Теоретическое и экспериментальное обоснование использования микробиологических показателей почв для оценки состояния экосистем краснодарского края 03. 00. 07 микробиология



страница1/3
Дата30.04.2016
Размер0.54 Mb.
ТипАвтореферат
  1   2   3


На правах рукописи

назарько
Марина Дмитриевна


теоретическое и экспериментальное обоснование использования микробиологических показателей почв для оценки состояния экосистем краснодарского края

03.00.07 – микробиология


Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
доктора биологических наук

Ставрополь – 2008

Работа выполнена в ГОУ ВПО
«Кубанский государственный технологический университет»,

ГОУ ВПО «Ставропольский государственный университет».



Официальные оппоненты: доктор биологических наук, профессор

Дмитриев Анатолий Федорович;

доктор биологических наук, профессор



Майский Виктор Григорьевич;

доктор сельскохозяйственных наук,

профессор, академик РАСХН

Петрова Людмила Николаевна.
Ведущая организация: ГОУ ВПО «Кубанский

государственный университет».

Защита диссертации состоится ________________________________ 2008 г. в _____ часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.256.09 в Ставропольском государственном университете по адресу: 355009, г. Ставрополь, ул. Пушкина, 1, корп. 2, комн. 506.

С диссертацией можно познакомиться в библиотеке Ставропольского государственного университета.

Автореферат разослан ________________________________ 2008 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Ржепаковский И.В.

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

1.1 Актуальность проблемы. Современный этап развития общества характеризуется интенсивным вмешательством человека в природные процессы, что приводит к нарушению естественного функционирования экосистем. Оценить антропогенное воздействие можно по многим показателям, в том числе и по реакции почвенных микроорганизмов. Это обусловлено их обилием, сложной структурой образуемых сообществ, ролью и значением в почвообразовательных процессах и высокой чувствительностью к различным факторам, как локально действующим экологическим, имеющим место в природе, так и антропогенным.

Изучение изменения равновесного состояния в сообществах почвенных микроорганизмов – актуальная проблема современности. В этом плане важны разработка критериев, по которым можно было бы оценить степень воздействия антропогенных факторов. В этих условиях разрушение микробоценозов можно считать индикатором изменения структуры экосистемы в целом.

Перспективность биодиагностических методов при оценке состояния почвенного покрова показана в работах М.С. Гилярова (1965), Е.Н. Мишустина (1966), Л. Локс Ори (1977), Д.Г. Звягинцева (1992, 1994, 1999), А. Кёллер (1982), Дж. Бернат (1984), В.Г. Добровольского (1985, 1990), Ф.Х. Хазиева (1976, 1982, 2005), Ю.Г. Гельцера (1986), Л.О. Карпачевского (1972, 1987), И.П. Бабьевой (1989), М.В. Горленко (1994), А.В. Головченко (2007) и других.

К сожалению, в настоящее время биологические методы оценки состояния почв используются все еще недостаточно, хотя они незаменимы там, где требуется интегральная оценка состояния экосистемы.

В Краснодарском крае помимо влияния современных технологий интенсивного земледелия – применения минеральных удобрений и пестицидов, существует также проблема нефтяного загрязнения, негативно изменяющего физико-химические и биологические свойства почвы. В связи с этим актуальным является разработка способов, ускоряющих природные процессы микробной деградации углеводородов, а также использование биодеградабельных, экологически безопасных смазочных добавок к буровым растворам.

Актуальность темы подтверждается ее соответствием НТП Минобразования России «Научные исследования высшей школы по технологии живых систем», а также положениям Федерального закона России «Об охране окружающей среды» статьи 70 «Научные исследования в области охраны окружающей среды» (2001 г.) и Краснодарской краевой целевой программы «Об обеспечении плодородия земель сельскохозяйственного назначения на территории Краснодарского края» (2004 г.), среди целей и задач которой разработка показателей оценки негативного воздействия хозяйственной деятельности на окружающую среду и обоснование методов по сохранению и реабилитации природного потенциала России. Часть исследований по теме диссертации выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ) и Департамента сельского хозяйства и перерабатывающей промышленности Краснодарского края (грант № 060496604).



1.2 Цель работы и основные задачи исследования. Целью исследования являлось изучение закономерностей изменения микрофлоры почв экосистем Краснодарского края в условиях интенсивного антропогенного воздействия.

Поставленная цель обусловила необходимость решения следующих задач:

– изучить структуру и функционирование сообществ микроорганизмов пахотных горизонтов и профилей почв Краснодарского края;

– провести сравнительный анализ микрофлоры профилей различных подтипов черноземов агроэкосистем;

– провести классификацию районов Краснодарского края по комплексу микробиологических и агрохимических показателей их почв;

– разработать математическую модель для описания механизмов функционирования почвенных микробных комплексов и прогноза показателей качества выращиваемого зерна;

– сопоставить микробные комплексы почв антропогенных экосистем с таковыми природных биотопов, выявить закономерные изменения в ходе сукцессий и разработать показатели комплексной оценки для диагностики их состояния;

– сравнить биологическую активность чернозема выщелоченного, типичного и обыкновенного в природных и агроэкосистемах с учетом способов возделывания сельскохозяйственных культур и степени окультуренности почв;

– охарактеризовать количественный и качественный состав микробных комплексов почвы и ризосферы в совместных и чистых посевах сои и сорго;

– выяснить роль микробиологического фактора в токсичности окультуренной почвы и предложить рекомендации по ее снижению;

– оценить степень нарушения состава микрофлоры и агрохимических характеристик почвы, подвергающейся ежегодному сжиганию стерневых остатков и сорной растительности;

– экспериментально отобрать экологически безопасные, биодеградабельные добавки к буровым растворам, а также создать комбинированный биосорбент из вторичного растительного сырья и разработать на его основе способ восстановления почв, подвергшихся нефтезагрязнениям.



1.3 Научная концепция. Научная концепция работы заключается в теоретическом и экспериментальном обосновании использования комплекса микробиологических показателей почв для оценки состояния и уровня поврежденности экосистем Краснодарского края.

1.4 Научная новизна. Впервые установлено, что степной, рисовой и горной почвенным зонам Краснодарского края соответствуют характерные комбинации соотношений и численности эколого-трофических и систематических групп микроорганизмов, изменяющиеся под влиянием антропогенных воздействий. Впервые для оценки состояния разных типов экосистем исследованного региона сформирован комплекс наиболее информативных микробиологических и агрохимических показателей почв.

На основании проведенных экспериментальных исследований и их теоретических обобщений сформулировано ключевое положение о возможности направленного восстановления почвы путем модификации ее ферментативной активности, связанной с внесением иммобилизованных на углеродном сорбенте микроорганизмов, дефицитных для конкретной экосистемы, подвергшейся антропогенному воздействию, включая загрязнения почвы нефтью и нефтепродуктами, позволяющее решить важную народнохозяйственную задачу восстановления плодородия почв.



1.5 Практическая ценность работы. Рекомендованы методы диагностики состояния почв по выявленным наиболее информативным микробиологическим и биохимическим показателям, позволившим количественно оценить интенсивность и направленность эколого-биохимических процессов, формирующих химический состав почв агроландшафтных систем Краснодарского края, а также технологическое качество выращиваемого зерна. Численный анализ полученных экспериментальных данных выполнен программой для ЭВМ (Свидетельство об официальной регистрации программы № 2006613141).

Разработаны рекомендации, обеспечивающие в условиях Краснодарского края сбалансированное течение микробиологических процессов в почвах, реализованные в производственной деятельности опытно-семеноводческого хозяйства ОНО ОСХ «Березанское» Краснодарского края.

Рекомендована для применения в бурении на нефть и газ наиболее экологически безопасная смазочная добавка СПРИНТ.

Для ускоренной биоремедиации почв, подвергшихся загрязнению нефтью и нефтепродуктами, разработан комбинированный биосорбент, полевые испытания которого показали его эффективность, предотвращенный экологический ущерб землям сельскохозяйственного назначения составил свыше 110 тысяч рублей на гектар (в ценах 1999 г.). Решением жюри X Международного салона промышленной собственности изобретение «Комбинированный сорбент для сбора и утилизации разливов нефти и нефтепродуктов» награждено золотой медалью и дипломом «Архимед2007», а также дипломом Федеральной службы по Интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам и бронзовой медалью VII Московского международного салона инноваций и инвестиций за разработку «Применение разработанных сорбентов для сбора нефти и нефтепродуктов». На способ получения сорбента и его применение получены положительные решения на выдачу патентов РФ.



Теоретические и прикладные положения диссертации использованы в учебном процессе при разработке образовательных программ по специальностям 280202 – Инженерная защита окружающей среды, 240403 – Химическая технология природных энергоносителей и углеродных материалов, 340100 – Управление качеством, включая учебно-методическое обеспечение дисциплин специализаций «Основы микробиологии и биотехнологии», «Основы биотехнологии» и «Концепции современного естествознания» КубГТУ.

1.6 Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были доложены и обсуждены: на Всесоюзной конференции «Защита древесины и целюлозосодержащих материалов от биоповреждений» (г. Рига, 1989); на Всесоюзной научно-технической конференции «Химия, технология и применение целлюлозы и ее производных» (г. Суздаль, 1990); на IV Всесоюзной конференции «Биоповреждения» (г. Н.Новгород, 1991); на научной конференции «Биоповреждения в промышленности» (г. Пенза, 1993); на Всероссийской конференции «Экологические проблемы биодеградации промышленных, строительных материалов и отходов производств» (г. Пенза, 1998); на VIII Всероссийском Конгрессе «Экология и здоровье человека» по теме: «Актуальные проблемы экологии человека» (г. Самара, 2002); на Всероссийском научно-техническом семинаре: «Экологическая безопасность России от техногенных аварий и катастроф» (г. Пенза, 2004); на Международной научной конференции: «Инновации в науке и образовании 2005» (г. Калининград, 2005); на VI Общероссийской научной конференции «Успехи современного естествознания» (г. Сочи, 2005); на научной конференции Российской академии естествознания с международным участием «Экологический мониторинг» (г. Иркутск, 2005); на Международной научно-практической конференции «Наука и инновации 2005» (г. Днепропетровск, 2005); на II Международной научно-практической конференции «Научный потенциал мира 2005» (г. Днепропетровск, 2005); на научной конференции с международным участием: «Современные наукоемкие технологии» (Канарские острова, о. Тенерифе, 2005); на VIII Международной научно-практической конференции «Экология и жизнь» (г. Пенза, 2005); на Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Инновационные технологии в создании продуктов питания нового поколения» (г. Краснодар, 2005); на IV Международной конференции «Мониторинг окружающей среды» (Италия, Римини, 2006); на международной научно-практической конференции «Перспективные нано и биотехнологии в производстве продуктов функционального назначения» (г. Краснодар, 2007).

1.7 Публикации результатов работы. По материалам диссертации опубликованы 47 научных работ, в том числе 2 монографии. Получены 1 свидетельство о регистрации программы для ЭВМ и 2 положительных решения на выдачу патентов РФ.

1.8 Структура и объем работы. Диссертационная работа включает: введение, аналитический обзор, материалы и методы исследований, результаты исследований и их обсуждение, заключение и практические рекомендации, выводы, библиографический список и приложения. Основной текст диссертации изложен на 323 страницах компьютерного текста, содержит 109 таблиц (включая приложения) и 20 рисунков. Список литературы включает 445 наименований, в том числе 38 – иностранных авторов.

2. Основное содержание работы

2.1 Введение. Даны представления о возможности использования информации об изменениях в комплексе почвенных микроорганизмов, как неотъемлемой части биогеоценозов, для диагностики состояния экосистем, подвергшихся антропогенному воздействию, обоснована актуальность темы, сформулирована цель работы, задачи и ее научная концепция.

2.2 Аналитический обзор литературы. Приведен анализ современного состояния изученности эколого-агрохимических характеристик и микрофлоры почв, обобщены представления о почвах природных и окультуренных экосистем. Выполнен критический обзор методов системно-экологического анализа микробиологической и биохимической активности почв для диагностики и определения их устойчивости к антропогенным воздействиям.

2.3 Методическая часть. Объектом исследований являлась микрофлора почв природных и агроэкосистем Краснодарского края.

Комплексные мониторинговые исследования вели на стационарном полевом полигоне Ленинградского района Краснодарского края общей площадью 450 га. Пробы почвы отбирали методом линейной трансекты с размещением точек на расстоянии 500 м друг от друга и размещением трансект в продольном и поперечном направлениях к розе ветров по профилю из верхнего почвенного горизонта с глубины 0-20 см, в отдельных точках – по почвенному разрезу послойно через каждые 20 см до глубины 200 см.

Взаимоотношения между сельскохозяйственными культурами в совместном и чистом посевах сои и сорго и микробным комплексом почвы изучали на полях ОНО ОСХ «Березанское» Кореновского района Краснодарского края. Наблюдения в полевых опытах проводили по методикам ВНИИМКа (1993). Отбор проб вели в соответствии с требованиями ГОСТа 17.44.0284.

Численность почвенных микроорганизмов определяли прямым микроскопическим методом и посевом из разведений почвенной суспензии на плотные и жидкие питательные среды; активность почвенных ферментов фосфатазы, дегидрогеназ, инвертазы, уреазы, каталазы и протеаз, а также дыхание, токсичность, аммонифицирующую, нитрифицирующую, целюлозоразрушающую способность и содержание свободных аминокислот определяли общепринятыми методами для почв (Звягинцев Д.Г., 1980; Сэги Й., 1983; Теппер Е.З., Шильникова В.К., Переверзева Г.И., 1987; Методы общей бактериологии, 1988; Андреюк Е.И., Иутинская Г.А., Дульгеров А.Н., 1988; Бабьева И.П., Зенова Г.М., 1989; Хазиев Ф.Х., 1990; Методы почвенной микробиологии и биохимии, 1991).

Микробные сообщества характеризовали с использованием коэффициентов сукцессии (Звягинцев, 1987), минерализации, олиготрофности и педотрофности (Андреюк Е.И., Иутинская Г.А., Дульгеров А.Н., 1988; Енкина О.В., Коробский Н.Ф., 1999), показателя пространственной встречаемости видов (Мирчинк Т.Г., 1988), частоты встречаемости микроорганизмов (Миркин Б.М., Розенберг Г.С., 1983), сходству различных групп микроорганизмов с помощью коэффициента Джакарта (Одум О., 1975).

Содержание общего, аммиачного и нитратного азота, гумуса, рН водной вытяжки почвенного раствора определяли общепринятыми для почв методами (Минеев В.Г., Дурынина Е.П., Гомонова Н.Ф., 1989; Минеев В.Г., Ремпе Е.Х., 1990), содержание тяжелых металлов − методом атомно-адсорбционной спектроскопии, содержание пестицидов – хроматографическим методом.

Концентрацию смазочных добавок нефти, СМАД-1 и СПРИНТа в почве до и после их деградации определяли на хроматографе Хром-5 .

Анализ достоверности данных вели стандартными биометрическими методами (Доспехов Б.А., 1979; Лакин Г.Ф., 1990), а также методами многомерного статистического анализа, включая дисперсионный, кластерный и дискриминантный (Клекка У.Р., 1989; Олдендерфер М.С., Блэшфилд С.К., 1989; Тюрин В.В., Морев И.А., Волчков Ю.А., 2002). Все вычисления выполнены с использованием программ STATISTICA и STATGRAPHICS.

Исследовано около 4000 почвенных проб, изучено 8 эколого-трофических групп микроорганизмов, идентифицировано более 30 родов микроорганизмов.
3. Основные результаты исследований

3.1 Микрофлора почв и ее распределение в экосистемах степной, рисовой и горной зонах Краснодарского края. Установлено, что определенной почвенной зоне соответствуют характерные комбинации соотношений и численности специфических групп микроорганизмов, окультуривание почвы приводит к изменению в их составе доминирующих форм (таблица 1).

Таблица 1.



Количественный и качественный состав микробоценозов и агрохимические показатели пахотных горизонтов почв степной, рисовой и горной зон
Краснодарского края

Микробиологические
и агрохимические показатели

Зона

степная

рисовая

предгорная и горная

Коэффициент сукцессии

2008000

8009000

3009300

Коэффициент минерализации

0,22,5

1,74,6

0,53,1

Аммонифицирующие микроорганизмы, млн клеток/г АСП*

280

584

368

Аминоавтотрофные микроорганизмы, млн клеток/г АСП

1116

20100

1100

Гумусоразлагающие микроорганизмы, млн клеток/г АСП

0,21,7

0,22,8

0,11,8

Азотфиксирующие, %

1098

480

1094

Целлюлозоразлагающие, %

6098

6298

5098

Актиномицеты, тыс. клеток/г АСП

205000

109000

14000

Дрожжи, тыс. КОЕ/г АСП

0200

020

050

Микромицеты, тыс. КОЕ/г АСП

1800

0500

0600

Гумус, %

3,14

2,85

3,03

Валовый азот, %

0,27

0,23

0,24

Запасы гумуса, %

83,74

70,19

76,96

Примечание. *АСП – абсолютно-сухая почва

На основании микробиологических исследований особо выделяются почвы рисовой зоны низким содержанием гумуса и валового азота в сочетании с высоким количеством гумусоразлагающих микроорганизмов по отношению к другим функциональным группам.

Проведенный однофакторный дисперсионный анализ с фактором «зональность» показал, что для подавляющего большинства микробиологических признаков наблюдаются достоверные различия между исследуемыми зонами, доля факторной в общей изменчивости показателей достаточно высока. Она варьировала в случаях достоверных эффектов от 20,4% для коэффициента сукцессии и до 81,9% для гумусоразлагающих микроорганизмов.

Последующий дискриминантный анализ показал, что сравниваемые экосистемы различаются статистически достоверно. О различии свидетельствует распределение точек отдельных проб в пространстве двух дискриминантных функций, представленное на рисунке 1, где четко разделяются три «облака» точек, соответствующие экосистемам разных почвенных зон, при этом областей перекрывания зон нет.
Рис. 1. Распределение проб микрофлоры почв из трех зон* Краснодарского края в пространстве первой и второй дискриминантных функций.

* G_1:1 степная зона, G_2:2 – рисовая зона, G_3:3 – горная зона.


Проверка «значимости» исследованных признаков в рамках дискриминантного анализа приведена ниже (таблица 2).

Как следует из таблицы 2, из семи учтенных признаков только шесть оказались информативными: численность гумусоразлагающих, азотфиксирующих, аммонифицирующих, аминоавтотрофных микроорганизмов и коэффициенты сукцессии и минерализации.

Таблица 2.

Результаты оценки роли показателей микрофлоры почв в разделении


степной, рисовой и горной экосистем

Микробиологические
показатели

Критерий лямбда

F-включения

Вероятность нольгипотезы о значимости признака

Гумусоразлагающие

0,035

8,42*

0,00

Азотфиксирующие

0,045

15,08*

0,00

Коэффициент сукцессии

0,038

9,99*

0,00

Аммонифицирующие

0,037

6,75*

0,01

Коэффициент минерализации

0,036

7,26*

0,00

Аминоавтотрофные

0,034

5,29*

0,01

Целлюлозоразлагающие

0,021

2,46

0,11

Примечание. Знак * справа от значения F-включения указывает на достоверность различий средних

Для окончательного решения вопроса о достоверности выявленных различий экосистем исследованных почвенных зон были вычислены расстояния Махаланобиса между центрами сравниваемых групп (таблица 3).

Таблица 3.

Расстояния Махаланобиса (усл. ед.) между зонами



Зона

Степная

Рисовая

Предгорная и
горная

Степная




30,18

37,31

Рисовая

0,00




70,32

Горная

0,00

0,00



Как следует из значений, все три зоны различаются статистически достоверно. Наибольшими отличиями обладает рисовая от горной зоны (70 усл. ед против 30 и 37 усл. ед., полученных при сравнении степной и рисовой зоны и степной и горной зонами соответственно).

Исследования показали, что почвы степной, рисовой и горной зон различаются также качественным составом представителей доминирующих микроорганизмов.

Наиболее разнообразный качественный состав доминирующей микрофлоры обнаружен в степной зоне и представлен следующими родами Agrobacterium, Azospirillum, Cellvibrio, Pseudomonas, Cytophaga, Nitrobacter, Flavobacterium, Xanthomonas, Bacillus, Clostridium, Micrococcus, Cellulomonas, Corynebacterium, Agromyces, Rhodococcus, Nocardia, Oerskovia, Nocardiopsis, Acthinopolyspora, Streptomyces, Streptoverticillium, Lipomyces, Candida, Oidiodendron, Eupenicillium, Verticillium, Penicillium, Alternaria, Monacrosporium, Aspergillus, Talaromyces, Trichotecium.

В горной зоне обнаружены представители родов: Bacillus, Clostridium, Micrococcus, Cellulomonas, Corynebacterium, Arthrobacter, Agromyces, Rhodococcus, Nocardia, Oerskovia, Nocardiopsis, Nadsonia, Acthinopolyspora, Streptomyces, Streptoverticillium, Lipomyces, Filobasidiella, Oidiodendron, Eupenicillium, Verticillium, Alternaria, Monacrosporium, Penicillium, Aspergillus, Talaromyces, Trichoderma, Trichotecium.

Менее разнообразен доминирующий состав микрофлоры рисовой зоны, где обнаружены в основном представители родов Cellvibrio, Миксобактерии, Pseudomonas, Nitrobacter, Bacillus, Clostridium, Micrococcus, Lipomyces, Filobasidiella, Oidiodendron, Verticillium, Monacrosporium, Aspergillus.

При анализе вертикально-ярусного распределения микроорганизмов в окультуренных почвенных профилях степной, рисовой и горной зон Краснодарского края установлена смена таксономического состава микробных сообществ при переходе от пахотного слоя к глубинным почвенным ярусам. Методом однофакторного дисперсионного анализа обнаружены различия микрофлоры между горизонтами почв по пяти показателям из семи учтенных: коэффициентам сукцессии и минерализации, численности аммонифицирующих, аминоавтотрофных и целлюлозоразрушающих микроорганизмов. Доля различий между горизонтами для показателей с установленным эффектом фактора была высока и варьировала от 33,2% для коэффициента минерализации до 82,8% для целлюлозоразрушающих микроорганизмов.

Разрезание иерархического кластерного дендрита по уровню сходства в 35 усл. ед. привело к разделению почвенных горизонтов экосистем на три кластера (рисунок 2).



Рис. 2. Кластеризация горизонтов окультуренных почв степной, рисовой
и горной экосистем Краснодарского края по комплексу
микробиологических показателей.
В первый из них (нумерация на рисунке 2 слева направо) вошли два нижних горизонта (180-200 и 160–180 см), где выявлялись наименьшие различия признаков. Во второй самый многочисленный кластер вошло пять средних горизонтов с 140-160 см по 60-80 см, и третий кластер образовали три верхние горизонта.

Вертикально-ярусный анализ микрофлоры позволил выявить ряд закономерностей в пространственной организации и экологических функциях микробных комплексов.

Оценку сходства и различия микрофлоры профилей разных типов почв Краснодарского края вели с использованием также кластерного анализа (рисунок 3).

Рис. 3. Кластеризация горизонтов разных типов* почв по комплексу
микробиологических показателей.

*Степная зона: 1 – чернозем типичный сверхмощный малогумусный агроценоза; 2 чернозем типичный сверхмощный слабогумусный агроценоза; 3, 4 – чернозем выщелоченный сверхмощный малогумусный агроценоза; 5 – чернозем обыкновенный сверхмощный малогумусный агроценоза; рисовая зона: 6 – рисовый аллювиальный луговой насыщенный среднемощный малогумусный агроценоза; 7 рисовый аллювиальный луговой насыщенный среднемощный малогумусный луга; 8, 9 рисовый аллювиальный луговой насыщенный среднемощный малогумусный рисового чека; горная зона: 10 – луговой аллювиальный насыщенный среднемощный слабогумусный агроценоза.
Разрезание кластерного иерархического дендрита по уровню сходства (евклидову расстоянию) 50 усл. ед. привело к выделению пяти кластеров. В первый и второй кластеры (нумерация на рисунке 3 слева направо) попало по одному типу почв: луговой аллювиальный насыщенный среднемощный слабогумусный горной зоны и чернозем обыкновенный сверхмощный малогумусный степной зоны. В третий кластер попали типы почв чернозема выщелоченного сверхмощного малогумусного степной зоны, в четвертый - рисовый аллювиальный луговой насыщенный среднемощный малогумусный рисовых чеков и луга рисовой зоны, в пятый - чернозем типичный сверхмощный малогумусный и слабогумусный агроценозов степной зоны.

Характер межкластерных различий оценивали путем сравнения средних значений микробиологических показателей (таблица 4).

Как следует из таблицы 4, первый кластер характеризуется максимальными значениями коэффициентов сукцессии и относительной плотности азотфиксирующей микрофлоры и минимальной численностью гумусоразлагающих, аминоавтотрофных и общим количеством микроорганизмов. Почвы кластера два отличаются максимальным общим количеством и численностью гумусоразлагающих микроорганизмов и минимальными значениями коэффициента минерализации, относительной плотности азотфиксирующей и целлюлозоразлагающей микрофлоры. В кластерах третьем и пятом значения показателей близки к средним. Четвертый кластер имеет максимум по значениям коэффициента минерализации и численности аммонифицирующих, аминоавтотрофных и целлюлозоразлагающих микроорганизмов.

Таблица 4.

Средние значения микробиологических показателей
для разных кластеров типов почв

Кластер

Общее количество микроорганизмов, млрд клеток/г АСП

Коэффициент сукцессии

Коэффи-циент минерализации

Аммонифицирующие, млн клеток/г АСП

Амино-автотрофные, млн клеток/г

Азотфиксирующие, %

Целюлозоразлагающие, %

Гумусоразлагающие, тыс. клеток/г АСП

1

90,83

22 156,67

3,68

17,83

25,33

89,67

54,33

235,83

2

266,10

9 793,97

1,27

38,30

49,80

2,60

50,80

6 827,00

3

101,30

5 395,16

2,33

5,91

87,72

20,59

53,36

4 251,61

4

197,33

12 078,31

4,21

92,09

182,46

54,39

97,24

5 419,36

5

160,10

4 954,79

3,55

83,05

171,50

11,20

52,50

3 843,00

Как следует из таблицы 4, первый кластер характеризуется максимальными значениями коэффициентов сукцессии и относительной плотности азотфиксирующей микрофлоры, и минимальной численностью гумусоразлагающих, аминоавтотрофных и общим количеством микроорганизмов. Почвы кластера два отличаются максимальным общим количеством и численностью гумусоразлагающих микроорганизмов и минимальными значениями коэффициента минерализации, относительной плотности азотфиксирующей и целлюлозоразлагающей микрофлоры. В кластерах третьем и пятом значения показателей близки к средним. Четвертый кластер имеет максимум по значениям коэффициента минерализации и численности аммонифицирующих, аминоавтотрофных и целлюлозоразлагающих микроорганизмов.

В ходе дальнейших исследований на основании сравнения экосистем северных районов Краснодарского края (степной и рисовой зон) по комплексу из четырнадцати микробиологических и эколого-агрохимических показателей почв с использованием кластерного анализа было выделено четыре кластера районов. В первый из них (нумерация на рисунке 4 слева направо) вошли три района: Славянский (20), Красноармейский (19) и Приморско-Ахтарский (9). Второй кластер образовали пять районов: Кореновский (14), Белоглинский (17), Усть-Лабинский (7), Динской (6) и Новопокровский (5). В третий кластер вошли два района: Калининский (12) и Староминской (3). Остальные исследованные районы края образовали самый многочисленный четвертый кластер. Там оказались: Кущевский (4), Брюховецкий (11), Тбилисский (8), Щербиновский (2), Выселковский (15), Ленинградский (10), Кавказский (18), Тимашевский (13), Тихорецкий (16) и Ейский (1) районы (рисунок 4).

Рис. 4. Кластеризация пахотных горизонтов почв северных районов


Краснодарского края по комплексу микробиологических
и агрохимических показателей.
Доказательство существования межкластерных различий было выполнено с использованием дискриминантного анализа. На рисунке 5 «облака точек» районов из разных кластеров четко отделены друг от друга и не образуют областей перекрывания.

Наиболее информативными показателями, играющими наибольшую роль в межкластерных различиях, являются численность гумусоразлагающих микроорганизмов и микромицетов. В районах рисовой зоны использование минеральных удобрений сопряжено с ускоренным разложением гумуса и усилением развития автохтонной, в том числе гумусоразлагающей микрофлоры. Поэтому при оценке состояния почв рисовой и степной зон края определяющими являются показатели численности гумусоразлагающих микроорганизмов и микромицетов.

В северных районах Краснодарского края в результате антропогенных воздействий – интенсивных технологий земледелия установлено изменение состава почвенных микромицетов.

В черноземах различных подтипов обнаружены представители родов: Mucor, Penicillium, Aspergillus, Alternaria, Verticillium, Fusarium, Cladosporium, Moniliella, среди которых микромицеты с выраженными фитопатогенными свойствами. В основном здесь доминируют беспигментные формы над темноокрашенными, принимающими участие в образовании гумуса. По-видимому, это обусловлено конкуренцией, которую не выдерживают пигментированные формы. Преобладание беспигментных форм над темноокрашенными в агроландшафтах привело к снижению содержания гумуса.



Рис. 5. Распределение четырех кластеров северных районов Краснодарского края по комплексу микробиологических и агрохимических показателей в пространстве первой и второй дискриминантных функций.
Межкластерные различия для северных районов края установлены по шести агроэкономическим показателям из десяти учтенных. Дискриминантный анализ распределения по агроэкономическим показателям групп районов свидетельствует, что здесь кластеры образуют незначительные области перекрывания (рисунок 6).

Рис. 6. Распределение четырех кластеров районов по комплексу микробиологических и агроэкономических показателей в пространстве первой и второй дискриминантных функций.
Полученные экспериментальные данные позволяют заключить, что выявленные различия районов по комплексу микробиологических и агрохимических показателей подтверждаются агроэкономическими показателями сравниваемых районов.

Оценка зависимости показателей, характеризующих технологическое качество зерна пшеницы, выращенной в Ленинградском районе (2000 г.), от микробиологических и агрохимических характеристик почвы, была выполнена на основе построения прогностических уравнений, позволяющих получать прогноз значения того или иного показателя. Для этой цели была использована модель множественной регрессии, где в качестве зависимой переменной поочередно выступали содержание белка, зольность и клейковина зерна пшеницы, а в качестве независимых переменных – агрохимические или микробиологические характеристики почвы.

Уравнение множественной регрессии, описывающей зависимость содержания белка в зерне пшеницы от агрохимических характеристик почвы, имеет следующий вид:

Б = – 383,7 · N + 0,17 · Р + 78,96,

где Б – содержание белка в зерне пшеницы, %; N – содержание общего азота, %; Р – содержание Р2О5,, мг/100 г почвы.

Качество прогноза, отраженное в значении коэффициента множественной детерминации, составляет 96,1 %.

Уравнение множественной регрессии, описывающей зависимость содержания белка в зерне пшеницы от микробиологических характеристик почвы, имеет вид:

Б = – 4,607 · Ом – 0,087 · Аф + 0,119 · Аа + 4,466 · Г – 0,805 · Аз + 47,690,

где Б – содержание белка в зерне, %; Ом – общее количество микроорганизмов в почве, клеток/г АСП; Аф – численность аммонифицирующих микроорганизмов, клеток/г АСП; Аа – численность аминоавтотрофных микроорганизмов, клеток/г АСП; Г – численность гумусоразлагающих микроорганизмов, клеток/г АСП; Аз – относительная плотность азотфиксирующей микрофлоры, %.

Коэффициент множественной детерминации, характеризующий качество прогноза, составляет 99,7%. Аналогичные по структуре уравнения были получены для определения зольности и клейковины зерна пшеницы. На основании уравнений регрессии, оперируя микробиологическими и агрохимическими показателями почв, можно прогнозировать качество зерна.

Выполненная в ходе исследования комплексная экологическая оценка состояния окультуренных почв разных типов степной, рисовой и горной зон Краснодарского края: полей пшеницы, подсолнечника и бобовых методом однофакторного дисперсионного анализа установила различия только для трех признаков из тринадцати, принятых к учету микробиологических и агрохимических показателей: количество актиномицетов, содержание и запасы гумуса.

Аналогичные анализы, выполненные с фактором «природная экосистема» для лесополос и трех природных экосистем: прибрежная зона, луг и балка, выявили различия уже по семи показателям: численности аммонифицирующих, аминоавтотрофных, гумусоразлагающих, азотфиксирующих, целлюлозоразлагающих, стрептомицетов и коэффициенту минерализации.

Проведение дисперсионного анализа для всех исследованных экосистем одновременно позволило обнаружить комплекс информативных признаков, куда вошли шесть показателей: содержание гумуса, запасы гумуса, общий азот, численность аммонифицирующих, аминоавтотрофных и азотфиксирующих микроорганизмов. Оказалось, что информативный комплекс образовали те характеристики, по которым различались агроценозы, с одной стороны, и природные экосистемы и лесополосы, с другой.

Анализ распределения центров экосистем, представленных на рисунке 7, показывает специфическую группировку агроценозов, лесополос и природных экосистем.



0,71

0,83

0,60

1,09

1,11

1,19

Рис. 7. Распределение центров агроценозов, лесополос и природных


экосистем степной, рисовой и горной зон в пространстве
дискриминантных функций.
Как следует из полученных данных, по значению первой, наиболее информативной дискриминантной функции, агроценозы располагаются в области отрицательных, а лесополосы и природные экосистемы в области положительных чисел, т.е. по средним значениям признаков и системе их связей агроценозы и природные экосистемы существенно различаются.

Отдельно от остальных групп располагается луговая природная экосистема. Поскольку степень антропогенного и природного воздействия здесь минимальна, данная экосистема была выбрана в качестве эталона, и по степени удаления от нее оценивали степень нарушений микробиологических и агрохимических показателей почв в остальных группах.

Количественно сходство или различие между центрами групп оценивали по расстояниям Махаланобиса (таблица 5).

Таблица 5.



Расстояния Махаланобиса (усл. ед.) между центрами агроценозов,
лесополос и природных экосистем

Система

1*

2*

3*

4*

5*

6*

7*

1* Поле пшеницы




2,24

0,62

2,12

1,53

1,19

1,92

2* Поле подсолнечника

0,00




0,67

2,32

1,53

1,11

1,93

3* Поле бобовых

0,00

0,00




0,76

0,27

0,71

0,51

4* Лесополоса

0,00

0,00

0,00




0,22

0,83

0,50

5* Прибрежная зона

0,00

0,00

0,22

0,38




0,60

0,22

6* Луг

0,00

0,00

0,01

0,01

0,03




1,09

7* Балка

0,00

0,00

0,13

0,15

0,65

0,01




Примечание. Знак * - указывает на идентичность названия ячейки таблицы.

Расстояния всех групп до луговой экосистемы оказались статистически достоверными. Наиболее удаленными из агроценозов были поле подсолнечника и поле пшеницы, из природных экосистем – балка. Очевидно, техногенизация агроценозов, особенно полей пшеницы и подсолнечника, существенно усиливает накопление загрязнителей в ее блоках, особенно в почве и тем самым влияет на состав и функционирование микробных сообществ. Балки задерживают переносимые с воздушной пылью и атмосферными осадками с поверхности полей почвенные частицы и различные загрязнители – пестициды, тяжелые металлы и другие, и их почвенный покров приобретает черты сходства почв полей севооборота.

Относительно ближе к лугу оказались экосистемы: лесополоса, прибрежная зона и поле бобовых. Это подтверждает известное положение, что выращивание бобовых культур на полях севооборота улучшает агрохимические свойства почвы и обеспечивает необходимое микробное разнообразие и устойчивость агроценоза.



Поделитесь с Вашими друзьями:
  1   2   3


База данных защищена авторским правом ©ekollog.ru 2017
обратиться к администрации

войти | регистрация
    Главная страница


загрузить материал