Сотрудники Центра по проблемам экологии и продуктивности лесов РАН (Москва), Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова и Института лесоведения РАН (Успенское, Московская область) выяснили, что микробный состав почв, которые возделывал человек, возвращается к исходному состоянию только спустя 60 лет.
К такому выводу исследователи пришли, сравнив образцы в разных частях национального парка «Смоленское Поозёрье». Полученные данные помогут оценивать, вернулась ли почва к исходному состоянию после активного сельскохозяйственного использования, и разрабатывать мероприятия для восстановления территорий. Результаты исследования, поддержанного грантом Президентской программы Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Applied Soil Ecology.
Почвенный разрез и оборудование, подготовленные для описания почвы и отбора материала для дальнейшей лабораторной обработки
Земли, используемые для выращивания сельскохозяйственных растений, по разным причинам перестают распахивать. Так, в России из оборота было выведено до 40 миллионов гектаров сельскохозяйственных земель. В Смоленской области такие участки зарастают лесом, в результате чего почвы меняются: в частности, становится другим их микробный состав — количество и разнообразие видов бактерий и архей (безъядерных микроорганизмов, эволюционно отличных от бактерий). Микроорганизмы участвуют в круговороте питательных веществ и разложении органических соединений, а потому во многом определяют плодородие почвы. Поэтому по составу микробных сообществ можно оценить степень нарушенности или восстановления почвы.
Учёные проследили изменения, которые происходят с восстанавливающимися песчаными почвами на территории бывших пашен национального парка «Смоленское Поозёрье» в Смоленской области. Здесь на месте заброшенных сельскохозяйственных угодий на песчаных почвах естественным путём — без участия человека — выросли сосняки возрастом до 180 лет. Авторы взяли образцы как лесных, так и до сих пор используемых сельскохозяйственных почв. Почвоведы отбирали пробы с разных глубин — от 0,5 до 74 сантиметров.
Фото растительности и почв: 1 — молодой залежный луг на распахиваемой почве; 2 — залежный луг на почве, длительное время не распахивавшейся; 3 — молодой сосняк на постагрогенной почве; 4 — средневозрастный сосняк на постагрогенной почве; 5 — старовозрастный сосняк на постагрогенной почве; 6 — старовозрастный сосняк на нераспахиваемой почве
В лабораторных условиях исследователи выделили из почв всю содержащуюся в них ДНК. Затем они расшифровали генетические последовательности и определили, каким микроорганизмам они принадлежат.
Оказалось, что в почвах, которые до сих пор возделываются или были покинуты относительно недавно (не более 30 лет назад), микробный состав верхней и нижней части пахотного горизонта практически идентичен. В нем повышено число распространённых почвенных бактерий Actinobacteriota, Chloroflexi, Gemmatimonadota, Myxococcota, Bacteroidota, Latescibacterota и Nitrospirota. Это говорит о том, что во время вспашки слои земли перемешиваются, и их микробный состав становится однородным. Таким он остается на протяжении последующих 30 лет после вывода территории из сельскохозяйственного оборота.
Почвовед, находясь в почвенном разрезе, делает полевые записи в дневник
По прошествии более длительного времени (60–180 лет) микробный состав некогда распахиваемого горизонта претерпевает сильные изменения. Так, в поверхностном слое повышается количество бактерий Acidobacteriota, RCP2–54, Dependentiae и WPS-2. Это объясняется тем, что слои почвы долгое время не перемешиваются, и их физические (плотность, влажность) и химические (кислотность, состав минеральных веществ) свойства меняются. В результате создаются оптимальные условия для разных микроорганизмов.
Для оценки микробного разнообразия авторы использовали индекс Шеннона, согласно которому наибольшее разнообразие микроорганизмов было зафиксировано в до сих пор возделываемых почвах. В лесных почвах по сравнению с пашнями разнообразие по индексу Шеннона снизилось примерно на 15–20%. Вероятно, это связано с тем, что сельскохозяйственные почвы удобряются и хорошо аэрируются — обогащаются кислородом — в результате вспашки.
Заметное сокращение микробного разнообразия наблюдалось в почвах, покинутых 60 и более лет назад из-за того, что бактерии к тому моменту уже использовали большую часть содержащихся в почве питательных веществ. Однако, несмотря на это, в давно покинутых почвах увеличилось разнообразие метаболических процессов — химических превращений, осуществляемых микробами, — поскольку бактериям пришлось осваивать разнообразные варианты получения дефицитных питательных веществ. То есть микробное сообщество перестроилось: от потребления веществ из привнесённых человеком удобрений оно перешло к эффективному перерабатыванию того немногого, что имеется в бедных песчаных почвах от природы.
Кукурузное поле у деревни Шугайлово (национальный парк «Смоленское Поозёрье»), на котором проводили исследование
«Наше исследование показало, что состав микробного сообщества молодых сосняков сильнее похож на тот, что характерен для пашен и лугов, а не для средне- и старовозрастных сосняков. При этом лесовосстановление бедных песчаных почв не всегда полезно для почвенных бактерий, поскольку их разнообразие уменьшается. Полученные результаты могут быть полезны при экологической оценке степени и скорости восстановления почв в районах активной сельскохозяйственной деятельности. В дальнейшем мы планируем изучить состав микробных сообществ суглинистых почв национального парка "Смоленское Поозёрье" и выделить в них индикаторные группы микроорганизмов», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Иван Семенков, кандидат географических наук, старший научный сотрудник географического факультета МГУ.
Источник: пресс-служба РНФ.