ИСТИНА

Проект направлен на решение комплексной фундаментальной проблемы современного почвоведения, биогеохимии, экологии и сельского хозяйства, связанной с изучением роли почвенных микроорганизмов в биосферном цикле азота, количественной оценкой пула азота микробной биомассы почв и его изменении при сельскохозяйственном использовании органогенных почв.

The implementation of the task set in the project assumes two stages of research. 3 biochemical methods for determining carbon and nitrogen pools of microbial biomass (fumigation-extraction, fumigation-incubation, rehydration) will be tested at the first stage, which is predominantly methodological in nature, using an example of a wide range of samples of organogenic soil horizons formed in different geographic regions and ecological conditions. It is planned to consider a wide range of soils that differ in genesis, botanical composition and degree of decomposition of plant material, acidity, etc. (mountain and plain tundra soils, upland and lowland marshes, coniferous, small-leaved and broad-leaved forests), as well as reclaimed soils with different types Agricultural use (for example, the soils of Moscow region). With the use of pure cultures of fungi and bacteria labeled with 13C and 15N, as well as direct labeling of microbial biomass of soils with 13C and 15N isotopes, possible inaccuracies in methods connected, in particular, with partial extraction of compounds C and N, are established, recalculation coefficients, geographic, ecological And spatio-temporal patterns of variation of carbon and nitrogen pools of microbial biomass. In the course of the work the following methods will be applied: 1) Determination of carbon and nitrogen of microbial biomass of soils by fumigation-incubation method (Jenkinson, Powlson, 1976) with determination of CO2 on an Agilent 6890N gas chromatograph (Hewlet-Packard, USA) and N-NH4 + indophenol method on a Genesys 10 UV spectrophotometer (USA); 2) Determination of carbon and nitrogen of microbial biomass of soils by fumigation-extraction method (Brookes et al., 1985; Vance et al., 1987) with the determination of extractable C and N on the TOC-VCPN automatic analyzer (Shimadzu, Japan); 3) Determination of carbon and nitrogen microbial biomass of soils by the rehydration method (Blagodatsky et al., 1987 – in Russian) with the determination of extractable C and N on the TOC-VCPN automatic analyzer (Shimadzu, Japan); 4) Determination of the isotope composition of carbon (12C / 13C) and nitrogen (14N / 15N) extractable compounds of microbial biomass on the Delta plus mass spectrometer. At this stage, there is a good reserve obtained by us in assessing the microbial biomass of soils in the European part of Russia by different methods (Makarov et al., 2016, Makarov et al., 2017), and also the soils of the tundra zone of northern Sweden (Maslov, 2014– in Russian). Among other achieved results, we were able to show that the coefficients of extractability of carbon and nitrogen vary 2-2.5 times for certain species of fungi and bacteria. In this case, only the maximum values (0.36 for carbon and 0.52 for nitrogen) approach the coefficients commonly used in the calculation of microbial soil biomass elements (0.45 for carbon and 0.54 for nitrogen). It follows that the results of calculations can be rather understated, and in addition, they can contain elements of significant error, depending on the species composition of the microbial community of the soil. The results of the determination of the nitrogen extractability of microbial biomass by the 15N in situ direct labeling method confirmed this conclusion and made it possible to additionally indicate the conditions under which the determination of the nitrogen concentration of microbial biomass can yield underestimated results (in particular, when the analyzed soil samples are dried). However, in the works listed, we mainly used samples of mineral soils. The use of methods associated with the exposure of chloroform vapors to plant-rich soil samples can lead to a change in the lability of carbon and nitrogen compounds of plant tissues and a significant overestimation of the parameters of microbial immobilization. The second stage of the project includes the study of the transformation of the carbon and nitrogen pools of microbial biomass in the agricultural development of organogenic reclaimed lands, as well as in the withdrawal of lands from agricultural circulation and will be carried out using the example of soils of the Yakhroma floodplain. The dynamics of stocks of microbial biomass elements will be considered when introducing different doses and combinations of mineral fertilizers. Using the stable isotopes 15N (dynamics of label distribution between microbial, mineral nitrogen and plant nitrogen pools) under conditions of field and vegetation experiments, the role of remineralized nitrogen of microbial biomass in nitrogen nutrition of plants will be quantified, dynamics of immobilization-mobilization fertilizer nitrogen conversions, its Losses and use of microorganisms and plants, the role of nitrogen fertilizers in the mobilization of the soil nitrogen pool will be assessed. It is known that the immobilization of fertilizer nitrogen by microorganisms prevents their loss due to leaching and volatilization from the soil and contributes to the long positive effect of introduced nitrogen on plant nutrition due to the immobilization-remineralization cycles. However, it is still not clear what is the maximum amount of fertilizer nitrogen that can absorb the microbial community of the soil, what are the environmental consequences of this process, how long does a positive effect on nitrogen plant nutrition can be created in this case? All these open questions allow us to conclude that the results obtained during the implementation of the proposed project will not only be of fundamental importance but also of significant practical importance, opening up opportunities for the development of environmentally safe and economically feasible application of nitrogen fertilizers on reclaimed organogenic soils under their agricultural use.

В целом, проект предполагает получение 2 основных научных и практических результатов: 1) разработка методических основ количественного определения углерода и азота микробной биомассы в органогенных почвах и горизонтах; 2) разработка научных основ применения азотных удобрений при сельскохозяйственном использовании мелиорированных органогенных почв с учетом микробиологической трансформации азота. Методическая часть проекта направлена на совершенствование подходов к определению углерода и азота микробной биомассы. Выполненные исследования позволят выявить основные соответствия и несоответствия определяемых параметров в разных почвах при использовании разных методов и процедур. На основании результатов проекта будут впервые установлены географические и экологические закономерности варьирования содержания углерода и азота микробной биомассы, в том числе с их привязкой к генезису органогенных почв в рамках концепции наземного детритогенеза. Будет определен отклик микробной биомассы почв на разные способы мелиорации, на примере почв с разным сельскохозяйственным использованием будет установлена годичная динамика оцениваемых показателей. На основе экспериментов с метками 13С и 15N будут установлены коэффициенты перерасчета экстрагируемого углерода и азота в углерод и азот микробной биомассы. На основании проделанной работы будет определено оптимальное сочетание эффективности, воспроизводимости и трудоемкости методов оценки пулов микробной биомассы. Изучение динамики иммобилизационно-мобилизационных процессов трансформации азота удобрений, его потери и использования растениями, а также количественная оценка возможности сельскохозяйственных растений использовать реминерализованный азот микробной биомассы позволит разработать научные основы экологически безопасного и экономически эффективного применения азотных удобрений на мелиорированных торфяных почвах.

Determination of carbon and nitrogen in microbial biomass of southern-taiga soils by different methods / M. I. Makarov, T. I. Malysheva, M. N. Maslov et al. // Eurasian Soil Science. — 2016. — Vol. 49, no. 6. — P. 685–695. Effect of the storage conditions of soil samples on carbon and nitrogen extractability / M. I. Makarov, E. Y. Kuznetsova, T. I. Malysheva et al. // Eurasian Soil Science. — 2017. — Vol. 50, no. 5. — P. 549–558.

На примере образцов лесной подстилки экосистем северной, средней и южной тайги проанализировано влияние способов консервации (высушивание, замораживание и хранение при низких положительных температурах) и предварительной аэробной инкубации хранившихся образцов на результат определения лабильного (в т.ч. минерального) и микробного пулов углерода и азота. Установлено, что высушивание образцов подстилки и их последующее увлажнение перед анализом приводит к статистически достоверному снижению концентрации микробных углерода и азота на фоне повышения концентраций элементов лабильного пула. Аналогичное, но менее количественно выраженное, воздействие на концентрацию лабильных компонентов оказывает и замораживание образцов, однако замораживание не приводит к статистически значимому изменению концентраций углерода и азота микробной биомассы. Влияние этих способов консервации на результат определения углерода и азота микробной биомассы зависит от предыстории изучаемого объекта и минимально для подстилок, подвергающихся в естественных условиях периодическому иссушению (сосновые биогеоценозы) или частому и длительному промораживанию (большинство изученных подстилок). Хранение при низких положительных температурах приводит к снижению концентрации элементов микробной биомассы, но неоднозначно действует на лабильный пул углерода и азота, что связано с циклами роста и отмирания микробной биомассы. Предварительная аэробная инкубация образцов подстилки не приводит к восстановлению исходных (характерных для свежих образцов) концентраций углерода и азота. Преобладание процесса микробной иммобилизации или минерализации органических соединений азота определяется соотношением C:N в лабильном органическом веществе и микробной биомассе. Основное направление трансформации соединений азота в образцах одного и того же горизонта подстилки зависит от способа их хранения: при высушивании преобладают процессы нетто-минерализации, при замораживании и хранении при низких положительных температурах – процессы нетто-иммобилизации.