Микробный состав почв восстановился только спустя 60 лет после прекращения их возделывания
Ученые выяснили, что микробный состав почв, которые возделывал человек, возвращается к исходному состоянию только спустя 60 лет. К такому выводу пришли исследователи, сравнив почвы в разных частях национального парка «Смоленское Поозерье». Полученные данные помогут оценивать, насколько восстановилась почва после активного сельскохозяйственного использования, и разрабатывать мероприятия для восстановления нарушенных ранее территорий. Результаты исследования, поддержанного грантом Президентской программы Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Applied Soil Ecology (ссылка на статью).
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 меняются почвы, в частности, их микробный состав — количество и разнообразие видов бактерий и архей (безъядерных микроорганизмов, эволюционно отличных от бактерий). Микроорганизмы участвуют в круговороте питательных веществ, разложении органических веществ, а потому во многом определяют плодородие почвы. Поэтому по составу почвенных 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 — произрастают 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.
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 почвы перемешиваются и их микробный состав становится однородным. Таким он остается на протяжении последующих 30 лет после вывода земель из сельскохозяйственного оборота.
По прошествии более длительного времени (60–180 лет) микробный состав некогда распахиваемого горизонта претерпевает сильные изменения. Так, в поверхностном слое повышается обилие 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 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 питательных веществ, находящихся в дефиците. То есть микробное сообщество перестроилось от потребляющего вещества из удобрений, привнесенных человеком, к эффективно перерабатывающему то немногое, 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», — рассказывает руководитель работ, поддержанных грантом РНФ, Иван Семенков, кандидат географических наук, старший научный сотрудник ЦЭПЛ РАН.
