

96

S 5,00

0,00

15 июня 25 июня 5 июля 15 июня 25 июля 4 августа Срока наблюдения

.1 —■—5 • 6 -♦-7 —ж—¡

Примечание (здесь и далее). А - внесение отдельных групп микроорганизмов: 1 -Контроль; 2 - Грибы; 3 -Микроорганизмы, разлагающие силикаты; 4 - Микроорганизмы, использующие минеральные формы азота; Б — внесение смесей микроорганизмов: I — Контроль: 5 - Грибы + микроорганизмы, разлагающие силикаты; 6 -Грибы + микроорганизмы, использующие минеральные формы азота; 7 - Микроорганизмы, разлагающие силикаты + микроорганизмы, использующие минеральные формы азота; 8 - Микроорганизмы, разлагающие силикаты + грибы + микроорганизмы, использующие минеральные формы азота.

Рисунок 1 - Динамика фотосинтетической способности листьев Avena sativa L. в течение вегетации (2009 - 2010 гг.)

Наибольший прирост сухой массы овса (рисунок 2) отмечен 5 июля после первичной инокуляции отвалов MPC (ПП 3), комплексами «MPC + МИМА» (ПП 7) и «MPC + грибы + МИМА» (ПП 8), когда он превышал контроль на 50 - 55 % (Р < 0,001). Вторичная инокуляция отвалов привела к наибольшему увеличению массы овса в тех же вариантах опыта (ПП 7 и 8) - в 2,3 - 2,9 раза относительно контроля.

Сравнительная характеристика результатов опыта показала, что существенно выше прирост сухой массы у овса при инокуляции отвалов комплексами «MPC + МИМА» и «MPC + грибы + МИМА» (ПП 7 и 8), причем отличия более выражены в период максимального роста растений (рисунок 3).

Анализ динамики площади листьев показал, что во всех вариантах опыта максимальные значения отмечены в середине вегетационного периода (15 июля) (рисунок 4).

1

.-■Г'

- » т

25 июня 5 июля 15 июня 25 июля 4 августа Период исследования

25 июня 5 июля 15 нюня 25 июля А августа Период исследования

В конце вегетации площадь листьев снижается за счет их отмирания. Наиболее высокие показатели площади листьев овса в сравнении с контролем выявлены после вторичной инокуляции отвалов MPC (ПП 3) и комплексами «MPC + грибы» (ПП 7) и «MPC + грибы + МИМА» (ПП 8) (выше контроля в среднем на 130 % при Р < 0,001). К концу периода вегетации (5 августа) максимальные значения площади листьев овса отмечены в вариантах 7 и 8 — при инокуляции комплексами «MPC + грибы» и «MPC + грибы + МИМА» - выше контроля на 170 и 128 % соответственно

ь (Р < 0,001).

Рисунок 2 - Динамика накопления сухой массы Avena sativa L. за вегетацию (2009 - 2010 гг.)

Рисунок 3 - Результаты деляночного опыта: рост Avena sativa Ь.при инокуляции отвалов почвенными микроорганизмами

25,00

1 20,00

ж

i 15,00 | 10,00 S 5,00 0,00

„4-,

,< -------

"•i-

.15 июня 25 июня

5 июля 15 нюня Сроки наблюдения

-1 --«--2 3 --<

25 июля 4 августа

5 июля 15 июня Сроки наблюдения

25 июля 4 августа

Рисунок 4 - Динамика площади листьев Avena sativa L. в течение вегетации (2009 - 2010 гг.)

Таким образом, проведенные исследования показали, что большему увеличению площади листьев овса способствовала инокуляция отвалов MPC (ПП 3) и комплексами: «MPC + грибы» (ПП 7), «MPC + грибы + МИМА» (ПП 8).

Инокуляция отвалов почвенным микроорганизмами способствует увеличению основных показателей структуры урожая овса - количества и массы зерен с одного растения, массы 1000 зерен (таблица 3). Так, количество зерен с одного растения превышало контроль в 1,5 - 2,9 ра-

за (Р < 0,001), масса зерен с одного растения - в 2,3 - 5 раз (Р < 0,001), масса 1000 зерен -в 1,7 - 2,2 раза (Р < 0,001). Максимальные показатели структуры урожая овса отмечены при инокуляции отвалов MPC (ПП 3) и комплексом «MPC + грибы + МИМА» (ПП

Глава 6. Оценка накопления азота, фосфора и калия органами растений Avena sativa L.

Анализ накопления основных элементов питания растениями овса показал, что инокуляция отвалов комплексами «MPC + МИМА» (ПП 7) и «MPC + грибы + МИМА» (ПП 8) стимулирует увеличение азота во всех частях растений овса (таблица 4). Содержание азота в корнях выше контроля на 37 и 22 %, в стеблях - на 60 и 38 %, в листьях -на 132 и 137 %, в зерне - на 47 и 20 % (Р < 0,001).

Таблица 3 - Элементы структуры урожая Avena sativa L. (2009 - 2010 гг.)

№ ПП Количество зерен с одного растения Масса зерен с одного растения, г Масса 1000 зерен, г

1 2,09±0,09 0,04±0,005 14,06±0,62

2 3,90±0,30"* 0,12±0,005"* 24,41±0,9Г"

3 5,71±0,43'" 0,20±0,010*" 30,36±0,93'"

4 3,82±0,39"* 0,10±0,005"* 25,38±0,75*"

5 3,21±0,31"' 0,09±0,005"' 26,63±0,13"*

6 3,71±0,08*" 0,09±0,005"* 25,41±0,03"*

7 4,47±0,04*** 0,12±0,010*" 24,53±0,65"'

8 6,03±0,08*" 0,18±0,005"* 27,72±1,60"*

Содержание калия во всех опытных вариантах выше контроля в корнях и, особенно, в стеблях. Максимальное накопление калия в стеблях овса отмечено при инокуляции отвалов комплексами «MPC + МИМА» (ПП 7) и «MPC + грибы + МИМА» (ПП 8) (выше контроля на 239 и 291 %, Р < 0,001).

Инокуляция отвалов комплексом «MPC + грибы + МИМА» (ПП 8) стимулирует максимальное накопление фосфора в надземных органах овса: в стеблях превышает контроль на 107 %, в листьях - на 55 %, в зерне - на 271 % (Р < 0,001). Кроме того, высокое содержание фосфора в зерне отмечено при инокуляции отвалов микроскопическими грибами (выше контроля на 130 %), MPC (выше контроля на 113 %) и МИМА (выше контроля на 202 %).

Таблица 4 - Содержание азота, фосфора и калия в растениях Avena sativa L. _ (в % сухого вещества), 2009 - 2010 гг. _

№ ПП Корни Стебли Листья Зерно

Азот

1 4,04±0,32 2,36±0,44 2,07±0,23 4,06±0,06

2 3,24±0,26 2,86±0,12" 3,31±0,09"* 4,32±0,12**'

3 4,29±0,11** 2,33±0,23 3,98±0,83*** 5,92±0,25***

4 5,06±0,25'" 2,46±0,34 3,04±0,27*" 6,28±0,25***

5 3,82±0,38 3,23±0,28*" 3,28±0,29*** 4,00±0,Ю

6 3,26±0,15 2,21±0,23 2,98±0,12"* 4,09±0,12

7 5,52±0,29"* 3,78±0,63"* 4,81±0,60*" s.gsiO.M'"

8 4,93±0,33*" 3,26±0,21"* 4,91±0,90*** 4,86±0,26"*

Калий

1 0,90±0,08 1,28±0,28 1,42±0,09 0,50±0,03

2 1,62±0,03"* 1,90±0,10"* 1,29±0,03 0,56±0,03"*

3 1,28±0,15*** 2,34±0,67*** 1,91±0,04"* 0,61±0,03"*

4 0,99±0,07" 2,89±1,13"* 1,72±0,03'" 0,61±0,08"

5 1,09±0,03*** 3,40±1,62" 1,47±0,04 0,49±0,06

Продолжение таблицы 4

6 0,93±0,04 3,85±2,17" 1,39±0,05 0,46±0,03

7 1,20±0,03*" 4,34±2,69" 1,98±0,03"* 0,47±0,04

8 1,21 ±0,03'" 5,01±3,03" 1,76±0,03*** 0,46±0,01

Фосфор

1 1,02±0,04 0,57±0,03 0,73±0,03 0,89±0,07

2 0,54±0,09 0,49±0,02 0,50±0,02 2,05±0,2Г"

3 0,92±0,04 0,38±0,03 0,61±0,02 1,90±0,01***

4 0,76±0,06 0,28±0,03 0,61±0,04 2,69±0,16"*

5 0,46±0,03 0,27±0,02 0,49±0,04 0,75±0,20

6 0,50±0,02 0,39±0,02 0,31±0,06 0,57±0,12

7 0,79±0,02 1,40±0,06*" 0,48±0,03 1,04±0,19"

8 0,81±0,06 1,18±0,05"* 1,13±0,01*" 3,30±0,36***

ВЫВОДЫ

1. Инокуляция поверхности отвалов угольного разреза эколого-трофическими группами микроорганизмов (микроорганизмы, использующие минеральный азот; микроорганизмы, разлагающие силикаты; микроскопические грибы) как отдельно, так и при их совместной комбинации приводит к увеличению численности данных групп микроорганизмов в техногенных элювиях. Максимальный эффект отмечен после первичной инокуляции отвалов отдельными эколого-трофическими группами микроорганизмов: в техногенных элювиях возрастает количество микроорганизмов, использующих минеральный азот, на 211 %, микроорганизмов, разлагающих силикаты, - на 171 %, микроскопических грибов — на 56 %.

2. Возрастание количества эколого-трофических групп микроорганизмов в техногенных элювиях отвалов сопровождается увеличением подвижных форм азота, калия и фосфора. Количество нитратного азота максимально увеличивается при инокуляции отвалов микроскопическими грибами как отдельно, так и в комплексе с микроорганизмами, использующими минеральные формы азота - выше контроля на 312 и 269 % соответственно. Инокуляция отвалов микроорганизмами, разлагающими силикаты, и микроорганизмами, использующими минеральные формы азота, как в отдельности, так и в комбинации способствует максимальному увеличению количества обменного калия (превосходит контроль на 58, 46 и 37 %) и подвижного фосфора (выше контроля на 114, 68 и 109 %).

3. Инокуляция отвалов микроорганизмами приводит к увеличению фотосинтетической способности листьев Avena sativa L. во все исследуемые периоды, максимальные отличия от контроля отмечены в начале вегетации. Наибольшие значения фотосинтетической способности листьев овса наблюдаются при инокуляции отвалов микроорганизмами, разлагающими силикаты, и превышают контроль на 21 - 31 %.

4. Выявлена высокая отзывчивость ростовых и продукционных процессов у Avena sativa L. на инокуляцию отвалов исследуемыми смесями микроорганизмов: в сравнении с контролем сухая масса увеличивается в 2,9 раза, площадь листьев - в 1,4 -2,7 раза, количество зерен с одного растения — в 1,5-2,9 раза, масса зерен с одного растения - в 2,3 - 5 раза, масса 1000 зерен - в 1,7 - 2,2 раза. Максимальные значения отмечены при инокуляции отвалов микроорганизмами, разлагающими силикаты и комплексами: «микроорганизмы, разлагающие силикаты + микроорганизмы, использующие минеральный азот», а также комплексом из всех групп микроорганизмов.

5. Внесение инокулятов почвенных микроорганизмов на породные отвалы стимулирует процесс накопления общего азота, фосфора и калия в различных частях Avena sativa L. Инокуляция отвалов микроорганизмами, использующими минеральный азот, вызывает увеличение количества общего азота в корнях и зерне овса, фосфора - в зерне; инокуляция комплексом «микроорганизмы, разлагающие силикаты + микроорганизмы, использующие минеральный азот» стимулирует накопление азота в корнях и зерне, калия - в стеблях и листьях. Внесение комплекса из всех эколого-трофических групп микроорганизмов способствует увеличению фосфора в зерне и калия в стеблях и листьях.

ПРАКТИЧЕСКИЕ ПРЕДЛОЖЕНИЯ

Результаты проведешюй экспериментальной работы позволяют сделать следующие практические рекомендации. В целях ускорения почвообразовательного процесса на породных отвалах угольного разреза «Кедровский» Кемеровской области наиболее целесообразно использовать инокуляты микроорганизмов, разлагающих силикаты, как в отдельности, так и в составе комплексов: «микроорганизмы, разлагающие силикаты + микроорганизмы, использующие минеральный азот», «микроорганизмы, разлагающие силикаты + микроорганизмы, использующие минеральный азот + микроскопические грибы».

СПИСОК ОСНОВНЫХ РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в отечественных изданиях, включенных в Перечень ВАК:

Корниясова (Макеева), Н. А. Динамика подвижных форм N, Р и К в техногенных элювиях угольного разреза «Кедровский» при внесении инокулята почвенных микроорганизмов [Текст] / H.A. Корниясова (Макеева), O.A. Неверова // Вестник ИрГСХА. - 2011. - Вып. 44. - Ч. II. - С 76-82.

Корниясова (Макеева), Н. А. Оценка влияния инокулята почвенных микроорганизмов на некоторые характеристики роста и урожая овса в условиях породного отвала угольного разреза «ОАО Кедровский» [Текст] / H.A. Корниясова (Макеева), O.A. Неверова // Вестник ТГУ. - 2011. - № 351. - С 159-162.

Корниясова (Макеева), Н. А. Листовые параметры овса в условиях инокуляции почвенными микроорганизмами породных отвалов угольного разреза [Текст] / H.A.

Корниясова (Макеева), O.A. Неверова // Известия высших учебных заведений. СевероКавказский регион. Серия: Естественные науки. - 2012. - Х° 3. - С. 71-73.

Корниясова (Макеева), Н. А. Особенности ростовых и продукционных процессов овса при инокуляции техногенных элювиев почвенными микроорганизмами [Электронный ресурс] / H.A. Корниясова (Макеева), O.A. Неверова // Совремешше проблемы науки и образования. - 2013. - № 6. - Режим доступа: http: //URL: www.science-education.ru/l 13-11607, свободный.

Другие публикации:

Корниясова (Макеева), Н. А. Изучение процесса накопления доступных форм калия, фосфора и азота в техногенных элювиях породных отвалов при внесении биомассы микроорганизмов [Текст] / H.A. Корниясова (Макеева), O.A. Неверова // Проблемы промышленной ботаники индустриально развитых регионов: материалы II Международной конференции (24 - 25 ноября 2009 г., г. Кемерово.). - Кемерово: КРЭОО «Ирбис», 2009. - С. 66-69.

Корниясова (Макеева), Н. А. Оценка влияния биомассы микроорганизмов на процессы почвообразования в техногенных элювиях породных отвалов угольных разрезов [Текст] / H.A. Корниясова (Макеева), O.A. Неверова // Урбоэкосистемы: проблемы и перспективы развития: материалы V Международной научно-практической конференции / отв. ред. Н. Н. Никитина. - Ишим: Изд-во ИГПИ им. П. П. Ершова, 2010. - Вып. 5. - С. 279-280.

Корниясова (Макеева), Н. А. Оценка агрохимического и гранулометрического состава техногенных элювиев угольных отвалов при внесении биомассы почвенных микроорганизмов [Текст] / H.A. Корниясова (Макеева), O.A. Неверова // Экология. Риск. Безопасность: материалы Международной научно-практической конференции (20 - 21 октября 2010 г.). - Курган: Изд-во Курганского гос. ун-та, 2010. - Т. 1. - С. 43-44.

Корниясова (Макеева), Н. А. Нетто-ассимиляция растений как показатель эффективности применения почвенных микроорганизмов в ускорении почвообразовательного процесса [Текст] / H.A. Корниясова (Макеева) // Экология Южной Сибири и сопредельных территорий: в 2 т. / отв. ред. В. В. Анюшин. - Абакан: Изд-во ГОУ ВПО «Хакасский государственный университет им. Н. Ф. Катанова», 2010. - Выпуск 14. - Т. II.-С. 14-15.

Корниясова (Макеева), Н. А. Агрохимическая оценка пород угольного отвала при инокуляции почвенными микроорганизмами [Текст] / H.A. Корниясова (Макеева) // Научное творчество молодежи: материалы XV Всероссийской научно-практической конференции (28-29 апреля 2011 г.). - Томск: Изд-во Том. ун-та, 2011. - Ч. 1. — С. 231— 233.

Корниясова (Макеева), Н. А. Влияние внесения биомассы микроорганизмов на ростовые процессы овса посевного в условиях породных отвалов разреза «Кедровский» [Текст] / H.A. Корниясова (Макеева) // I Усовские чтения в Кузбассе: сборник трудов научной молодежи Кемеровского научного центра СО РАН. - Новосибирск, 2010. - С. 67-71.

Корниясова (Макеева), Н. А. Фотосинтетическая способность овса, произрастающего на породных отвалах угольного разреза «Кедровский», при инокуляции почвенными микроорганизмами [Текст] / H.A. Корниясова (Макеева), O.A. Неверова // Ботанические чтения: материалы I Всероссийской научно-практической конференции с международным участием. - Ишим, 2011. — С. 51—52.

Корниясова (Макеева), Н. А. Влияние внесения инокулята почвенных микроорганизмов на динамику производительности листового аппарата у овса, произрастающего на породных отвалах угольного разреза «Кедровский» [Текст] / H.A. Корниясова (Макеева) // Экологические проблемы промышленных городов: материалы к Всероссийской научно-практической конференции с международным участием. - Саратов, 2011.-С. 132-134.

Корпиясова (Макеева), Н. А. Показатели роста овса как тест на почвообразовательный процесс в условиях инокуляции микроорганизмами породного отвала угольного разреза «Кедровский» [Текст] / H.A. Корниясова (Макеева) // Материалы инновационного конвента «Кузбасс: образование, наука, инновации» (24 — 25 ноября 2011 г.). -Кемерово, 2011. - Т. 2. - С. 45-47.

Корниясова (Макеева), Н. А. Интенсивность синтеза ассимилятов овса как показатель почвообразовательных процессов породных отвалов угольного разреза «Кедровский» при инокуляции почвенными микроорганизмами [Текст] / H.A. Корниясова (Макеева), O.A. Неверова // Ботанические чтения: материалы научно-практической конференции / отв. ред. Н. Н. Никитина. - Ишим: Изд-во ИГПИ им. Ершова, 2012. - С. 99-100.

Корниясова (Макеева), Н. А. Структура микробоценозов в элювиях породного отвала при инокуляции почвенными микроорганизмами [Текст] / H.A. Корниясова (Макеева) // Проблемы промышленной ботаники индустриально развитых регионов: Материалы докладов III Международной конференции (18 - 19 сентября 2012 г., Кемерово). - Кемерово: КРЭОО «Ирбис», 2012. - С. 99-101.

Корниясова (Макеева), Н. А. Площадь листьев овса при инокуляции почвенными микроорганизмами в условиях породного отвала [Текст] / H.A. Корниясова (Макеева) // Эколого-ботанические исследования в азиатской части России и сопредельных территориях: материалы Международной научно-практической конференции (17 - 19 мая 2012 года). - Новосибирск: Изд-во НГПУ, 2012. - С. 62-66.

Подписано к печати 12.03.2015 г. Формат бумаги 60x84Vi6 Объем 1 п.л. Тираж 100 экз. Заказ № 54. Редакционно-издательский отдел ФГБУН Институт угля СО РАН 650065, г. Кемерово, пр. Ленинградский, 10