Спустя 60 лет. Микробный состав почв после прекращения их возделывания восстанавливается более чем через полвека

14 августа 2024 4 мин.

Почвы национального парка «Смоленское Поозерье» изучили московские и подмосковные специалисты. Выяснилось, что микробный состав после возделывания возвращается к исходному состоянию только спустя 60 лет. При этом разнообразие микробного состава в них снижается примерно на 15–20% — вероятно, это связано с тем, что сельскохозяйственные почвы удобряются и обогащаются кислородом в результате вспашки.

А вот разнообразие метаболических процессов — химических превращений, осуществляемых микробами, — в давно покинутых почвах увеличилось, поскольку бактериям пришлось осваивать разнообразные варианты получения дефицитных питательных веществ. То есть микробное сообщество перестроилось: от потребления веществ из привнесенных человеком удобрений оно перешло к эффективному перерабатыванию. Результаты исследования, поддержанного грантом РНФ, опубликованы в журнале Applied Soil Ecology.

Почвовед, находясь в почвенном разрезе, делает полевые записи в дневник.
Источник: Елена Тихонова

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.

Ученые из Центра по проблемам экологии и продуктивности лесов РАН (Москва), Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова (Москва) и Института лесоведения РАН (Успенское) проследили изменения, которые происходят с восстанавливающимися песчаными почвами на территории бывших пашен национального парка «Смоленское Поозерье» в Смоленской области. Здесь на месте заброшенных сельскохозяйственных угодий на песчаных почвах естественным путем — 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 ученые 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 распространенных 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.

Кукурузное поле у деревни Шугайлово (национальный парк «Смоленское Поозерье»), на котором проводили исследование. Источник: Елена Тихонова

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 привнесенных человеком удобрений оно перешло к эффективному перерабатыванию того немногого, что имеется в бедных песчаных почвах от природы.

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 Поозерье» и выделить в них индикаторные группы микроорганизмов.