Мы уже отметили, что формирование почвы неразрывно связано с деятельностью микроорганизмов.
Микрофлора первичных стадий почвообразования, по данным Н. Н. Сушкиной и И. Г. Цюрупы (1973), характеризуется весьма своеобразным составом. Общая численность микроорганизмов первичных почв не столь высока — она исчисляется от десятков до сотен тысяч на 1 г. Здесь доминируют неспороносные бактерии, которые в основном могут быть отнесены к микобактериям. Все эти микроорганизмы, учитываемые на МПА или КАА, могут быть отнесены к аммонификаторам.
По имеющимся данным, почвенные микобактерии обладают рядом физиологических особенностей, позволяющих им развиваться на бедных средах. Их можно отнести к группе олигокарбофилов. Многие из них способны одновременно с органическими веществами усваивать довольно много СO2 и ассимилировать N2, правда в небольших количествах.
Для примера ниже приводятся сведения о групповом составе микрофлоры первичных почв, заимствованные из работы Сушкиной и Цюрупы (1973).
При дальнейшем развитии почвообразовательного процесса в почве отмечается нарастание численности разнообразных неспорообразующих бактерий. В гумусе, накопившемся под мхом, можно найти бацилл. По нашим наблюдениям, из последней группы микробов здесь почти исключительно встречается Bac. cereus и Bac. agglomeratus.
В сформировавшихся почвах число микобактерий сильно редуцируется. Так, по данным М. М. Умарова (1972), в подзолах и дерново-подзолистых почвах микобактерии составляют 2—3% бактериальной флоры, в серых лесных почвах 10—15%, в черноземах 20—35%, в каштановых почвах и сероземах 10—23%. В южных почвах видовой состав микобактерий более богат.
Переходим к рассмотрению специфических особенностей бактериальной флоры отдельных почвенных типов. Считаем целесообразным напомнить, что почвенные зоны закономерно сменяют одна другую в направлении с севера на юг. Их взаимный переход осуществляется постепенно. В горных областях по мере подъема также наблюдается последовательная смена почвенных типов, здесь проявляется вертикальная зональность (поясность).
Как указывал Л. И. Прасолов (1939), почвенные зоны нельзя представлять себе как пояса, аккуратно опоясывающие Земной шар. На отклонение широтных поясов оказывают влияние многие причины: материнские породы, климатические условия и т. д.
Автором настоящей работы были обследованы многие почвы Крайнего Севера. Полученные данные опубликованы, и здесь мы даем лишь ряд примеров, показывающих изменение состава микрофлоры первичных, но уже сформировавшихся почв (приведены средние цифры из многих определений).
Как видно, в молодых почвах несколько уменьшается роль микобактерий. Делается разнообразнее состав микрофлоры и особенно сильно увеличивается численность неспороносных бактерий. Бациллярная и актиномицетная флора, однако, бедна.
Дальнейшее развитие почвообразовательного процесса приводит к существенным изменениям в соотношении основных группировок микроорганизмов (бактерий, бацилл, актиномицетов и грибов). Приводятся средние данные о численном составе микроорганизмов ряда систематических групп в различных целинных почвах Европейской части СССР (горизонт А1). Они получены на основании большого числа анализов. Бактерии были учтены на мясо-пептонном агаре, актиномицеты — на крахмало-аммиачном агаре, а споры бацилл — на среде, составленной на смеси мясо-пептонного и суслового агаров в соотношении 1 : 1 (pH = 7,0). По нашим наблюдениям, на последней среде хорошо дифференцируются отдельные виды бацилл. Значительная часть бацилл находится в почве в состоянии спор. Поэтому для облегчения учета этой группы микронаселения посев делался из пастеризованной почвенной суспензии (5 мин. при 80°). Грибы учитывались на сусло-агаре.
Как видно, южные почвы богаче микроорганизмами. Несколько повышенный показатель по этому признаку у целинных почв Крайнего Севера объясняется скоплением на поверхности этих почв слаборазложившихся растительных остатков, которые в теплый период времени служат хорошим питательным материалом для микроорганизмов, преимущественно для грибов и неспороносных бактерий. Анализ же этих почв производился лишь летом.
По мере движения к югу в ценозе микроорганизмов усиливается роль бацилл и актиномицетов. Данные группировки микроорганизмов появляются на более поздних стадиях распада органических остатков. Возможно, это связано с меньшей быстротой их размножения, способностью усваивать некоторые соединения, мало доступные основной массе неспорообразующих бактерий, a. также с их повышенной потребностью в дополнительных факторах роста (у бацилл), которыми неспорообразующие бактерии обогащают растительные остатки на первых этапах их распада.
Поскольку в условиях теплого климата происходит более быстрая смена микробных ассоциаций, разлагающих органические вещества, то в общем здесь создаются более благоприятные условия для размножения бацилл и актиномицетов. В более южной зоне численность грибного микронаселения снижается. В этих почвах, обычно с нейтральной реакцией, из-за возрастающей конкуренции бактерий и актиномицетов с грибами уменьшается число последних.
Мы считаем более правильным пересчитывать количество микроорганизмов не на 1 г почвы, а на 1 г перегноя, так как жизнедеятельность сапрофитных микроорганизмов связана не со всей почвенной массой, а с ее органическими веществами. При подобном расчете особенно наглядным становится факт значительно большего «охвата» жизнью органического вещества южных почв.
Мы уже отмечали, что условность метода учета микроорганизмов разливками на твердые среды не позволяет расценивать полученные данные как абсолютные, но общие тенденции, отмеченные нами, можно признать вполне объективными.
О большом богатстве почв южной зоны микроорганизмами свидетельствуют и данные, полученные другими методами — способом прямого счета под оптическим или электронным микроскопом, методы Д. М. Новогрудского (1966), посева мелкозема на твердую питательную среду и т. д. Абсолютные показатели, конечно, получаются иные, но общая закономерность остается такой же.
Отдельные типы почв существенно отличаются по их профилю и распределению в нем органических веществ. Это сказывается и на микробиологическом профиле различных почв. Например, в черноземах он значительно более глубок, чем в подзолах. Обычно с углублением в почву содержание перегноя уменьшается более постепенно, чем падает численность микроорганизмов.
С глубиной возрастает относительное содержание бацилл и актиномицетов. Неодинаково глубоко в почву проникают отдельные бактерии, что, очевидно, связано с их аэробностью. Это мы показываем на примере профиля черноземной почвы. Как видно, например, Bac. mycoides обнаруживается лишь в верхних слоях почвы, а Bac. idosus проникает глубоко в почву и на глубине большей, чем 30 см, становится доминирующим организмом среди бацилл.
Для практики агрономии представляет несомненный интерес то, что отдельные слои пахотного горизонта довольно существенно различаются по богатству микроорганизмами. При благоприятных условиях влажности, например, слой 0—5 см содержит в два раза микробов больше, чем слой 20—30 см. При совершенно тождественном химическом составе в пределах пахотного горизонта верхний слой отличается существенно большей энергией мобилизационных процессов. Для примера ниже приводится численность ряда групп микроорганизмов (в тыс/1 г почвы) в отдельных слоях обрабатываемого чернозема Института земледелия черноземной зоны им. В. В. Докучаева (Воронежская область).
Как видно, по мере углубления (даже небольшого) численность микроорганизмов заметно уменьшается, хотя химические свойства почвы практически не изменяются. В основном это, очевидно, является результатом худшего проникновения в более глубокие слои почвы кислорода воздуха. В целинной почве это различие сказывается еще более резко.
В силу определенного подавления в более глубоких слоях почвы микробиологических процессов замедляется мобилизация питательных веществ и эффективное плодородие почвы снижается. Ниже мы приводим результаты вегетационного опыта с черноземной почвой Воронежской обл. В сосудах на 8 кг, заполненных черноземом, взятым из разных горизонтов пахотного слоя, был выращен овес. Полученный урожай (в г на сосуд) указывается ниже.
Как видно, верхний слой почвы оказался значительно более плодородным. После вспашки в перевернутом наверх нижнем горизонте микробиологические процессы активизируются и плодородие его существенно повышается. Отмеченное подтверждает взгляд Вильямса на гетерогенность отдельных горизонтов пахотного слоя. Отдельные, выдвинутые им положения, как например лучшее накопление перегноя в глубине почвы, требуют корректив. Гумусообразование энергичнее протекает в верхних слоях почвы, а не в глубине, как это предполагал Вильямс.
Все изложенное свидетельствует о том, что обработка почвы должна рассматриваться не только как механическая операция, но и как воздействие на биологию почвы, меняющую ее плодородие.
В первой главе настоящей работы было отмечено мнение Красильникова (1958) о влиянии высшей растительности и окультуривания почвы на состав микронаселения почвы. Эти моменты несомненно находят явное проявление, и для иллюстрации показано изменение некоторых групп микронаселения под влиянием в основном растительности. Эти данные были получены нами при изучении черноземных почв Института земледелия центральной черноземной зоны им. Докучаева (Воронежская обл.). Отмечается, например, что Bac. mycoides обнаруживается (правда, в небольшом количестве) лишь под лесными насаждениями. Здесь мало зародышей Bac. mesentericus и грибов рода Fusarium. Грибы отмеченного рода встречаются в большем количестве в степи и окультуренных почвах. В последних существенно возрастает численность Bac. megaterium и т. д.
Несмотря, однако, на отмеченные сдвиги, под влиянием растительности во всех случаях почва не теряет характерных признаков чернозема по специфике ее микробного ценоза. Тип почвообразовательного процесса сказывается на микронаселении сильнее всего.
Обработка почвы, а также внесение минеральных и органических удобрений оказывает сильное влияние на микрофлору почвы. Этот вопрос нами был освещен в нескольких публикациях. Поэтому здесь мы можем отметить лишь некоторые общие моменты.
При обработке почвы улучшается температурный и водновоздушный режим. Это усиливает мобилизационные процессы, и почва приобретает ряд признаков, свойственных почвам более южной зоны. Численность микроорганизмов возрастает, увеличивается процент бацилл и актиномицетов, более энергичным становится процесс нитрификации.
Внесение минеральных удобрений, особенно содержащих азот, влечет к существенным изменениям в составе некоторых групп микроорганизмов. Так, например, в дерново-подзолистой почве после внесения сульфата аммония сильно размножаются бактерии рода Cellvibrio и резко уменьшается грибное население. Удобрение почвы навозом вызывает появление в почве большого числа клеток Cytophaga. В навозе имеется много термофилов, и унавоженные почвы обогащаются этой группой микроорганизмов. Навоз, богатый органическими веществами, стимулирует размножение ряда микроорганизмов, в том числе Azotobacter’a.
В отдельных случаях отмечается неблагоприятное влияние длительного применения минеральных удобрений на микрофлору почвы. Это имеет место при использовании физиологически кислых солей, резко снижающих pH почвы. Таким образом, здесь сказывается влияние косвенной причины.
Вертикальная поясность, влияет на состав почвенной микрофлоры точно так же, как и широтная зональность. К настоящему времени изучены почвы ряда горных хребтов Кавказа и Средней Азии. С высотой, по мере снижения средней годовой температуры почвы, снижаются численность бактерий, а также процентное содержание бацилл и актиномицето. Особенно отчетливы отмеченные сдвиги при пересчете микронаселения на 1 г перегноя. Бактерии в данном случае были учтены на МПА, а бациллы на предложенной нами среде после пастеризации почвенной суспензии. В последнем случае данные были несколько занижены, так как некоторое количество бацилл находится в почве в вегетативном состоянии.
Переходя к характеристике отдельных групп почвенных микроорганизмов, мы сделаем несколько замечаний о неспорообразующих бактериях. Судя по данным анализа, произведенного на общепринятых питательных средах неспорообразующие бактерии почвы в основном представлены родами Pseudomonas и Bacterium. До сих пор не удается достоверно определить различие в видовом составе неспороносных бактерий отдельных типов почв. Возможно, что здесь существенных отличий и не имеется. Неспороносные бактерии являются пионерами, развивающимися на разлагающихся органических остатках. Поскольку наличие свежего органического вещества (главным образом растительных остатков) свойственно всем почвам, а различие в основном химическом составе его не столь существенно, то возможно, что в разных почвах развиваются тождественные по видовому составу неспорообразующие бактерии. Очевидно все же, что вопрос о составе этих микроорганизмов в разных почвах требует дополнительных исследований.
Выделяемые из почвы на обычных питательных средах бактерии аммонифицируют белки и пептоны. Как источник азота они могут использовать также соли аммония, нитраты и аминокислоты. Как источник углерода они используют ряд углеводов, спирты и органические кислоты. Лишь некоторые организмы этой группы способны использовать циклические соединения, в том числе перегной. Таким образом, основная масса этих микроорганизмов должна быть отнесена к зимогенной группировке.
Выше уже отмечалось, что более глубокая переработка органических остатков связана с размножением на них бацилл и актиномицетов. Поэтому можно было ожидать, что в почвах разных климатических зон будет изменяться видовой или групповое состав этих микроорганизмов.
Наши ожидания вполне оправдались. Мы приводим средние данные, составленные на основании большого материала, о группировках спорообразующих бактерий, характерных для разных типов почв. Здесь мы берем лишь целинные почвы. Окультивирование их вносит существенные изменения в микробный ценоз почвы.
Все бациллы являются космополитами. Однако для каждого вида имеются зоны оптимального размножения. Так, группировка Bac. agglomeratus — Bac. cereus весьма характерна для почв Крайнего Севера. В подзолах средней полосы СССР в больших количествах встречаются Bac. mycoides и Bac. cereus, в черноземах энергично размножается группировка Bac. idosus и Bac. megaterium. Группа Bac. Mesentericus — Bac. subtilis богато представлена в каштановых и сероземных почвах. Кроме того, в этих почвах содержится большое число зародышей Bac. megaterium. Помимо отмеченных бацилл в каждой почве может быть найдено известное количество зародышей и других видов.
Для каждой бациллы имеются свои закономерности. Это приводит к тому, что в каждой почве создаются специфические сочетания доминантных видов бацилл.
Полученные данные вполне убедительны. Тем не менее они могут быть еще существенно уточнены. Например, вид Bac. mesentericus по существу является сборным и может быть разбит на ряд подвидов. В последнее время в нашей лаборатории было проанализировано распространение разных вариантов Bac. mesentericus в почвах Европейской части СССР. Оказалось, что их экология также связана с определенным типом почвы. Так, Bac. jnesentericus niger свойствен лишь почвам южной зоны. Другие разновидности этой бациллы распространены более широко. В почвах вертикальных зон мы имеем по существу аналогичную смену бациллярных форм. Правда, ввиду того, что горные почвы не являются полными аналогами зональных, здесь имеются некоторые отклонения. Так, например, горно-луговые почвы, точно так же, как тундровые, бедны Bac. mycoides, но в них богато представлена группировка Bac. cereus — Bac. idosus. В горных черноземах также богато представлена группировка Bac. cereus — Bac. idosus и имеется Bac. megaterium. Здесь встречается и Bac. mycoides, который практически отсутствует в обычных черноземах.
Окультуривание почв приводит к некоторому изменению состава бациллярного населения почвы. Обычно оно делается более похожим на ценоз бацилл, свойственный почвам более южной зоны. Особенно показательным можно считать редуцирование группировки Bac. Agglomeratus — Bac. cereus и возрастание числа Bac. megaterium.
Нашими исследованиями было показано, что развитие Bac. megaterium очень тесно коррелирует с энергией процесса нитрификации.
Следует задержаться на вопросе о состоянии бацилл в почве. По мнению Конна, в почвах подавляющее большинство бацилл находится в состоянии спор. С этим можно согласиться. На самом деле, наш экспериментальный материал показывает, что значительная часть их в почве пребывает в виде спор.
Для примера мы приводим динамику общего числа бактерий, бацилл и спор в пахотном слое дерново-подзолистой почвы (в тыс. на 1 г).
Было бы, однако, неправильно думать, что большая часть бацилл постоянно находится в почве в неактивном состоянии. Если в почву внести энергетический материал, то можно наблюдать переход практически всех бациллярных спор в состояние вегетативных клеток. Любопытно то, что более активное действие оказывает пептон или белок. Меньше способствуют данной трансформации углеводы. Это еще раз подтверждает наше положение, что бациллы для активного размножения требуют обогащения среды белком.
В данном случае в дерново-подзолистую почву пептон был внесен в количестве 0,5%. Через 7 дней практически все активно размножившиеся бациллы были в состоянии вегетативных клеток. К концу опыта они составляли доминирующую группу бактериального населения почвы. Изучение физиологических особенностей бацилл вполне позволяет объяснить их экологию. По использованию азотсодержащих соединений бациллы резко различаются между собой. Могут быть намечены две группы.
1. Bac. mycoides, Bac. cereus, Bac. virgulus и Bac. adherens, т. е. в основном наиболее типичные для северных почв бациллы, не растут или очень слабо развиваются на солях аммония. Могут усваиваться многие аминокислоты. На пептоне и белках эта группа бацилл бурно развивается. Эта группа отличается относительно слабой биохимической активностью.
2. Bac. megaterium, Bac. mesentericus, Bac. subtilis, Bac. gasificans, Bac. agglomeratus — в основном бациллы южных почв, хорошо развиваются на средах, содержащих в качестве источника азотного питания соли аммония и азотной кислоты. Многие аминокислоты, пептоны и белки также хорошо усваиваются этими бациллами. Биохимически эти микроорганизмы более активны, чем представители первой группы.
Таким образом, группа бацилл, не усваивающих минерального азота и обладающих слабой ферментативной активностью, преобладает в почвах северной зоны, где нитрификационный процесс протекает очень слабо.
Бациллы, способные ассимилировать минеральный азот и обладающие большой физиологической активностью, распространены в более южной зоне, где энергично протекают микробиологические процессы и, в частности, нитрификация. В условиях теплого климата вся обстановка способствует в целом развитию более многочисленного бациллярного населения.