Разложение фитомассы борщевика Сосновского + СИД почвы

Разложение фитомассы борщевика Сосновского + СИД почвы

Введение

Гигантские борщевики характеризуются значительным выносом элементов минерального питания и достаточно требовательны к почвам. Эта группа растений способна формировать высокопродуктивные (биомасса) 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 оценить, что получится.

 

  • 20 ноября 2019 г. Пробоподготовка растительного материала для его упаковки в «капроновые пакетики».  Образцы подземной части растений (корни и стеблекорень борщевика Сосновского) высушили, измельчили и последовательно просеяли через два сита (2 мм и 0.25 мм) (Захожий И.Г.).

 

 

 

Рис. 1. Подготовка растительного материала (субстрата) для инкубации в почве.

  • 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.).

 

 

Рис. 2. Части растений борщевика Сосновского и термостатное оборудование.

  • 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.) .

Рис. 3. Загрузка образцов почвы с субстратом в пакетиках в термостат (тестирование).

  • 12 декабря 2019 г. — после выполнения всех подготовительных процедур стартовал опыт по оценке скорости разложения фитомассы гигантского борщевика. В качестве субстрата использовали измельченые листья, стебли, стеблекорни. Почвы собраны на двух участках — в зарослях борщевика (опыт) и на зележи где нет борщевика (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 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 (1, 2, 4, 20, 22, 40, 100 часов) 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 30 л/час.

Рис. 4. Добавление к образцу почвы раствора глюкозы (субстрата).

 

Рис. 5. Образец почвы весом 30 г и колба для определения дыхания биологически образцов.

 

Рис. 6. 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).

Рис. 7. Выделение СО2 образцом почвы после добавления глюкозы (10 мг глюкозы на 1 г умеренно увлажненной почвы).

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.

 

  • 13 января 2020 г.  Через 30 дней после старта опыта по оценке потенциальной скорости разложению биомассы борщевика (пробы находились в термостате при 28 градусах Цельсия):

Рис. 8. Первая выемка образцов почвы через 30 дней с начала инкубации с растительными остатками борщевика Сосновского.  Почва с залежи с остатками стеблей (пробы 11С-15С), почва из центра зарослей борщевика Сосновского с остатками стеблей (пробы 1С-5 С).

 

  • 24 января 2020 г. (Захожий И.Г., Далькэ И.В.) сбор почвы на участке «Автодром» из центра зарослей и на границе зарослей растений борщевика Сосновского. Задача — выполнить определение СИД почвы.

 

Рис. 9. Выход на участок на лыжах, без палок, но с лопатами.

 

Рис. 10. Выбор места отбора проб в центре зарослей путем погружения.

Рис. 11. Видео раскопок.

 

Рис. 11. Плановое обнаружение ювенильных растений борщевика Сосновского в почве на глубине 10-15 см.

 

Рис.12. Окраина зарослей борщевика Сосновского на участке «Автодром».

 

Рис.13.  Результат сбора почвы с участка «Автодром».

 

 

  • 31 января 2020 г. Сбор материала на участке номер 3 недалеко от «Автодрома». Образцы почвы отбирали с глубины 0-20 см от поверхности почвы с помощью бура.

 

Рис. 14. С прибытием (участок 3, 31 января 2020 г.).

 

Рис. 15. Центр поля еще свободный от растений борщевика Сосновского (участок 3, 31 января 2020 г.).

 

Рис. 16. Травянистый покров в месте свободном от растений борщевика Сосновского (участок 3, 31 января 2020 г.).

 

Рис. 17. Отбор образцов почвы с глубины 0-20 см с помощью бура. На таком пятачке забуривались несколько раз. После переходили на следующий «снегораскоп» и снова крутили ручки бура. Почву с 5-6 раскопов на участке свободном от борщевика Сосновского собирали как единую смешанную пробу (участок 3, 31 января 2020 г.).

 

Рис. 18. Уборка снега с участка, где будет собрана почва  (место уже занятое растениями борщевика Сосновского, участок 3, 31 января 2020 г.).

 

Рис. 19. Achtung №1! На фотоладони первые зимние находки проклюнувшегося стратифицированного семени (А) и ювенильного растения с маленьким желтым листиком (Б) борщевика Сосновского  (участок 3, 31 января 2020 г.). Напомню, что мы уже показали факт прорастания семян б.С. под снежным покровом. Срок наблюдения был попозже — середина марта (Семена борщевика под снегом, март 2013 г.). Тем не менее листиков у ювенильных растений ранее мы не наблюдали. А вот поклонились земле (почве) пониже, поползали на дне раскопа и высмотрели. Справедливости ради отметим, что на других раскопах многие молодые растения «торчали» над уровнем почвы на один сантиметр и листиков пока не разворачивают.

 

Рис. 20. Achtung_2! В середине зимы растения борщевика Сосновского второго года жизни «торчат» себе их почвы преспокойно.  Преспокойно потому, что они находятся под метровым слоем снега. Здесь  вполне тепло и не менее  уютно, а ледяная корочка над поверхность почвы формирует крышу, под которой как  в теплице (надо еще проверить там температуру) проживают молодые борщевички. На фото большой палец приведен для масштаба.

Наши запросы вслед за вопросами глубокоуважаемых редакторов и рецензентов растут, поэтому количество участков с которых мы собираем пробы потихоньку увеличивается. Вполне закономерно возникла необходимость завести небольшую Табличку в которой указано»Что? Где? и Когда?» происходило. Итак…

Таблица 1. Описание участков и мест сбора образцов почвы (Захожий И.Г., Далькэ И.В., ноябрь 2019 г. — март 2020 г.)

Номер (название участка) Дата  и способ отбора образцов почвы Место на участке свободно или занято генеративными особями б. С. Координаты места отбора пробы Фото
Участок 1 (РБК) 16-18 ноября 2019 г.

прикопка

Центр поля (есть  заросли б. С.) 61.645851, 50.731263
Участок 1 (РБК) 27 декабря 2019 г.

прикопка

Край поля (нет зарослей б. С.) 61.646180, 50.731033
Участок 1 (РБК) 16-18 ноября 2019 г.

прикопка

Залежь — участок с луговой растительностью и без б. С. (есть только несколько сильно удаленных генеративных растений б. С.). 61.645122, 50.730327
Участок 1 (РБК) 27 февраля 2020 г.

бур (0-20 см)

Центр поля (есть  заросли б. С.) 61.645851, 50.731263
Участок 1 (РБК) 27 февраля 2020 г.

бур (0-20 см)

Залежь — участок с луговой растительностью и без б. С. (есть лишь несколько  удаленных  друг от друга на 100-200 м генеративных растений б. С.). 61.645122, 50.730327
Участок 2 («Автодром») 24 января 2020 г.

прикопка

Центр  поля (есть заросли б. С.) 61.645962, 50.758427
Участок 2 («Автодром») 24 января 2020 г.

прикопка

Край поля (граница зарослей — очень мало растений б. С. вдоль забора.) 61.645218, 50.758843
Участок 3 (рядом с «Автодромом») 31 января 2020 г.

бур (0-20 см)

Центр поля (нет зарослей б. С.) 61.644562, 50.765447
Участок 3 (рядом с «Автодромом») 31 января 2020 г.

бур (0-20 см)

Край поля (есть  заросли б. С.) 61.644476, 50.763856
Участок 4 (ул. Ручейная) 4 февраля 2020 г.

бур (0-20 см)

Край поля (есть заросли б. С.) 61.665931, 50.761463
Участок 4 (ул. Ручейная) 4 февраля 2020 г.

бур (0-20 см)

Поле (нет зарослей б. С.) 61.665832, 50.760895
 
Участок 5

(д. Ляли)

19 марта 2020 г.

бур (0-20 см)

Центр зарослей б.С. 62.269321, 50.661438
Участок 5

(д. Ляли)

19 марта 2020 г.

бур (0-20 см)

Край поля (нет зарослей б.С.) 62.269531, 50.660930
Участок 6

(с. Озёл)

21 марта 2020 г.

бур (0-20 см)

Центр обширных зарослей б.С 61.776832, 51.106385
Участок 6

(с. Озёл)

21 марта 2020 г.

бур (0-20 см)

Окраина (рядом с зарослями б.С.) 61.778829, 51.105505
Участок 7

(с. Часово)

 22 марта 2020 г.

бур (0-20 см)

Центр зарослей б.С 62.006222, 50.636333
Участок 7

(с. Часово)

 22 марта 2020 г.

бур (0-20 см)

Окраина (рядом с зарослями б.С.) 62.006159, 50.636601

 

  • 4 февраля 2020 г. Сбор материала на участке номер 4 недалеко от  ул. Ручейная. Образцы почвы отбирали с помощью бура с глубины 0-20 см и отдельно с глубин 0-10 см и 10-20 см.  Разделение и отбор проб с разных глубин связан с вопросом  — насколько сильно будет отличаться (или нет) СИД (и другие показатели) почвы с разных участков в зависимости от глубины? Даже если мы рассматриваем пахотный горизонт 0-20 см.

Начиная с образцов собранных на участке 4 мы определяем СИД по «упрощенке», то есть не измеряя начального-базального (без добавления глюкозы) дыхания. Сначала просеиваем и адаптируем собранную почву к температуре 22 градуса Цельсия. Затем подписываем номера образцов на чашке Петри. Биологическая повторность для каждого варианта равна 5. На дно чашек укладываем кружок фильтровальной бумаги. Сверху кладем две полоски бинта (по размеру чашки Петри). Из бинта формируем мешочек для хранения почвы. Такой мешочек можно стянуть сверху банковской резинкой. Затем взвешиваем  25 г умеренно влажной почвы и высыпаем на бинт. Смачиваем почву 2-3 мл воды с растворенной глюкозой массой 0,25 г (из расчета 10 мг глюкозы на 1 г образца почвы). Фильтровальная бумага впитает избыток воды и почвенную «пыль» которая непременно будет высыпаться  через бинт. Закрываем чашки Петри и экспонируем почву в темноте 2 часа или 4 часа, а при необходимости и более. Затем определяем интенсивность выделения почвенными микробами углекислого газа.

Рис. 21. Пример изменения скорости выделение СО2 образцами почвы через 5 часов после «кормления микробов» глюкозой (субстрат индуцируемое дыхание). С помощью газометричеcкой системы Li-7000 (Licor.Inc). определено, что образец № 44 (почва собрана на территории где нет зарослей борщевика Сосновского) выделяет в два раза меньше СО2, чем образец № 45 (почва собрана в многолетних зарослях б. С.). Сравнение выполнено относительно «нулевой линии», когда в измерительной камере нет почвы. Вес каждого образца почвы около 25 г.

 

  • 6 февраля 2020 г. Лабораторные вести из СыктГУ —  Юлия Смотрина выполнила подготовку микробиологических сред (сварила и разлила по чашкам Петри) для посева почвенных «микробов».

Рис. 22.  Подготовка горячих питательных сред для роста микроорганизмов. Сразу разливали их по стерильным чашкам Петри. Перед посевами отбраковали только одну чашку Петри, т.к. в ней что-то попало в процессе розлива.

 

Рис. 23. Для посева используем почву с залежи (контроль) и из-под зарослей борщевика Сосновского.

 

Рис. 24. Разведение почвенной суспензии. В стаканчиках нативный раствор почвенной суспензии (90мл воды+ 10 г почвы) почв из-под борщевика и почв залежи. В пробирках с 1 по 10 выполнено разведение суспензии в степени, соответственно посевы сделаны из 4, 5, 6, 7, 8 и 9 пробирок на МПА. Каждая степень — посев в 3-х повторностях.

 

Фасуем питательные среды по пробирочкам.

 

Рис. 25. Выполнены посевы почвенных разведений из-под растений б. С. и с залежи. Разведения сделаны согласно рекомендациям Н.Н. Шергиной от 10(минус 4 степень) до 10(минус 9 степень) в 3-х повторностях. Ну а теперь смиренно ожидаем результаты посевной… (6 февраля 2020 г. фото Ю. А. Смотриной, СыктГУ).

 

  • 27 февраля 2020 г. Выполнили сбор почвы с помощью бура в зарослях б.С. и на залежи на Участке 1 (РБК). Почву собирали для повторного опыта по разложению фитомассы  в термостате (СыктГУ).

Рис. 26. Отбор образцов буром.

  • 19 марта 2020 г. продолжается дОбыча образцов. Нашему штатному корреспонденту И.Г. Захожему удалось побывать на удаленных полях и взять «интервью» с места событий. Поездка на Ляльский лесоэкологический стационар  сопровождалась отбором проб почвы и непринужденной 5 часовой лекцией о биологических вторжениях РАСТЕНИЙ.

 

Рис. 27. Внешний вид заросли б. С. (д. Ляли, 19 марта 2020 г.).

 

Рис. 28. Яма в снегу для отбора проб почвы под зарослями б. С. (д. Ляли 19 марта 2020 г.).

 

Рис. 29 .Яма в снегу для отбора проб почвы рядом с зарослями б. С. (д. Ляли 19 марта 2020 г.).

 

Рис. 30. Молодые растения борщевика Сосновского из под снега уже с листочками  (д. Ляли 19 марта 2020 г.).

 

Рис. 31.Взрослое растение борщевика Сосновского из под снега с антоциановыми листьями (д. Ляли 19 марта 2020 г.).

 

  • 24 марта 2020 г.  Новости короткой (или средней длины) строкой. Наша коллега Юлия Смотрина изготовила комплект нетканых пакетиков и простерилизовала комплект чашек Пети для повтора опыта с разложением фитомассы борща в условиях термостатирования (ну вот мы и вышли почти на полный цикл импортозамещения — борщ наш, пакетики — наши, вот только термостат пока импортный..). Юлия выполнила посевы на крахмало-амиачный агар (КАА). Результаты ожидаются через 7 дней. Ждем новостей!

 

 

 

  • 31 марта 2020 г. Красивые  картинки «борщевичных» колоний выросших на КАА.

 

  • 12 апреля 2020 г. Работаем в изолированном режиме, потому что вирус COVID-19 одолел человечество.  На бумаге собрали данные по СИД (пока только в расчете на сырую массу, так как образцы еще высушены и не взвешены).  Ниже представленол сравнение  интенсивности СИД почвы через 4-5 часов после добавления в неё глюкозы (дисперсионный анализ). Для построения графика использовали совокупность данных СИД почвы собранных на 7 участках (Таблица 1 — РБК, Автодром, рядом с Автодромом, Ручейная, Ляли, Озёл, Часово). Общая картина — СИД почвы в зарослях борщевика (есть борщ) значимо выше, чем СИД почвы собранной на окраине зарослей или на зележи (нет борща).  Однако, есть исключение. А как же без него? Почвы собранные на «Автодроме» показали обратную СИД картину, а  почвы собранные «рядом с Автодромом» отличались по показателю СИД незначимо. Будем разбираться!

 

  • 27 апреля 2020 г. Новости из СыктГУ. Выполнена выемка образцов повторного лабораторного опыта (экспозиция листьев (Л), стеблей (С) и корней (К) борщевика в почве, 30 дней инкубации при 28 градусов Цельсия). Визуально и тактильно (любители русского слова скажут «на глаз и на ощупь») фитомасса в пакетах уменьшилась, и особенно в пакетах с корнями.

Выемка пакетов с фитомассой борщевика Сосновского и их просушка (фиксация) в сушильном шкафу при 105 градусов Цельсия.

 

Остальная партия чашек Петри осталась еще на 30 дней в термостате при 28 градусах Цельсия.

Яндекс.Метрика