Разложение фитомассы борщевика Сосновского

Введение

Гигантские борщевики приурочены к плодородным почвам, характеризуются значительным выносом элементов минерального питания. Растения могут формировать высокопродуктивные агрофитоценозы. Отмечено, что урожай зеленой массы борщевика Сосновского за два укоса был не ниже 1700 ц зелёной массы/га (Коюшев, Гавринцева, 1980).  В последние 20 лет, когда исчезла потребность отчуждать надземную часть растений для силосования, фитомасса гигантского борщевика подвергалась естественной деструкции, обеспечивая биогенными элементами заросли растений.

Разложение подстилки создает один из крупнейших потоков в глобальном наземном цикле углерода (Djukic, 2016 — в переводе Е.А. Давыдова). Процесс разложения органического вещества и его последующая минерализация тесно связаны с почвенной биотой, активность которой определяют погодные условия, соотношение основных биогенных элементов (С, N, P), физико-химические свойства почвы и ряд других параметров почвенной среды (Свирскене, 2003; Благодатская, Пампура, Богомолова, 2003; Минкина, 2005; Русанов, Анилова, 2009; Семенова, Ильбулова, Суюндуков, 2011 и др.; Гордеева, 2017).

Исследования биологических свойств почв под зарослями борщевика Сосновского указывают, на перестройку сообщества почвенных нематод (Матвеева и др., 2015), изменение таксономического состава и численность в почвах дрожжевых сообществ (Глушакова и др., 2015), актиномицетных комплексов (Товстик и др., 2018а), эколого-трофических групп микроорганизмов (Товстик и др., 2018б).

 

Цель работы — изучить фитомассу и темпы ее разложения в моновидовых зарослях борщевика Сосновского в условиях подзоны средней тайги Республики Коми.

Задачи:

1) Определить фитомассу моновидовых зарослей борщевика Сосновского в условиях инвазии

2) Оценить темпы разложения растительных остатков в зарослях борщевика Сосновского и выявить факторы, влияющие на данный показатель (определение потенциальной и актуальной скорости разложения остатков)

3) Изучить численность основных эколого-трофических и физиологических групп почвенных микроорганизмов и охарактеризовать функциональную структуру микробиоценозов в зарослях борщевика Сосновского

4) Оценить участие деструкционного микробиологического комплекса в разложении растительных остатков моновидовых зарослей борщевика Сосновского.

 

Локация:

Лабораторные опыты планируем проводить на кафедре биологии Института естественных наук Сыктывкарского государственного университета им. Питирима Сорокина. Полевые исследования — на экспериментальном участке Института биологии Коми НЦ УрО РАН.

 

Исполнители:

Смотрина Юлия Алексеевна (магистр 1 курса ИЕН СыктГУ).

Захожий И.Г., Далькэ И.В. (Институт биологии Коми НЦ УрО РАН)

 

Методика:

Для разработки  экспериментов и отбора проб использовали опыт накопленный разными авторами:

Для оценки активности микробной биомассы:

Материалы и оборудование:

  • Термостат электрический суховоздушный ТС-1/20 СПУ (Россия).
  • Сушильный  шкаф Binder (Германия).
  • Набор сит.
  • Ступка, пестик, мельница для измельчения проб.
  • Чашки Петри.
  • Почвенные и растительные образцы.

Ход работы:

  • 6, 12 и 18 ноября 2019 г. В окрестностях г. Сыктывкара были собраны образцы почв пахотного горизонта (0-20 см) с двух участков. На первом, заброшенном после сельскохозяйственного использования, участке были заросли борщевика Сосновского (опыт). Второй участок был свободен от зарослей борщевика, но был занят луговой растительностью (контроль). Также мы собрали растительный опад и подземную часть борщевика Сосновского. Сбор материала проводили параллельно с закладной термологгеров для проекта «Мороз 2020». Фото и подробное описание работы по ссылке.
  • 18 ноября 2019 г. Образцы почв и опада растений были перевезены на кафедру ботаники ИЕН (СыктГУ). Далее мы приступили к оценке того, как провести опыт. Прикинуть количество биологических
    повторностей, размеры мешочков, решить насколько следует измельчить растительный материал… Следует попробовать «зарядить» пару чашек Петри на 2-3 дня в термостат и
    посмотреть что получится.
  • 20 ноября 2019 г. Пробоподготовка растительного материала для формирования «капроновых пакетов» и оценки потенциальной скорости разложения органики.  Образцы подземной части растений (корни и стеблекорень борщевика Сосновского) высушили, измельчили и просеяли через два сита (2 мм и 0.25 мм) (Захожий И.Г.).

 

 

 

 

  • 25-26 ноября 2019 г.  Подготовка растительного материала. Измельчение листьев (вручную), стеблей растений (в мельнице) (ИЕН СыктГУ, Смотрина Ю.А.)
  • 26 ноября 2019 г. пробный запуск термостата ТС-1/20 СПУ (Россия) и сушильного шкафа Binder (Германия). Температура в термостате и в сушильном шкафу в течение дня варьировала от 28.0 до 28.1 градуса Цельсия (ИЕН СыктГУ, Смотрина Ю.А.).

 

 

  • 29 ноября 2019 г.  Пробная экспозиция проб в термостате. Тестирование образцов растительного материала (листья, побеги, корни) в чашках Петри в термостате при 28 градусов Цельсия. В каждую чашку Петри закладывали слоями = 25 г влажной почвы + 2 г сухого растительного материала+ 25 г почвы (Смотрина Ю.А.) .

 

  • 12 декабря 2019 г. — после выполнения всех подготовительных процедур стартовал опыт по оценке скорости разложения фитомассы гигантского борщевика. В качестве субстрата использовали листья, стебли, стеблекорни. Почвы собраны на двух участках — в зарослях борщевика (оптыт) и на зележи (контроль).

 

  • 16 декабря 2019 г. — начали дополнительный опыт по оценки убыль фитомассы в динамике. В качестве субстрата использовали листья (фракция менее 2 мм). Ю.А. Смотрина  заложила опыт в 25 чашках Петри с почвой из-под зарослей борщевика Сосновского, температуре экспозиции образцов 28 градусов Цельсия. Планируется отбор чашек Петри через каждые 5 дней  (20, 25, 30 декабря,  4, 9, 14, 19, 24 29 января). Это позволит отработать технологию сбора данных для основного опыта и выполнить первичную оценку динамики разрушения фитомассы листьев.

 

  • 25 декабря 2019 г. начали проводить тестовые измерения выделения СО2 почвами собранными в зарослях борщевика. Для оценки активности микробной биомассы в почве использовали метод «Субстрат Индуцируемого Дыхания — СИД». Концентрацию углекислого газа измеряли методом инфракрасной спектроскопии (Евдокимов, 2018). Измерения газообмена проводили с помошью инфракрасного газоанализатора Li-7000 (Licor.Inc., США), который был подключен по открытой дифференциальной схеме (Сивков, Назаров, 1990). В предварительных опытах мы установили, что умеренно влажная почва весом около 30 г (при нормальных условиях) выделяет достаточное количество углекислого газа, для заметного отклика газометрической системы. Влажный образец почвы помещали в марлевый мешочек и переносили в дыхательную термостатитруемую камеру. Измерение выделение потока СО2 одного образца занимало около 5-7 минут. Затем к почве (30 г сырого веса) добавляли около 2 мл водного раствора глюкозы (из расчета 10 мг глюкозы/1 г сырого веса почвы).  Таким образом, микробный комплекс почвы снабжали субстратом (глюкозой) для питания и размножения. Раствором глюкозы равномерно смачивали образец. Далее почву помещали в чашку Петри и экспонировали в темноте при температуре около 25 градусов Цельсия. Через разное время (часы) после добавления субстрата (глюкозы) определяли скорость выделения СО2 почвенным образцом. Измерение СИД проводили при температуре 25 градусов Цельсия и скорости потока воздушной смеси в газометрической системе Li-7000 около 27 л/час.

Рис. Добавление к образцу почвы раствора глюкозы (субстрата).

 

Рис. Образец почвы весом 30 г и колба для определения дыхания биологически образцов.

 

Рис. Скорость выделения СО2 почвами из-под зарослей борщевика Сосновского при температуре 25 градусов Цельсия: 1 — базальное дыхание (без глюкозы), 2 — субстрат  индуцированное дыхание почвы после внесения глюкозы (10 мг глюкозы/1 г сырого веса почвы). Приведены средние значения и стандартное отклонение (n=3).

 

  • 27 декабря 2019 г. (Захожий И.Г., Далькэ И.В.) были собраны образцы почвы с трех участков:(1 — центральная часть зарослей борщевика; 2 — граница зарослей борщевика; 3 — залежь, недалеко от зарослей борщевика). Образцы почвы пописали, упаковали в пакеты и забросали снегом для хранения и дальнейшей работы.

Дополнительные измерения СИД почвы из под зарослей борщевика показали, что через два часа после добавления глюкозы скорость выделения СО2 почвой стабилизируется на постоянном уровне. Очевидно микробная биомасса после получения субстрата активизируется, дыхание возрастает в 3 раза по сравнению с базальным уровнем (рисунок ниже). Далее должна наступить фаза экспоненциального роста количества «микробов» и переход к еще более высоким интенсивностям выделения СО2. Но это будет уже новый количественный уровень микробной биомассы в почве (нам он вроде пока ни к чему).

Таким образом, метод СИД позволяет устойчиво стимулировать, а затем фиксировать активность микробной биомассы по выделению СО2 почвенными образцами. Для этого вполне подходит использование ИК-газометрической системы подключенной по открытой дифференциальной схеме. В нашем случае в процессе измерения выделения СО2 скорость тока воздуха составляла 30 л/ч, экспозицию почвы проводили при 22 градусах Цельсия, навеска почвы в одной пробе составляла около 18-23 г сухого веса. Для активизации СИД к почве добавляли водный раствор глюкозы из расчета около 10 мг/глюкозы на 1 г сухого веса почвы. Для этого до 250 мг глюкозы растворяли в 5-7 мл дистиллированой воды и равномерно вносили этот раствор в почву.  Затем определяли скорость выделения СО2 образцом почвы. Если почва уплотнялась, то её рыхлили и встряхивали.

Яндекс.Метрика