doi: 10.15389/agrobiology.2024.5.943rus
УДК 631.46
Работа выполнена с использованием оборудования Центра коллективного пользования ФИЦ Карельский научный центр Российской академии наук в рамках госзадания № FMEN-2022-0012.
ДИНАМИКА ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ АКТИВНОСТИ МИКРОБНЫХ СООБЩЕСТВ БОРЕАЛЬНЫХ ПОЧВ ПОД ВЛИЯНИЕМ БИОУГЛЯ
И.А. ДУБРОВИНА1 ✉, Е.В. МОШКИНА2
Биоуголь представляет собой продукт пиролиза различных органических материалов с высоким содержанием углерода. За счет ароматической структуры, высокой пористости и емкости катионного обмена биоуголь оказывает значительное влияние на физические, химические и биологические свойства почв. Применениебиоугля в сельском хозяйстве рассматривается как возможность безопасной утилизации отходов и восстановления качества почв, а также углеродной секвестрации. Изменение структуры, численности и экофизиологического статуса почвенных микроорганизмов остается одним из малоизученных последствий использования биоугля. В настоящей работе впервые установили, что биоуголь действует разнонаправленно на функционирование микробных сообществ бореальных почв. Целью работы было изучение влияния древесного биоугля на базальное дыхание, содержание углерода микробной биомассы и микробиологические коэффициенты бореальных почв различного гранулометрического состава. Исследования проводили в среднетаежной подзоне Карелии. Площадки были заложены в 2018 и 2019 годах на участках пашни с разными по гранулометрическому составу почвами и нормальным увлажнением. Почва легкого гранулометрического состава была представлена агроземом альфегумусовым иллювиально-железистым супесчаным на озерных песках (АА) (Лаборатория агротехнологий «Вилга» КарНЦ РАН, п. Виданы, Пряжинский р-н, Карелия, 61°52'22,8'' N, 34°0'3,6'' E), почва тяжелого гранулометрического состава — агроземом текстурно-дифференцированным типичным среднесуглинистым на морене суглинистой (АТ) (Агробиологическая станция КарНЦ РАН, г. Петрозаводск, 61°45'3,6'' N, 34°21'12,4'' E). Участки с внесением биоугля и контрольные делянки были заложены рандомизированно в 4-кратной повторности, площадь делянок составляла 5 м2. Использовали уголь древесный (ГОСТ 7657-84), марка А (Россия) в дозе 1,5 кг/м2 (15 т/га), размер фракции ≤ 1 см. Уголь вносили 1-кратно и перекапывали вручную на глубину 20-25 см, дополнительные удобрения не применяли. В первый год исследования на участках выращивали картофель, во второй год — сидераты. Отбор почвенных проб проводили ежемесячно в течение вегетационных периодов 2018-2019 годов для участков с АА и 2019-2020 годов для участков с АТ. С каждого участка отбирали почву с глубины пахотного горизонта 5-20 см методом «конверта» и анализировали смешанный образец в 4-кратной повторности. Содержание общего органического углерода (Сорг.) определяли методом высокотемпературного каталитического сжигания на анализаторе ТОС-L CPN («Shimadzu», Япония). Скорость базального (микробного) дыхания (БД) измеряли в нативной почве, которую инкубировали 24 ч при 22 °С.Содержание углерода микробной биомассы (Cмик.) определяли методом субстрат-индуцированного дыхания, которое оценивали по скорости начального максимального дыхания микроорганизмов после обогащения почвы глюкозой (инкубация в течение 1,5-2 ч при 22 °С). Изменение концентрации СО2 регистрировали газоанализатором NDIR-сенсор («SenseAir», Швеция). Определяли параметры экофизиологического статуса микробного сообщества: долю углерода микробной биомассы в общем органическом углероде почвы Смик./Сорг., микробный метаболический коэффициент qCO2, коэффициент микробного дыхания QR. Полевой мониторинг экофизиологических параметров микробных сообществ в почвах разного гранулометрического состава при внесении биоугля выявил многофакторные и нелинейные воздействия условий среды на динамику изученных показателей. Базальное дыхание меньше зависело от погодных условий по сравнению с углеродом микробной биомассы и связанных с ним коэффициентов, на величину которых, по-видимому, также влияло поступление органических остатков. АА изначально имеет более низкую микробную биомассу и менее зрелое микробное сообщество с меньшей устойчивостью и низким качеством органического вещества по сравнению с АТ. Внесение биоугля оказывало разнонаправленное влияние на эти почвы. Несмотря на стабильное и достоверное (р ≤ 0,05) повышение содержания общего органического углерода в обеих почвах до 20 %, показатели БД и Смик. при внесении биоугля в АТ имели тенденцию к снижению, также достоверно (р ≤ 0,05) снижалась доля Смик. в составе Сорг., что указывало на недостаток доступного для микроорганизмов субстрата. При этом показатели qCO2 и QR снижались незначительно и недостоверно. В АА происходило увеличение БД (недостоверное) и Смик. (р ≤ 0,05 для некоторых дат), что, по-видимому, свидетельствовало о всплеске активности K-стратегов при минерализации труднодоступных соединений биоугля. Добавление биоугля не влияло на Смик. в Сорг. почвы в АА. При этом происходило уменьшение qCO2 и QR, то есть для микроорганизмов складывались более благоприятные условия среды. В целом, добавление биоугля увеличивало адаптивный потенциал микробного сообщества супесчаной почвы.
Ключевые слова: биоуголь, базальное дыхание, углерод микробной биомассы, органический углерод почвы, микробный метаболический коэффициент, коэффициент микробного дыхания.
IMPACT OF BIOCHAR ON FUNCTIONAL ACTIVITY DYNAMICS OF MICROBIAL COMMUNITIES IN BOREAL SOILS
I.A. Dubrovina1 ✉, E.V. Moshkina2
Biochar is the product of the pyrolysis of various organic materials with high carbon contents. Owing to its aromatic structure, high porosity, and cation exchange capacity, biochar has a significant impact on the physical, chemical, and biological properties of soils. The use of biochar in agriculture provides an opportunity for safe waste disposal, soil quality, and carbon sequestration. One of the few studied consequences of biochar application is the change in the structure, abundance, and ecophysiological status of soil microorganisms. In this study, we established for the first time that biochar has a multidirectional effect on the functioning of boreal soil microbial communities. The purpose of this study was to study the effects of wood biochar on basal respiration, microbial biomass carbon, and the microbiological quotients of boreal soils of various textures. The studies were conducted in the middle taiga subzone of Karelia. The sites were laid out in 2018 and 2019 on arable land plots with soils of different textures and normal moisture. The coarse soil texture was represented by the loamy sand Umbric Podzol on lake sands (UP) (Laboratory of Agrotechnology Vilga, Karelian Research Center RAS, Vidany settlement, Pryazhinsky District, Karelia, 61°52'22.8'' N, 34°0'36'' E). The fine soil texture was represented by the clay loam Umbric Retisol on loamy moraine (UR) (Agrobiological Station, Karelian Research Center RAS, Petrozavodsk, 61°45'3.6'' N, 34°21'12.4'' E). Plots of biochar and control sites with areas of 5 m2 were laid out randomly in four replicates. Birch biochar (GOST 7657-84), grade A (Russia) at a dose of 1.5 kg/m2 (15 t/ha) with a fraction size £ 1 cm was used in the study. Biochar was applied once and dug manually to a depth of 20-25 cm. No additional fertilizers were used. Potatoes were grown in the first year, and green manure was grown in the second year. Soil samples were collected monthly during the vegetation periods of 2018-2019 for plots with UP and 2019-2020 for plots with UR. Soil was collected from a depth of 5-20 cm in the arable horizon using the “envelope” method from each plot, and the mixed samples were analyzed in four replicates. The content of organic carbon (Corg.) by high-temperature catalytic combustion in a TOC-L CPN (“Shimadzu”, Japan) analyzer was determined. The rate of basal (microbial) respiration (BR) was measured in native soil incubated for 24 h at 22 °C. The content of microbial biomass carbon (Cmic.) was determined using the substrate-induced respiration method and was estimated using the rate of initial maximum respiration of microorganisms after enrichment of the soil with glucose (incubation for 1.5-2 h at 22 °C). Changes in CO2 concentration was recorded with a NDIR gas analyzer (SenseAir, Sweden). The parameters of the ecophysiological status of the microbial community were determined: the share of microbial biomass carbon in soil organic carbon Cmic./Corg., the metabolic quotient qCO2, and microbial respiration quotient QR. A study of the functional activity of microbial communities revealed the multifactorial and nonlinear effects of environmental conditions on the dynamics of the studied indicators at two-year monitoring sites in soils of different textures. Basal respiration was less dependent on weather conditions than microbial biomass carbon and related quotients, the magnitude of which was also influenced by organic residue supply. UP had lower microbial biomass, a less mature microbial community, lower stability, and lower organic matter quality than UR. The application of biochar has different effects on these soils. Despite the stable and reliable increase (р ≤ 0,05) in the total organic carbon of both soils (up to 20 %), when BC was added to UR, the BR, Cmic., and microbial quotients tended to significantly decrease (р ≤ 0,05), reflecting the lack of substrates available for microorganisms. At the same time, the qCO2 and QR indicators decreased slightly but nonsignificantly. There was an increase in BR (not statistically significant) and Cmic. (significant at р £ 0.05 for some dates) in UP, apparently reflecting a surge in K-strategist activity during the mineralization of hard-to-reach biochar compounds. The addition of biochar did not affect the microbial quotient of UP. At the same time, a decrease in the metabolic and microbial respiration quotients indicated that more favorable environmental conditions were being developed for microorganisms. Overall, biochar supplementation increased the adaptive potential of UP microbial communities.
Keywords: biochar, basal respiration, microbial biomass carbon, soil organic carbon, microbial quotient, metabolic quotient, microbial respiration quotient.
1Институт биологии ФИЦ Карельский научный |
Поступила в редакцию |
