Метабиоз в почвенной системе: влияние дождевых червей на структуру и функционирование почвенной биоты

На правах рукописи

ТИУНОВ Алексей Владимирович МЕТАБИОЗ В ПОЧВЕННОЙ СИСТЕМЕ:

ВЛИЯНИЕ ДОЖДЕВЫХ ЧЕРВЕЙ НА СТРУКТУРУ И ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ ПОЧВЕННОЙ БИОТЫ Специальность: 03.00.16 – экология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора биологических наук

Москва – 2007

Работа выполнена в лаборатории почвенной зоологии и экспериментальной энтомологии Института проблем экологии и эволюции им. А.Н. Северцова РАН

Официальные оппоненты: доктор биологических наук, профессор Л.О. Карпачевский доктор биологических наук, профессор Б.Д. Абатуров доктор биологических наук, профессор В.Г. Мордкович Ведущее учреждение: Московский Педагогический Государственный Университет

Защита диссертации состоится 29 мая 2007 г. в 14 часов на заседании Диссер тационного совета Д 002.213.01 при Институте проблем экологии и эволюции им. А.Н. Северцова РАН по адресу:

119071, Москва, В-71, Ленинский проспект, дом 33.

Телефон/факс: (495) 952-35-

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Отделения биологических наук РАН по адресу: 119071, г. Москва, Ленинский проспект, д. Автореферат разослан «» _ 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат биологических наук Т. П. Крапивко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы.

Почвенные сообщества отличаются высоким таксономическим разнооб разием и сложностью экологических взаимодействий (Ghilarov 1977;

Wardle 2002). Особенности почвы как среды обитания определяют приоритетную важность биоценотических связей, осуществляемых путем модификации со стояния среды (Гиляров 1949, 1965;

Swift et al. 1979). Этот тип экологических отношений носит название метабиоз (Garr 1887;

Waid 1999). Метабиотиче ские взаимодействия играют ключевую роль в функционировании и формиро вании структуры экосистем (Беклемишев 1951;

Стебаев 1979;

Jones et al. 1994;

Смирнова 1998;

Стриганова 2006), однако они до сих пор чрезвычайно слабо изучены как в качественном, так и в количественном отношении.

Дождевые черви относятся к наиболее известным, хорошо изученным и хозяйственно важным представителям почвенной фауны. Огромный вклад до ждевых червей в формирование структуры почвы и развитие почвенного про филя был показан еще в классических работах исследователей 19 века (Hnsen 1877;

Darwin 1881;

Mller 1887;

Высоцкий 1899). Влияние дождевых червей на микробную активность почвы и продуктивность растений исследовалось в сотнях экспериментов (Зражевский 1957;

Атлавините 1975;

Козловская 1976;

Lee 1985;

Edwards and Bohlen 1996), тем не менее, механизмы и закономерно сти этого влияния остаются недостаточно понятными (Doube and Brown 1998;

Scheu 2003;

McLean et al. 2006). Проблема особенно актуальна в связи с разви тием зоологических методов мелиорации почв (Гиляров 1976, 1979;

Edwards and Bater 1992;

Baker et al. 2006) и широким распространением вермикульти вирования органических отходов (Lofs-Holmin 1985;

Морев 1990;

San Zhenjun 2004;

Тиунов 2004).

Дождевые черви являются типичными представителями функциональной группы средообразователей или "экосистемных инженеров", прямой вклад ко торых в метаболизм (дыхание) почвенного сообщества относительно невелик (Persson and Lohm 1977;

Petersen and Luxton 1982), а основная экологическая роль состоит в модификации среды обитания других компонентов почвенной биоты (Brussaard 1998;

Lavelle and Spain 2001;

Wardle 2002). Однако системное количественное описание закономерностей и механизмов влияния средообра зущей деятельности дождевых червей и других крупных почвенных беспозво ночных на функционирование отдельных групп и всего комплекса почвенной биоты остается в зачаточном состоянии. Это связано с разнообразием форм средообразования, трудностью формализации и измерения напряженности ме табиотических связей, а также существенной разницей в методологии иссле дований средообразующей деятельности живых организмов и их биотических отношений.

Целью работы является выявление основных закономерностей и меха низмов влияния средообразующей деятельности дождевых червей на структу ру и функционирование почвенных сообществ.

Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:

§ На примере дождевых червей проанализировать основные формы влия ния крупных почвенных беспозвоночных на другие компоненты гетеротроф ной почвенной биоты.

§ Выявить особенности состава, функционирования и динамики микроб ного населения зоогенных почвенных структур разного масштаба (копролиты и стенки нор дождевых червей) в разных типах почвы. Оценить характер пре образования среды в зоогенных структурах.

§ Выявить механизмы влияния животных на состав и функционирование микробного населения в зоогенных почвенных структурах. Оценить (в том числе экспериментально) относительную значимость трофических и метабио тических механизмов.

§ Оценить влияние зоогенной мозаичности почвенного покрова на про странственное распределение и таксономическую структуру ключевых групп почвенного населения: бактерий, микромицетов, нематод, простейших, пред ставителей мезо- и макрофауны.

Научная новизна.

На примере модельного вида L. terrestris впервые проведено комплексное исследование влияния крупных почвенных беспозвоночных-средообразовате лей на популяции всех основных функциональных и размерных групп почвен ного населения – от бактерий и микромицетов до насекомых и олигохет. Уста новлены основные механизмы формирования микробного и животного населения в зоогенных почвенных структурах, создаваемых дождевыми чер вями.

Впервые дана сравнительная количественная оценка значимости трофи ческих и метабиотических механизмов воздействия дождевых червей на мик робные сообщества. Это позволило существенно скорректировать традицион ные представления о влиянии дождевых червей на микробную активность почвы. В частности, установлено, что прохождение почвы и опада через ки шечный тракт дождевых червей не оказывает существенного воздействия на общее обилие и таксономический состав микроорганизмов.

Дана количественная оценка степени механического разрушения расти тельных остатков в кишечнике дождевых червей. Показано, что увеличение содержания подвижных форм азота и высокая активность (дыхание) микроор ганизмов в свежих копролитах модельного вида L. terrestris на 50-65% опреде ляется механическим измельчением растительных остатков. Впервые показа но, что размер частиц влияет на характер зависимости скорости деструкции растительных остатков от их разнообразия (числа видов в смеси).

Показано, что химические и микробиологические свойства стенок нор дождевых червей определяются преимущественно транслокацией органиче ского вещества с поверхности почвы в минеральные горизонты. Таксономиче ский состав бактерий, микромицетов и нематод в стенках нор неспецифичен, существенно различается в разных биоценозах, и определяется в основном свойствами почвы и растительного опада.

Установлено, что концентрация органического вещества вокруг нор дож девых червей влияет на пространственное распределение почвенных беспо звоночных, однако влияние зоогенной мозаичности почвенного покрова на таксономическую структуру животного населения почвы невелико.

Основные положения, выносимые на защиту.

Влияние дождевых червей на другие компоненты почвенной биоты осу ществляется комплексом взаимосвязанных механизмов, относительная значи мость которых поддается количественной оценке. Обилие, таксономический состав и активность микробного и животного населения зоогенных почвенных структур, формируемых дождевыми червями (норы, копролиты), определяется действием ограниченного набора ключевых факторов: измельчением расти тельных остатков и перемешиванием их с минеральной почвой в кишечнике, вовлечением органического вещества в минеральную почву в форме выстилки нор, перераспределением растительных остатков на поверхности почвы.

Изменения состава и обилия микробных сообществ почвы и опада при прохождении через кишечник дождевых червей в незначительной степени оп ределяются собственно трофическим воздействием. Обилие и таксономиче ский состав микроорганизмов в копролитах червей можно с большой точно стью предсказать на основании соответствующих параметров в потребляемых субстратах.

Стенки нор дождевых червей отличаются от окружающей почвы по хи мическому составу, ферментативной активности, а также по обилию, активно сти и таксономическому составу микробного населения. Параметры микроб ной активности в стенках нор весьма стабильны во времени. Состав микробного населения стенок нор неспецифичен и существенно различается в разных типах почвы и на разных глубинах. Увеличение обилия почвенных жи вотных вокруг нор L. terrestris не сопровождается существенными перестрой ками таксономической структуры сообщества.

Теоретическое и прикладное значение работы. Понимание основных закономерностей функционирования детритного блока экосистем невозможно без комплексного исследования всех типов взаимодействий между компонен тами почвенной биоты. Разрабатываемый в работе подход позволяет запол нить лакуну между исследованиями средообразующей деятельности почвен ных организмов и биотических отношений в почве, и интегрировать нетрофи ческие отношения в общие количественные представления о функционирова нии экосистем. Результаты работы позволяют в значительной степени пересмотреть принятые представления о ключевых механизмах влияния дож девых червей и других крупных почвенных беспозвоночных на микробную ак тивность, интенсивность процессов трансформации органического вещества и плодородие почвы.

Практическое значение работы определяется использованием дождевых червей для зоологической мелиорации почв, и широким распространением культивирования дождевых червей для переработки органических отходов и получения органических удобрений. Результаты работы позволили предло жить ряд методов оптимизации процесса вермикомпостирования. Кроме того, результаты работы важны для предсказания и предотвращения нежелательных последствий инвазии чужеродных видов дождевых червей.

Публикации и апробация работы. По теме диссертации опубликовано 52 научные работы, включая 30 статей в рецензируемых российских и между народных научных журналах. Материалы диссертации были доложены на IX, X, XII и XIII Всесоюзных и Всероссийских совещаниях по почвенной зооло гии;

на XI, XII, XIII и XIV Международных коллоквиумах по почвенной зоо логии;

V, VII, и VIII Международных симпозиумах по экологии дождевых червей;

IX Европейском экологическом конгрессе;

III и IV Съездах Докучаев ского общества почвоведов;

на научно-практических конференциях (Киев 1991, Екатеринбург 1993, Владимир 2004);

на многочисленных тематических конференциях и семинарах, а также на межлабораторном коллоквиуме ИПЭЭ РАН.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, двух обзорных глав, методов, семи глав с изложением результатов эксперименталь ных исследований и их обсуждением, заключения и выводов. Рукопись на страницах включает 52 рисунка и 54 таблицы. Список литературы содержит 618 работ, в том числе 498 на иностранных языках.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1. Концепция метабиоза. Метабиотические отношения в почве Термин "метабиоз" (от греческого met - после, через, между) был пред ложен швейцарским микробиологом Гарре (Garr 1887)1. В настоящей работе Этот же термин был использован В.В. Хлебниковым (1910) для обозначения [экологиче ских] отношений "в которых из послесуществования какой-нибудь жизнью другой жизни для этой первой вытекают отношения выгоды".

мы используем термин в следующем понимании: метабиоз есть форма эко логических связей, при которых один организм (видовая популяция) влияет на другой организм (видовую популяцию) посредством преобразования сре ды обитания. В таком понимании этот краткий термин максимально широко охватывает вполне определенный класс явлений и не включает двусмысленно го понятия "инженерия" (см. ниже). Несмотря на долгую историю термина, он не нашел широкого применения в общей экологии, и используется редко, главным образом микробиологами. Попытку реактивации термина в почвен ной биологии недавно предпринял Дж. Вайд (Waid 1997;

1999).

Основные характеристики метабиотических связей таковы:

(1) Метабиотические взаимодействия осуществляются посредством модифи кации кондиционирующим видом среды обитания зависимых видов.

(2) Мерой напряженности метабиотических взаимодействий служит не сте пень модификации среды, но изменения популяционных параметров зависи мых видов.

(3) Метабиотические связи могут действовать как при тесном соседстве, так и на большом удалении участников в пространстве или во времени.

(4) Метабиотические связи могут быть диффузными или связывать вполне оп ределенные пары или группы участников. Воздействие кондиционирующего вида на зависимые неизбирательно, хотя зависимые виды часто вырабатывают специальные адаптации к определенным модификациям среды.

(5) Положительное или отрицательное обратное влияние зависимых видов на кондиционирующий возможно, но не имеет принципиального значения для характеристики связи.

Все без исключения живые организмы модифицируют среду обитания других видов, и тем самым влияют на них. Сила метабиотических связей мо жет варьировать от неизмеримо малой до определяющей само существование зависимого вида. Выделение "важных" и "неважных" метабиотических связей неизбежно зависит от объекта и задачи конкретного исследования. Практиче ски удобным подходом является замена субъективной оценки "важный – не важный" статистически решаемой задачей "достоверный – недостоверный".

Близко к понятию метабиоза примыкает концепция "инженерной дея тельности" (ecosystem engineering;

Jones et al. 1994, Wright et al. 2006). Однако ее основной смысл заключается не в описании или измерении влияния одного вида на другой посредством модификации среды, а последовательное рас смотрение двухэтапного процесса: вначале влияния "инженера" на среду (=средообразование), а затем влияние модифицированной среды на другие ор ганизмы (Wright and Jones 2006).

Важность метабиотических отношений в почве определяется рядом об стоятельств, в том числе насыщенностью живыми организмами, пространст венной ограниченностью обитаемого слоя, большим количеством активных средообразователей на всех трофических уровнях, и физическими свойствами среды, которые способствуют длительной фиксации биогенных структур.

Кроме того, в почве преобладают детритные пищевые цепи, что снижает важ ность регуляторных функций трофических взаимодействий (Laakso and Setl 1999;

Wardle 2002;

Setl 2002;

Moore et al. 2004).

Исследование средообразующей деятельности почвенных животных и ее значения для функционирования почвенных сообществ и динамики почвенных процессов началось задолго до появления концепций экосистемного инжене ринга и даже метабиоза (Darwin 1837, 1881;

Докучаев 1900;

Димо и Гордеев 1905;

Димо 1916;

Вернадский 1939;

Гиляров 1939, 1949;

Graff 1983). Живое вещество почвы, продукты жизнедеятельности живых организмов, органиче ское вещество на разной стадии деструкции и, наконец, минеральная фракция разделимы только теоретически или аналитически. В силу этого любая моди фикация почвенной среды сопровождается прямым воздействием на живые организмы. Тем не менее, под термином "средообразование" обычно подразу мевается физическое преобразование абиотических или мертвых компонентов почвенного покрова (минеральная почва, подстилка, растительные остатки).

К наиболее активным средообразователям обычно относят самых круп ных представителей почвенной фауны, радикально преобразующих физиче ское состояние почвенной среды своей локомоторной, строительной или пи щевой активностью. Одна из наиболее распространенных форм средообразования – потребление пищи (почвы и органических остатков) и формирование самых обильных и четко выраженных зоогенных структур поч вы: экскрементов или копролитов. При прохождении через кишечник живот ных почва и растительные остатки подвергаются физической трансформации, воздействию пищеварительных ферментов и ферментов кишечной микрофло ры, происходит ассимиляция питательных веществ, экскреция продуктов об мена, увлажнение, и другие процессы. Однако у дождевых червей пищевари тельный тракт выполняет не только трофическую, но и локомоторную функцию. При передвижении сквозь плотный субстрат животные в букваль ном смысле "проедают" свои ходы (Dexter 1978;

Martin 1982;

Kretzschmar 1991). При этом пропускаемый через пищеварительный тракт материал может вообще не содержать питательных веществ. Таким образом, для почвенных сапрофагов пропускание субстрата через кишечник не обязательно связано с питанием этим субстратом. Даже при питании пища как таковая часто состав ляет очень небольшую долю поглощаемого материала. Стратегия питания многих видов почвенных сапрофагов, в том числе дождевых червей, состоит в быстром пропускании через кишечник больших объемов субстрата и ассими ляции лишь наиболее легкоусвояемой фракции (Bolton and Phillipson 1976;

Cortez et al. 1989;

Tiunov and Scheu 2004).

В этой работе мы называем трофическими те связи и процессы, которые сопряжены непосредственно с питанием и ассоциированными физиологиче скими функциями (пищеварение, ассимиляция, экскреция продуктов обмена и пр.). Другие формы воздействия на живые и косные компоненты почвы, про ходящие через кишечник дождевых червей (механическое разрушение без су щественного изменения химического состава, перемешивание разных субстра тов и т.д.) рассматриваются как нетрофические.

Глава 2. Влияние дождевых червей на основные группы гетеротрофного почвенного населения (обзор литературы) В главе дается краткий обзор экологии дождевых червей разных морфо экологических групп и особенностей биологии основного модельного объекта – норного червя Lumbricus terrestris L. Основное место уделено анализу опуб ликованных данных по влиянию дождевых червей на другие компоненты поч венной биоты. Это влияние осуществляется комплексом взаимосвязанных ме ханизмов, среди которых можно выделить следующие основные факторы:

1. Прямые взаимодействия.

1.1. Трофические связи. Микроорганизмы, простейшие и более крупные почвенные животные составляют важный компонент пищи дождевых червей (Стриганова 1980;

Lavelle 1981;

Bonkowski and Schaefer 1997;

Pokarzhevskii et al. 1997;

Dalby et al. 1998). Сами черви являются пищевым объектом (и проме жуточным хозяином паразитов) широкого спектра хищных и всеядных живот ных (Грюнталь и Сергеева 1989;

Judas 1989;

Черенков и др. 1995).

1.2. Экскреция мукуса, продуктов азотного обмена и других метаболитов может стимулировать или подавлять микробную активность в кишечнике, ко пролитах и на стенках нор дождевых червей (Martin et al. 1986;

Lavelle 1988;

Стриганова и др. 1988;

Scheu 1991;

Schrader 1995), а также привлекать разно образных хищников и комменсалов (Morris and Pivnick 1991;

Salmon 2001).

1.3. Показаны конкурентные отношения между разными видами дождевых червей, а также между червями и энхитреидами (Abbot 1980;

Huhta and Viberg 1999;

Lowe and Butt 1999;

Uvarov et al. 2002). Эндогейные черви могут конку рировать за легкодоступный углерод с сапротрофными микроорганизмами (Tiunov and Scheu 2004) и коллемболами (Richter et al. 2004).

1.4. Форезия. Черви могут принимать участие в распространении бактерий (Henschke et al. 1989;

Heijnen and Marinissen 1995), микоризных и фитопато генных грибов (Gange 1993;

Toyota and Kimura 1994), нематод (Shapiro et al.

1993), а также семян растений (Willems and Huijsmans 1994;

Milcu et al. 2006).

1.5. Прямое физическое воздействие. Предполагается, что во многих случаях влияние дождевых червей на почвенные грибы определяется физическим на рушением мицелиальной сети (McLean and Parkinson 2000;

Tuffen et al. 2002).

Отрицательное влияние дождевых червей на панцирных клещей может быть связано с фактором беспокойства (Migge 2001;

Maraun et al. 1999, 2003).

2. Метабиотические воздействия.

2.1. Дождевые черви принимают активное участие в развитии почвенного профиля, модифицируя условия жизни всех обитателей почвы. Количествен ные аспекты этого широкомасштабного влияния дождевых червей на почвен ную биоту пока мало исследованы (Всеволодова-Перель и Сиземская 1989;

Migge-Kleian et al. 2006;

Frelich et al. 2006).

2.2. Измельчение растительных остатков повышает микробную активность, влияет на состав микроорганизмов, изменяет качество пищевых ресурсов и ус ловия жизни обитателей подстилки (Satchell 1967;

Swift et al. 1979;

Стриганова 1980;

Lee 1985).

2.3. Деятельность червей (особенно эндогейных и норных) влияет на струк туру минеральной почвы (размер и прочность агрегатов, распределение поро вого пространства и т.д.). Это отражается на активности и обилии микроорга низмов, микрофитофагов и более крупных почвенных животных (Marinissen and Bok 1988;

Clarholm 1995;

Стриганова 2000;

Grres et al. 2001).

2.4. Норы червей формируют систему макропор и полостей, которые обеспе чивают аэрацию и дренаж влаги, облегчают рост корней и передвижение (ак тивное и пассивное) почвенных животных и микроорганизмов (Edwards and Lofty 1980;

Lee 1985;

Joergensen et al. 1998;

Salmon et al. 2005).

2.5. Деятельность червей влияет на степень гетерогенности среды и характер пространственного размещения пищевых и иных ресурсов. Это отражается на разнообразии и функционировании почвенной биоты (Jegou et al. 1998;

Sul kava and Huhta 1998;

Crooks 2002;

Hewitt et al. 2005).

2.6. Погребение растительных остатков способствует уменьшению толщины подстилки, повышению микробной активности в минеральных горизонтах, а также дезактивации (но и длительному сохранению покоящихся стадий) фито патогенных грибов и насекомых (Hirst and Stedman 1962;

Kennel 1990;

Laing et al. 1986;

Frelich et al. 2006).

Метабиотическое влияние дождевых червей на функционирование поч венной биоты более значимо, чем прямое (Brussaard 1998;

Lavelle and Spain 2001;

Meysman et al. 2006). Однако формы и механизмы метабиотических свя зей весьма разнообразны и очень плохо исследованы, особенно в количествен ном отношении. Несмотря на значительный объем накопленных данных, су ществующие представления об общих закономерностях влияния дождевых червей на таксономический состав, обилие и активность других компонентов почвенной биоты весьма неполны и часто противоречивы. В частности, тради ционные представления об увеличении обилия микроорганизмов в копролитах червей по сравнению с почвой (Козловская 1976;

Satchell 1983) далеко не все гда соответствуют действительности (Рис. 2.1).

увеличение число экспериментов_ нет эффекта снижение ЛM СМ ФЭ-ФИ Др.

SIR метод Рис. 2.1. Оценка влияния прохождения почвы или опада через пищеварительный тракт дождевых червей на общее обилие микроорганизмов зависит от метода ис следования. Собственные и литературные данные. ЛМ: люминесцентная микроско пия;

СМ: световая микроскопия;

ФЭ-ФИ: фумигация-экстракция или фумигация инкубация;

SIR: субстратно-индуцированное дыхание. Многочисленные работы с применение метода посева (не показано на рисунке) фиксируют увеличение числа КОЕ почти в 100% случаев.

Глава 3. Основные методы Работа базируется на экспериментальном материале, собранном в течение 20 лет в рамках нескольких исследовательских проектов. Многие исследова ния были проведены в сотрудничестве с зоологами и микробиологами МГУ, МПГУ, Университетов Гёттингена и Дармштадта. Результаты этих исследова ний отражены в совместных публикациях. Полевые исследования и сбор ма териала для лабораторных экспериментов проводили главным образом в окре стностях Малинской биогеоценологической станции ИПЭЭ РАН (около 30 км к югу от Москвы). Почвенный и растительный покров Малинской стации под робно описаны (Дылис 1971). Основные работы вели в 110-130 летнем липо вом лесу на дерново-подзолистой почве. Кроме того, в окрестностях биостан ции работы проводили в сложной дубраве и смешанном елово широколиственном лесу. Исследования проводили также в буковом лесу на перегнойно-карбонатной почве (Gttinger Wald) в Нижней Саксонии, ФРГ (Schaefer 1991). Численность L. terrestris во всех перечисленных биогеоцено зах довольно высока. В окрестностях Малинской биостанции она достигает 30-35 экз. на м2;

в буковом лесу – около 20 экз. на м2 (Черенков и др. 1995;

Ti unov and Scheu 1999;

Тиунов и Кузнецова 2000). Лабораторные эксперимен ты проводили в ИПЭЭ РАН и в Институте зоологии Гёттингенского универ ситета. В длительных экспериментах (главы 6 - 8) использовали почву верхне го минерального горизонта (глубина 3-8 см), из липового или букового леса, и взрослых L. terrestris, собранных методом формалиновой экстракции (Raw 1959). Пищей для дождевых червей служил перезимовавший липовый или бу ковый опад. Эксперименты проводили в плоских контейнерах из прозрачного пластика (камеры Эванса) с внутренними размерами 650 (высота) 310 мм. Контейнеры были заполнены просеянной через сито 4 мм почвой до вы соты 500 мм, на поверхность почвы был помещен опад. Контейнеры содержа ли в темноте при постоянной температуре 15°С. В кратковременных экспери ментах червей содержали в стеклянных или пластиковых контейнерах емкостью от 1 до 10 литров.

Химические анализы. Общее содержание углерода и азота определяли с помощью элементного анализатора. Содержание подвижных форм азота опре деляли по Кьельдалю паровой отгонкой и титрованием (Keeney and Nelson 1982). Минеральный фосфор определяли колориметрически с молибденовым реактивом (Olsen and Sommers 1982). Для определения размера частиц опада в копролитах червей пробу материала разводили в теплой воде до получения однородной взвеси. Около 0.2 мл взвеси отбирали широкой пипеткой и поме щали на предметное стекло. Размер частиц был измерен с помощью окуляр микрометра при 100 увеличении. Мерой величины фрагмента служило про изведение его наибольшей длины на наибольшую ширину (мм2).

Определения биомассы и активности микроорганизмов. Для прямого подсчета числа бактериальных клеток, длины грибного мицелия, и объема микроорганизмов применяли два варианта метода люминесцентной микро скопии (Звягинцев 1991;

Scheu and Parkinson 1994). Грибной мицелий окра шивали калькофлюором белым, бактериальные клетки – акридином оранже вым. Эти красители окрашивают как живые, так и мертвые клетки.

Микроскопию проводили при увеличении 1000 (бактерии) и 400 (грибы).

Длину мицелия оценивали по числу пересечений линий окулярной сетки (Olson 1950). Объем бактериальных клеток и диаметр грибного мицелия изме ряли с помощью программы анализа видеоизображения после дополнительно го увеличения (общее увеличение для бактерий 5400, для грибов 2100).

Метод фумигации-инкубации (Jenkinson and Powlson 1976) применяли главным образом для калибровки других методов. Основным методом опреде ления микробной биомассы в почве и других субстратах был метод субстрат но-индуцированного дыхания (SIR, Anderson and Domsch 1978). Достоверная корреляция (как правило, r 0.800) между оценкой микробной биомассы ме тодом SIR и другими методами была показана в ряде специальных исследова ний (West et al. 1986;

Kaiser et al. 1992;

Beck et al. 1997), и подтверждена на шими собственными данными (Tiunov and Scheu 2000). При проведении ана лизов мы следовали модифицированному протоколу с использованием авто матического многоканального респирометра с электролитической компенса цией (Scheu 1992). Микробную биомассу (Смик, мкг г-1) вычисляли как IRR1 (мкл O2 г-1 час-1) (Beck et al. 1997). Базальное дыхание определяли как среднее потребление кислорода (мкл или мкг O2 г-1 час-1) субстратом без до бавления глюкозы. В ряде экспериментов интенсивность дыхания измеряли абсорбционным методом по количеству выделяемого CO2 (Alef 1995).

Доступность основных биогенных элементов для микроорганизмов оценивали по динамике микробного дыхания после добавления углерода, азо та и фосфора в комбинациях C, C+N, C+P, C+N+P (Scheu 1987;

Tiunov and Scheu 1999). Углерод вносили в виде раствора глюкозы, азот и фосфор в виде растворов (NH4)2SO4 и Na2HPO4, при соотношении C:N:P равном 10:2:1. В ка честве снимаемого показателя использовали кумулятивное или максимальное дополнительное (превышающее IRR) дыхание в течение 18-40 часов после внесения глюкозы. Респираторная реакция на внесение C+P позволяет судить о доступности азота, а реакция на внесение C+N – о доступности фосфора. Как наши, так и литературные данные (Duah-Yentumi et al. 1998;

Vesterdal 1998;

Demetz and Insam 1999) показывают, что метод позволяет весьма точно оце нить доступность N и P для почвенных микроорганизмов.

Определение таксономического состава микробных сообществ. Так сономический состав сапротрофного бактериального комплекса оценивали методом посева из разведений от 1:1000 до 1:1000000 на ряд стандартных сред. Определение бактерий проводили до родового уровня (Добровольская и др. 1989;

Williams et al. 1989). Численность бактерий выражали в КОЕ (коло ниеобразующие единицы) на г почвы. Относительное обилие рассчитывали как долю таксона (%) от общего числа колоний. Таксономический состав поч венных микромицетов оценивали методом отмывания почвы (Parkinson and Williams 1961;

Gams and Domsch 1967). Метод предполагает удаление из суб страта спор и конидий грибов, и выделение преимущественно активно расту щего грибного мицелия. Отмытые органические частицы размером 200- мкм помещали на чашки Петри с сусло-агаром или средой Чапека. Из каждой пробы сеяли от 50 до 65 частиц. Грибы определяли до видового или родового уровня. Относительное обилие таксона оценивали как долю (%) заселенных им частиц от общего количества полученных изолятов. Для выделения дрожжей использовали сериальные разведения.

Учеты почвенных животных. Почвенных простейших учитывали ме тодом разведения (Darbyshire et al. 1974). Суспензию почвы в питательной Initial Respiratory Response, респираторная реакция почвы на внесение глюкозы.

среде последовательно разводили и после инкубации отмечали присутствие голых амеб, жгутиковых и инфузорий. Численность простейших рассчитывали по таблицам (Rowe et al. 1977). Нематод экстрагировали модифицированным методом водных воронок Бермана на высокоградиентном эклекторе (Alphei 1995). После приготовления препаратов половозрелых нематод идентифици ровали до родового уровня. На основании родовой принадлежности нематод относили к одной из шести основных трофических групп: бактериофаги, ми кофаги, потребители корневых волосков, паразиты растений, всеядные, хищ ники (Yeates et al. 1993). Микроартропод (коллемболы и панцирные клещи) экстрагировали с помощью воронок Тулльгрена (Гиляров 1975), или на высо коградиентном эклекторе (Kempson et al. 1963). Экстрагированных животных заключали в постоянные препараты с жидкостью Фора. Почвенную макро фауну (=мезофауна по Гилярову 1941) учитывали ручной разборкой почвен ных проб (Гиляров 1975).

Статистическая обработка. Основным методом статистического анализа был дисперсионный анализ (ANOVA). Как правило, перед анализом первич ные данные подвергали логарифмической или иной трансформации (Krebs 1989;

Sokal and Rohlf 1995). Для множественного сравнения средних использо вали критерий достоверно значимой разницы (Tukey's HSD), для сравнения двух выборок - t-тест Стьюдента. При малом количестве повторностей, или невозможности удовлетворить допущения дисперсионного анализа, применя ли непараметрические тесты.

Для оценки достоверности различий в составе и структуре доминирова ния многовидовых сообществ был применен метод ординации, разработанный Ю.Г. Пузаченко (Пузаченко и Санковский 1992;

Пузаченко и Кузнецов 1998) в несколько упрощенной форме (Tiunov and Scheu 2000;

2005). На основе отно сительного обилия таксонов подсчитывали матрицу сходства (дистанций или корреляции) между отдельными пробами. Матрицу сходства обрабатывали с помощью многомерного непараметрического шкалирования. Оптимальное ко личество базовых осей определяли путем сравнения реальной и теоретически ожидаемой величины стресса. Полученные координаты точек в многомерном пространстве были использованы для оценки величины и достоверности раз личий между априори заданными группами проб (напр. вариантами опыта) с помощью дискриминантного анализа. В тех случаях, когда дискриминантный анализ подтверждал наличие достоверных различий между группами, вычис ляли непараметрическую корреляцию между относительным обилием отдель ных видов в пробах и координатами этих проб по достоверным каноническим осям. В необходимых случаях характер распределения этих видов дополни тельно исследовали с помощью дисперсионного анализа, его пермутационной версии (Anderson 2001, 2004), или непараметрических аналогов (U-test, Kruskall-Wallis ANOVA). За уровень достоверности принят p 0.05.

Глава 4. Механическое разрушение растительного опада в кишечнике дождевых червей Деятельность подстилочных и норных дождевых червей играет ключевую роль в механическом разрушении и измельчении растительного опада. Изме нение размера частиц органического вещества приводит к модификации каче ства пищевых ресурсов и условий жизни практически всех обитателей почвы и подстилки. Однако степень физической модификации растительных остатков при питании дождевых червей до сих пор не получила полной количественной оценки.

В лабораторном эксперименте при содержании L. terrestris в смеси круп ных (4 см2) фрагментов липового опада и промытого песка средний размер органических частиц в копролитах составлял 0.035 мм2 (медиана 0.46*10- мм2). При переносе животных в опад без песка размер частиц опада увеличи вался по мере снижения доли минеральной фракции в копролитах (Рис. 4.1).

0.004 Доля песка, % 0. Медиана, мм 0. 0. 0.000 1 3 8 сутки Рис. 4.1. Размер частиц опада (колонки) и массовая доля минеральной фракции (линия) в копролитах L. terrestris, собранных 1, 3, 8 и 22 дня после переноса L. ter restris из смеси опада с песком в чистый липовый опад. Вертикальные линии пока зывают стандартное отклонение, n = 5.

Дождевые черви не обладают склеротизированным ротовым аппаратом, поэтому растительный материал попадает в пищевод относительно крупными фрагментами. Основное измельчение происходит в мускульном желудке при участии минеральных частиц. Подстилочные и норные черви предпочитают смесь почвы и опада чистому опаду, и могут активно выбирать и заглатывать минеральные частицы (Heine and Larink 1993;

Doube et al. 1997). Отрицатель ная корреляция (r = -0.802, р0.01) между количеством песка и размером орга нических частиц в копролитах свидетельствует о том, что минеральные части цы играют ключевую роль в процессе измельчения опада. Можно было бы ожидать, что часть песчинок удерживается (подобно гастролитам позвоноч ных) в мускульном желудке на продолжительный срок, но наши данные не подтверждают этого. Полное очищение пищеварительного тракта от мине ральных частиц происходит за 4-5 суток.

Доля частиц, %.

L. terrestris L. rubellus A. caliginosa O. tyrtaeum Размерные классы, мм :

0.0001 0.001 0.01 0.1 0. Рис. 4.2. Доля органических частиц разного размера в копролитах четырех видов дождевых червей (полевые сборы). Вертикальные линии показывают стандартное отклонение, n = 5.

В копролитах L. terrestris и других видов дождевых червей, собранных в полевых условиях, также преобладали мелкие (0.01 мм2) фрагменты органи ческого материала (Рис. 4.2). Средний размер органических частиц был досто верно выше в копролитах подстилочных червей Lumbricus rubellus (0.098 мм2), чем в копролитах L. terrestris (0.044 мм2) и двух эндогейных видов, Aporrecto dea caliginosa и Octolasion tyrtaeum (0.019 и 0.021 мм2, соответственно).

Глава 5. Влияние механического разрушения опада на подвижность азота, микробную активность, и скорость деструкции Многие химические и микробиологические особенности копролитов дож девых червей и других почвенных животных могут являться следствием изме нения физической структуры почвы и опада в кишечнике, прежде всего меха нического разрушения растительных остатков (Satchell 1967;

Swift et al. 1979;

Стриганова 1980;

Lee 1985). Особого внимания заслуживает влияние механи ческого разрушения растительных остатков на минерализацию азота, посколь ку повышение подвижности биогенных элементов в копролитах признается одним из основных механизмов положительного воздействия дождевых чер вей на продуктивность растений (Edwards and Bohlen 1996;

Scheu 2003).

Мы провели ряд лабораторных экспериментов, целью которых было оце нить влияния механического измельчения опада на подвижность соединений азота, и сопоставить эффект измельчения с интенсивностью минерализации азота в кишечнике дождевых червей. Эксперименты показали, что механиче ское разрушение растительного опада приводит к существенному повышению эффективности экстракции подвижного азота (экстракция 1% KAl(SO4)2 в те чение четырех часов). Зависимость экстрагируемости подвижного азота от размера частиц достаточно хорошо описывается степенной функцией (r2 = 0.560 и 0.770 для липового и букового опада соответственно). Медианный размер частиц опада в копролитах L. terrestris (в отсутствие минеральной поч вы) составляет менее 0.003 мм2. Согласно нашим расчетам, в свежих копроли тах L. terrestris доля подвижного азота, освобожденного из опада благодаря его механическому разрушению, составляет около 50% от общего содержания подвижного азота (Рис. 5.1).

Буковый опад Липовый опад - Б копролиты подвижный N, мкг г Л копролиты -0. Бук: y = 393.9 x -0. Липа: y = 220.9 x 100 10 1 0.1 0.01 0. размер частиц, мм Рис. 5.1. Содержание подвижного азота (мкг г-1 сухого веса) в липовом и буковом опаде в зависимости от медианы размера частиц, а также в свежих копролитах L.

terrestris. Л и Б копролиты получены, соответственно, при питании липовым и буко вым опадом. Линии показывают степенную регрессию.

Сравнение содержания подвижного азота в копролитах L. terrestris при питании разными субстратами подтверждает этот вывод1. Увеличение (по При расчетах мы допускали, что уровень азотной экскреции червей примерно одинаков при питании разными субстратами, и не снижается при голодании, в данном случае при пи тании минеральной почвой (Christensen 1987).

сравнению с пищей) содержания Nмин в свежих копролитах L. terrestris при пи тании минеральной почвой, липовым и буковым опадом составило 128±23, 347±37 и 375±9 мкг N г-1 сырого веса соответственно. Содержание Nмин в ко пролитах из почвы можно принять за максимально возможный уровень экс креции, из чего следует, что основная доля (60-65%) общего прироста содер жания подвижного азота в копролитах при питании опадом не связана с экскрецией продуктов азотного обмена. Скорее всего, эта доля еще выше, по скольку уровень азотной экскреции L. terrestris существенно меньше исполь зованного при расчетах (Binet and Trehen 1992). Таким образом, характерное для копролитов дождевых червей увеличение подвижности азота, относимое обычно на счет экскреции и/или стимуляции микробной минерализации азота в кишечнике (Needham 1957;

Scheu 1987;

Тиунов 1989) можно (по крайней ме ре для подстилочных и норных видов) более чем наполовину объяснить физи ческим воздействием на пищевые субстраты.

Анализ литературных данных и собственные эксперименты показывают, что измельчение растительных остатков сопровождается увеличением мик робного дыхания, которое, однако, обычно снижается ниже исходного уровня в течение нескольких дней или недель (Рис. 5.2). Очень похожая динамика микробного дыхания характерна и для копролитов L. terrestris (см. Рис. 6.1).

Таким образом, резкое увеличение микробного дыхания в свежих копролитах дождевых червей и его последующее снижение также можно в большой сте пени связать с механическим измельчением опада в кишечнике.

_ y = 33.2-15.1 Ln(x) отклонение от контроля, % r = 0.168;

p 0. - - 0 10 20 30 сутки Рис. 5.2. Изменения микробного дыхания в механически измельченных раститель ных остатках при кратковременной (менее 50 суток) инкубации (в ряде случаев в смеси с почвой) по данным разных авторов. Контроль – дыхание в исходных мате риалах. Темные точки – собственные данные.

В процессе питания дождевых червей происходит перемешивание разных видов растительных остатков в кишечнике. Характер и механизмы влияния разнообразия (числа видов) растительного опада на скорость его деструкции остаются предметом дебатов (Gartner and Cardon 2004;

Httenschwiler et al.

2005;

Wardle 2006). Проведенные до настоящего времени эксперименты, за немногими исключениями (Httenschwiler and Gasser 2005), не учитывали дея тельность почвенной макрофауны. Между тем, в естественных условиях био химическая деструкция опада предваряется его механическим разрушением почвенными животными.

Мы показали, что связь между разнообразием опада и скоростью его де струкции зависит от размера частиц. При смешивании крупных фрагментов четырех видов растительного опада (осина, ольха, дуб, сосна) деструкция не сколько ускорялась с увеличением разнообразия. В механически измельчен ном опаде скорость деструкции уменьшалась с увеличением числа видов в смеси. Данная зависимость была наиболее четко выражена на ранних, самых активных стадиях деструкции (Рис. 5.3). Механизмы этого явления пока непо нятны. Общая потеря веса опада за весь срок эксперимента (140 суток) была более тесно связана с его разнообразием в случае крупных (r = 0.415, p 0.0001), чем в случае мелких фрагментов (r = -0.187, p = 0.079).

Мелкие фрагменты 0.6 0. F = 27.8;

p 0.0001;

n = Отклонение, мг С 0.2 0. -0.2 -0. -0.6 -0. Крупные фрагменты F = 0.7;

p = 0.542;

n = -1.0 -1. 1 2 3 4 1 2 3 число видов число видов Рис. 5.3 Отклонение (мг С-СО2 г-1 сутки-1) дыхания смесей опада от ожидаемого в зависимости от числа видов в смеси и размера фрагментов (43 сутки эксперимен та). Ожидаемое дыхание вычислялось на основе дыхания четырех видов опада в монокультуре.

Согласно гнездовому (nested) дисперсионному анализу, как потеря веса, так и интенсивность дыхания, в большей степени зависели от свойств отдель ных видов опада или конкретных комбинаций видов в смеси. Однако до 10 15% общей дисперсии может быть объяснено разнообразием видов раститель ных остатков. Таким образом, перемешивание разных видов растительных ос татков оказывает влияние на скорость деструкционных процессов в почве, но сила и даже направление этого влияния зависит от деятельности почвенных макроорганизмов – механических деструкторов опада.

Глава 6. Обилие и активность микроорганизмов в копролитах дождевых червей L. terrestris В процессе питания дождевые черви потребляют растительные остатки и минеральную почву, которые смешиваются в их пищеварительном тракте. Та ким образом, микробная активность в копролитах формируется под влиянием (а) собственно прохождения почвы или опада через кишечник и (б) смешива ния в кишечнике минеральной почвы и растительных остатков. Чтобы разли чить эти два типа воздействия, мы сравнивали реальные показатели микроб ной активности в копролитах L. terrestris с "ожидаемыми", рассчитанными на основании соответствующих показателей в почве и подстилке, и массовой до ле этих компонентов в копролитах. Массовая доля опада в копролитах (К) рас считывалась согласно простой модели смешивания:

К = (Cкопролиты - Cпочва) / (Cопад - Cпочва), где Cкопролиты, Cпочва и Cопад – соответственно содержание углерода в копролитах и исходных субстратах.

Свежие (1-суточные) и инкубированные в течение 5, 10 и 100 суток ко пролиты L. terrestris были получены в длительном лабораторном эксперимен те, в котором животных содержали в четырех комбинациях почвы и опада:

Вариант ЛЛ: опад липы (Сорг 35.2%, Смик 13.6 мг г-1) и почва из липового леса (Сорг 2.2%, Смик 0.5 мг г-1).

Вариант ЛП: опад липы и почва из букового леса (Сорг 7.4%, Смик 0.9 мг г-1).

Вариант БП: опад бука (Сорг 37.4%, Смик 13.2 мг г-1) и почва из букового леса.

Вариант П: почва из букового леса без опада.

Показатели микробной активности в свежих копролитах очень сильно различались в разных вариантах опыта (для всех параметров микробной ак тивности F50.0;

p0.001). Например, микробная биомасса в копролитах из варианта ЛЛ составляла 2.3±0.3 мг Смик г-1, против 1.5±0.1 в варианте БП.

Примерно в такой же степени различались микробное дыхание и суммарный объем микроорганизмов.

Основные параметры микробной активности в копролитах зависели, пре жде всего, от массовой доли растительного материала, и в существенно мень шей степени от общего содержания органического углерода (Табл. 6.1). В этой ситуации единственным способом адекватной оценки влияния прохождения опада и почвы через кишечник червей на микробные популяции явилось срав нение реальных и ожидаемых показателей микробной активности.

Таблица 6.1. Линейная корреляция (r 2) между показателями микробной активности и содержанием органического углерода и массовой долей опада в свежих копроли тах L. terrestris. *p0.05;

**p0.001;

n=15-20;

ns = недостоверно.

Содержание углерода Доля опада Базальное дыхание 0.514 ** 0.966 ** Микробная биомасса 0.651 ** 0.953 ** Объем грибного мицелия 0.005 ns 0.450 ** Объем бактериальных клеток 0.191 ns 0.266 * Суммарный микробный объем 0.004 ns 0.610 ** А ЛП БП 60 60 ЛЛ 30 Дыхание 0 -30 - -60 -60 - Б 20 20 0 0 Биомасса -20 -20 - -40 -40 - В 80 80 Объем 40 40 0 -40 - - 1 5 10 100 1 5 10 1 5 10 срок инкубации (сутки) Рис. 6.1. Разница (в %) между реальными и ожидаемыми показателями базального дыхания (А), микробной биомассы (Б) и объема микробных клеток (В) в копролитах L. terrestris после 1, 5, 10 и 100-суточной инкубации в почве. Светлые столбики: ре альные и ожидаемые показатели не отличаются (t-тест, n = 5, p0.05). Ожидаемые показатели соответствуют микробной активности в смеси почвы и опада с тем же содержанием органического углерода, что и копролиты червей. ЛЛ: почва липняка + липовый опад;

ЛП: почва букового леса + липовый опад;

БП: почва и опад из буко вого леса.

Разница между реальными и ожидаемыми показателями в копролитах не превышала 120% для базального дыхания и вообще отсутствовала для мик робной биомассы (Рис. 6.1), хотя почва и опад по уровню микробной активно сти отличались на один-два порядка. Кроме того, сравнение реальных и ожи даемых показателей выявило, что влияние прохождения пищи через кишечник дождевых червей на микробную активность было сходным в разных вариантах эксперимента (Табл. 6.2). Таким образом, ключевые характеристики микроб ной активности в копролитах определяются, прежде всего, свойствами потреб ляемых червями субстратов.

Слабое влияние собственно трофического воздействия L. terrestris на микробную активность особенно отчетливо видно в более простых (но хуже отражающих естественную ситуацию) вариантах опыта, в которых черви пи тались почвой без опада (вариант П) и опадом без добавления почвы (допол нительные эксперименты). Прохождение этих субстратов через кишечник чер вей не сопровождалось достоверными изменениями микробной биомассы (F1,10=3.5;

p=0.092 в почве;

F1,10=1.84;

p=0.205 в опаде бука и F1,12=0.07;

p=0. в опаде липы). Прямое микроскопическое измерение микробного объема в свежих копролитах в основном подтверждает, что влияние прохождения пищи через кишечник на общий объем микробных клеток невелико.

Таблица 6.2. Результаты двухфакторного дисперсионного анализа влияния вида пищевых субстратов и срока инкубации на разницу между реальными и ожидаемы ми показателями микробной активности в копролитах L. terrestris. Факторы: Вариант опыта (ЛЛ, ЛП, БП) и Возраст копролитов (инкубация в течение 1, 5, 10 и 100 суток).

Вариант Возраст Вариант % SS копролитов Возраст опыта Базальное дыхание 24.2** 46.3** 5.6** 82. Микробная биомасса 3.1 ns 18.3** 5.1** 65. Объем мицелия 0.9 ns 38.5** 7.8** 77. Объем бактерий 7.8* 9.1** 3.4* 56. Общий микробный объем 3.0 ns 51.9** 7.4** 81. Отношение объема грибов и бактерий 8.5** 0.1 ns 4.7** 48. Приведены значения F-критерия. *p0.01;

**p 0.001;

ns = недостоверно. % SS = доля объясненной дисперсии.

Похожие результаты были получены в ряде экспериментов с эндогейны ми и эпигейными видами червей (напр. Daniel and Anderson 1992;

Scheu 1987;

Scullion et al. 2003;

см. также Рис. 2.1). В то же время доступность для микро организмов азота и фосфора очень сильно увеличивалась при прохождении почвы или опада через кишечник червей (p0.001), что также соответствует литературным данным (Sharpley and Syers 1976, 1977;

Parkin and Berry 1994).

Кратковременная инкубация копролитов в почве ведет к весьма сущест венным изменениям микробной активности. Базальное дыхание и микробная биомасса очень резко снижались в первые дни инкубации, аналогично менялся и микробный объем в вариантах ЛЛ и ЛП (Рис. 6.1). Снижение микробной ак тивности при инкубации копролитов можно связать преимущественно с уменьшением доступности углерода, азота и фосфора для микроорганизмов.

Снижение микробной активности в "старых" копролитах предполагает, что присутствие в почве дождевых червей далеко не всегда приводит к обще му повышению микробной активности почвы. Это подтверждают данные не которых опубликованных экспериментов (Wolters and Joergensen 1992;

Dev liegher and Verstraete 1995;

Zhang and Hendrix 1995).

Сравнение данных из варианта П нашего эксперимента с данными по микробной активности и динамике минеральных форм азота в копролитах эндогейных червей Aporrectodea caliginosa (Scheu 1987, 1987;

Тиунов 1989, 1991, 1993) показывает, что эндогейные и норные черви при питании мине ральной почвой оказывают на нее сходное воздействие. С другой стороны, при питании растительным опадом параметры микробной активности близки в ко пролитах L. terrestris и подстилочного вида L. rubellus (Scullion et al. 2003).

Таким образом, влияние дождевых червей разных морфо-экологических групп на микробную активность почвы (биомасса, дыхание) и на динамику минеральных форм азота по-видимому мало специфично.

Глава 7. Формирование таксономического состава микробного сообщест ва в копролитах дождевых червей Механизмы формирования микробных сообществ в копролитах дождевых червей обычно обсуждаются в контексте переваривания, подавления или сти муляции отдельных видов микроорганизмов в кишечнике (Стриганова и др.

1988;

Striganova 1995;

Brown 1995;

Бызов 2005). Высокая селективность пита ния червей редко принимается во внимание (Martin and Marinissen 1993;

Schnholzer et al. 1999). Закономерности формирования микробных сообществ в копролитах подстилочных и норных червей в естественных условиях пита ния (в которых черви потребляют как растительные остатки, так и минераль ную почву) никогда не исследовались. В настоящей главе пути формирования таксономического состава микроорганизмов в копролитах L. terrestris рас сматриваются преимущественно на примере сапротрофных микромицетов.

Материал для анализа микробных сообществ в копролитах L. terrestris был получен в лабораторных и полевых экспериментах. В лабораторном экс перименте (см. главу 6) анализировали почву, опад и копролиты из следующих вариантов: (П) почва из букового леса, (БП) почва из букового леса + опад бу ка, и (ЛП) почва из букового леса + опад липы. "Старые" копролиты были по лучены путем 100-дневной инкубации в почве из букового леса. Был проведен также ряд дополнительных экспериментов, в которых L. terrestris кормили разными видами растительного опада. Сбор полевого материала был проведен в липовом лесу. Были исследованы верхний слой минеральной почвы (0-2 см, "Почва");

липовый опад ("Опад");

и кучки опада над устьем нор L. terrestris.

Опад из кучек был разобран на две фракции: опад из устья норы ("Н-Опад") и копролиты червей ("Копролиты").

Эксперименты показали, что прохождение минеральной почвы или расти тельного опада через кишечник L. terrestris оказывает слабое влияние на со став и структуру доминирования грибных сообществ. В варианте П лабора торного эксперимента только у 4 из 37 выделенных видов грибов относительное обилие достоверно изменилось в копролитах по сравнению с почвой. Суммарное обилие этих видов в почве составляло менее 10%. При кормлении L. terrestris липовым опадом структура грибного сообщества также практически не отличалась в опаде и копролитах (дискриминантный анализ: р 0.350), хотя относительное обилие некоторых таксонов изменилось. Ни один из доминирующих в опаде видов микромицетов (1.5% относительного оби лия) не исчез в копролитах. Аналогичные результаты были получены и при кормлении L. terrestris другими видами опада.

Сообщество микромицетов в копролитах червей при питании почвой и опадом представляло собой смесь "подстилочных" и "почвенных" видов, при чем их относительное обилие зависело от массовой доли почвы и опада в ко пролитах (Рис. 7.1, 7.2). Таким образом, основным механизмом формирования грибного сообщества копролитов является, по-видимому, перемешивание в пищеварительном тракте растительного опада и минеральной почвы. Прохож дение пищи через кишечник сопровождалось изменением относительного обилия некоторых видов грибов. Однако эти изменения были невелики и за очень немногими исключениями недостоверны.

Считается, что мицелий грибов может составлять важный компонент пи щи дождевых червей (Dash et al. 1984, 1986;

Edwards and Fletcher 1988;

Tiwari et al. 1990;

Doube and Brown 1998). Черви, по-видимому, являются слишком крупными животными для того, чтобы иметь возможность эффективно выби рать из почвы грибной мицелий, и тем более мицелий определенных видов грибов. Однако состав грибного сообщества в потенциальных пищевых суб стратах влияет на их привлекательность для дождевых червей (Cooke 1983;

Moody et al. 1995;

Марфенина и Ищенко 1997;

Bonkowski et al. 2000).

В нашем эксперименте прохождение почвы и опада через кишечник L.

terrestris привело к значительному увеличению числа незаселенных грибами органических фрагментов в копролитах (Рис. 7.1) и к уменьшению (как прави ло, формально не достоверному) обилия отдельных видов. По приблизитель ной оценке доля таких "чувствительных" видов составляла 8-10, 20-25 и 10 15% от общего обилия микромицетов в почве, липовом и буковом опаде, соот ветственно. Большая часть этих грибов относится к темноокрашенным ранним колонизаторам опада и к мукоровым грибам. Именно эти группы микромице тов, или заселенные ими субстраты, обычно предпочитаются в качестве пище вых объектов как дождевыми червями, так и почвенными микроартроподами (Марфенина и Ищенко 1997;

Shaw 1992;

Maraun et al. 1998, 2003;

Schneider and Maraun 2005).

"Почвенные грибы" "Подстилочные грибы" _ Число фрагментов Грибы не изолированы Почва П копр. Опад БП копр. Опад ЛП копр.

бука липы Рис. 7.1. Число органических фрагментов, заселенных "почвенными" и "подстилоч ными" видами грибов, в почве, двух видах опада, и в свежих копролитах L. terrestris.

Копролиты были получены в микрокосмах с почвой (П), почвой и буковым опадом (БП), с почвой и липовым опадом (ЛП). Вертикальные линии показывают стандарт ное отклонение, n = 4. Массовая доля растительного опада в копролитах составля ла 5.6 и 18.3% в вариантах БП и ЛП, соответственно.

Для копролитов червей в вариантах со смешанным питанием была харак терна высокая численность грибов рода Trichoderma. Несмотря на то, что уве личение обилия отдельных видов не достигало уровня достоверности, суммар ное обилие Trichoderma spp увеличилось значительно, особенно в варианте с липовым опадом (с 38.8 до 53.9%).

При инкубации копролитов в почве произошла существенная перестройка структуры сообщества микромицетов. В частности, относительное обилие Trichoderma spp. снизилось почти в два раза, а обилие "почвенных" грибов, та ких как Absidia и Penicillium spp. возросло. Однако отличия копролитов (в слу чае смешанного питания) от вмещающей почвы остались весьма существен ными и статистически достоверными по использованному критерию.

Почва "П" копролиты Буковый опад "БП" копролиты Липовый опад "ЛП" копролиты Ось 2;

p0. - - - - -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 Ось 1;

p0. Рис. 7.2. Ординация сообщества микромицетов в почве, подстилке, и копролитах дождевых червей в осях канонического анализа. Эллипсы ограничивают область 95% вероятности, n = 4. Лабораторный эксперимент.

В полевом эксперименте сообщество микромицетов в копролитах также состояло из смеси почвенных и подстилочных видов (Рис. 7.3). Мы не обна ружили видов, которые были бы выделены только из копролитов, и наоборот, все обильные (4%) в почве или подстилке виды были обнаружены и в копро литах. В то же время в копролитах, по сравнению с подстилкой, было резко снижено обилие темноокрашенных ранних колонизаторов опада (Alternaria, Cladosporium). Вероятно, эти виды микромицетов действительно переварива ются или ингибируются в кишечнике дождевых червей (Стриганова и др.

1988;

Moody et al. 1996). Однако возраст копролитов, собранных в полевых ус ловиях, не был известен. Не исключено, что на формирование комплекса мик ромицетов в копролитах оказывала влияние трофическая активность микофа гов, численность которых высока в зоне норы L. terrestris.

В отличие от лабораторного эксперимента, в полевых условиях обилие грибов рода Trichoderma было довольно невелико в копролитах (в сумме 5%).

Большие различия таксономического состава сообщества грибов в копролитах L. terrestris, как в разных вариантах лабораторного эксперимента, так и в поле вом опыте, можно рассматривать как свидетельство неспецифичности сообще ства микромицетов в копролитах, и его зависимости от состава сообщества в потребляемых субстратах.

Копролиты Ось 2;

p=0. Опад и Н-Опад - Почва - - -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 Ось 1;

p0. Рис. 7.3. Ординация сообщества мицелиальных микромицетов в почве, опаде, опа де из устья нор (Н-Опад) и копролитах дождевых червей. Эллипсы ограничивают область 95% вероятности, n = 4. Полевой эксперимент.

Большинство видов почвенных и подстилочных микромицетов способно пережить прохождение через кишечник L. terrestris, хотя это может сопровож даться снижением их абсолютного или относительного обилия. Таким обра зом, дождевые черви могут быть важными агентами распространения грибов и других микроорганизмов в почве. Этот вопрос многократно исследовался экс периментально (напр. Reddell and Spain 1991;

Pattinson et al. 1997), в частности в связи с возможностью распространения дождевыми червями патогенных и генетически модифицированных микроорганизмов (Henschke et al. 1989;

Hei jnen and Marinissen 1995;

Thorpe et al. 1996;

Joergensen et al. 1998). Форические связи дождевых червей и грибов могут ускорять колонизацию поступающего на поверхность почвы растительного опада почвенными грибами, и способст вовать проникновению подстилочных грибов глубоко в почвенные горизонты.

Весьма вероятно, что в лесных экосистемах умеренного климата масштабная форическая деятельность L. terrestris и других норных дождевых червей не дублируется в полной мере другими механизмами.

Глава 8. Свойства почвы и микробная активность в стенках нор дожде вых червей Питаясь и передвигаясь в почве, дождевые черви создают систему нор, объем которых может составлять более одного процента от общего объема верхних горизонтов почвы, а площадь поверхности – нескольких квадратных метров на 1 м2 поверхности почвы (Димо 1938;

Kretzschmar 1978, 1982). Еще в 1970-х годах было отмечено, что, по сравнению с окружающей почвой, в стен ках нор дождевых червей микробная активность резко повышена (Loquet et al.

1977;

Bouch 1980). Продолжительность существования индивидуальной норы зависит от вида червя и положения норы в почвенном профиле (Ligthart 1997).

Для эндогейных червей характерно постоянное перемещение в почве, при этом вновь вырытые ходы вскоре заполняются копролитами (Kretzschmar 1983).

Однако лабораторные и полевые наблюдения показывают, что как эндогейные, так и почвенно-подстилочные виды червей пользуются частью своих нор на протяжении длительного времени (Martin 1982;

Shipitalo et al. 1988). Норные виды, такие как L. terrestris, постоянно обитают в глубоких субвертикальных норах;

по нашим наблюдениям время существования индивидуальной норы может достигать шести лет.

Мы провели серию комплексных исследований влияния стенок нор дож девых червей L. terrestris на разные компоненты почвенной биоты, по пре имуществу в полевых, но также и в лабораторных условиях (Тиунов 1993а, 1993б, 2003;

Полянская и Тиунов 1996;

Тиунов и др. 1997, 2001;

Звонкова и Тиунов 1997;

Тиунов и Кузнецова 2000;

Tiunov and Scheu 1999;

Tiunov 2000, Tiunov et al. 2001;

Tiunov and Dobrovolskaya 2002).

Стенки нор (слой почвы толщиной 4-5 мм, прилегающий к просвету но ры) существенно отличаются по химическому составу от вмещающей почвы.

В них содержится в 3-7 раз больше органического вещества, чем в интактной почве соответствующего горизонта, больше доля органического вещества, не связанного с минеральной частью почвы (детрита) – 20-40% против 5-18 в контрольной почве, ниже степень гумификации органики – 23-25% против 37 48% в почве. Свойства органического вещества в стенках нор довольно слабо меняются до глубины 25-35 см. В стенках нор повышено содержание мине ральных форм азота и фосфора, однако доступность этих элементов для мик роорганизмов не выше, чем в интактной почве.

Базальное дыхание и биомасса микроорганизмов в несколько раз выше в стенках нор, чем в контрольной почве (Рис. 8.1). Объем бактерий повышен в стенках нор в 1.5 – 3.5 раз (Рис. 8.2), а при использовании метода посева число КОЕ в стенках нор нередко на порядок больше, чем в контрольной почве.

Микроорганизмы в стенках нор более активны, чем в интактной почве, и бы стрее реагируют на увеличение доступности ресурсов.

В отличие от копролитов, стенки нор – весьма стабильные местообитания.

Даже при удалении червя из норы основные показатели микробной активности мало меняются в течение длительного времени (за три месяца длина грибного мицелия в стенках нор не изменилась, а число бактериальных клеток снизи лось в 1.5-2 раза, но осталось достоверно выше, чем в окружающей почве: по левой эксперимент в липовом лесу).

Липняк Дубрава Бучина - ч А - мкл O 2 г 2 10 50 2 10 50 2 10 Б - С мик, мг г 2 10 50 2 10 50 2 10 Расстояние до норы, мм Рис. 8.1. Базальное дыхание (А) и микробная биомасса (Б) в почве на расстоянии 2, 10 и 50 мм от норы L. terrestris в липовом, дубовом и буковом лесу. Пробы были взяты на глубине 5-10 см в июне (светлые столбики) и в октябре (темные столбики).

Вертикальные линии показывают стандартное отклонение, n=3.

Липняк Дубрава Бучина А - мм г 2 10 50 2 10 50 2 10 4 Б - мм г 2 10 50 2 10 50 2 10 Расстояние до норы, мм Рис. 8.2. Общий объем грибного мицелия (А) и бактериальных клеток (Б) в почве на расстоянии 2, 10 и 50 мм от норы L. terrestris в липовом, дубовом и буковом лесу.

Пробы были взяты на глубине 5-10 см в июне (светлые столбики) и в октябре (тем ные столбики). Вертикальные линии показывают стандартное отклонение, n=3.

Основным механизмом формирования микробной активности в стенках нор является обогащение органическим веществом в форме копролитов. Дру гие механизмы, в том числе экскреция мукуса и продуктов азотного обмена животных играют подчиненную роль. На это указывает: (а) Явное сходство ключевых показателей микробной активности в стенках нор и в "старых" ко пролитах червей (Табл. 8.1). (б) Незначительное увеличение микробной актив ности в стенках нор, не выстланных копролитами (Tiunov et al. 2001). (в) Зави симость параметров микробной активности от свойств почвы и опада, как в полевых условиях (Рис. 8.2), так и в лабораторном эксперименте (Табл. 8.2).

(г) Длительное сохранение высокой микробной активности после удаления червя из норы.

Таблица 8.1. Свойства стенок нор L. terrestris в полевых условиях (липовый лес, глубина 5-10 см), в лабораторном эксперименте (почва липового леса + опад липы) и копролитов L. terrestris разного возраста, полученных в этом же эксперименте.

Копролиты, возраст Стенки нор Лаборато 1 5 10 Поле день дней дней дней рия C (%) 6.5 6.8 7.6 6.8 (1.5) 5.7-7.1 4.8 (0.4) - N (мг г ) 4.2 4.0 4.4 4.4 (0.1) 3.1-3.7 3.4 (0.2) нд нд pH (CaCl2) 5.9 6.1 (0.4) 5.1-5.6 5.4 (0.2) - Nмин (мкг г ) 358.6 261.8 122.1 95.5 (31.8) 37-76 178 (33) - PO4-P (мкг г ) нд 49.6 30.8 34.3 16.2 (3.5) 14.0 (6.6) Микробное дыхание, 28.4 24.0 21.6 9.9 (1.8) 9.2-17.7 6.5 (1.9) мкл O2 г-1 час- Микробная биомасса, 2.26 2.00 2.40 1.54 (0.26) 1.53-1.97 1.15 (0.32) мг Смик г- Удельное дыхание 12.0 11.8 8.1 6.6 (1.9) 6.0-9.0 6.4 (1.3) - мкл О2 мг Смик час Объем грибного 5.0 4.7 4.1 2.8 (0.4) 3.6-4.2 2.6 (0.3) 3 - мицелия, мм г Объем бактерий, 1.5 1.20 1.10 0.39 (0.18) 0.8-2.3 0.46 (0.15) 3 - мм г Грибной : бактериаль- 4.0 4.3 3.9 8.1 (3.6) 1.9-4.6 6.3 (2.6) ный объем Для 100-суточных копролитов и стенок нор из лабораторного эксперимента в скоб ках указано стандартное отклонение (n=4-5). Для стенок нор в естественных усло виях приведен диапазон средних значений. Подчеркнуты показатели, сходные в 100-суточных копролитах и в стенах нор (t-test);

нд = нет данных.

Содержание органического вещества в стенках нор снижается с глубиной не так резко, как в окружающей почве, поэтому общий вклад стенок нор в микробную активность почвы достигает максимума в глубоких минеральных горизонтах (Loquet et al. 1977;

Stehouwer et al. 1993;

Joergensen et al. 1998). При этом функциональная и таксономическая структура микробных комплексов в стенках нор на разных глубинах может существенно различаться. Например, в почве липового леса мы обнаружили снижение длины грибного мицелия в стенках нор на глубине 3-10 см, но увеличение по сравнению с почвой на глу бине 15-30 см (Рис. 8.3).

Таблица 8.2. Результаты двухфакторного дисперсионного анализа влияния Норы (почва на расстоянии 2 и 50 мм от норы L. terrestris) и Типа почвы (почва и опад из липового и букового леса) на микробную активность почвы. Лабораторный экспери мент продолжительностью 165 суток.

Тип почвы Тип почвы Нора % SS Нора Базальное дыхание 7.6 * 8.9 * 2.8 70. Микробная биомасса 30.1 *** 49.8 *** 14.5 ** 88. Объем грибов 108.9 *** 13.0 ** 2.4 91. Объем бактерий 10.4 ** 26.0 *** 9.8 ** 79. Отношение объема 67.4 *** 11.3 ** 9.6 ** 88. грибов и бактерий Приведены значения F-критерия. % SS = доля объясненной дисперсии;

*p 0.05;

**p 0.01;

***p 0.001.

Б) В) А) * 6-15 см 10 мм * * 2 мм 15-30 см 0 10 20 30 0 2000 4000 6000 8000 0 100 200 9 -1 -1 - бактерии *10 г грибы, м г актиномицеты, м г Рис. 8.3. Число бактериальных клеток (А), длина грибного (Б) и актиномицетного (В) мицелия в стенках нор L. terrestris (2 мм) и в окружающей почве (10 мм) на глубине 6-15 и 15-30 см. Пробы взяты в сентябре в липовом лесу. Звездочки показывают достоверную разницу между почвой и стенками норы (t-test, n=4-6).

Зона влияния норы на микробную активность почвы распространяется по крайней мере на 4-5 мм окружающей почвы. Таким образом, объем затронутой этим воздействием почвы довольно значителен. В верхних 20 см почвенного профиля липового леса он составляет 1.5-2 литра (до 1% от всего объема поч вы). В разных биогеоценозах норы L. terrestris оказывают в общем сходное влияние на микробную активность почвы, но имеются и существенные ло кальные различия. Например, в дубовом и буковом лесу объем грибного мице лия в стенках нор был примерно в два раза выше, чем в контрольной почве.

Однако в липняке объем мицелия в стенках нор (не глубине 5-15 см) был та ким же, как в окружающей почве, или даже несколько меньше (Рис. 8.2;

8.3).

Причины этого явления недостаточно понятны. Возможно, оно объясняется резко увеличенным в зоне норы обилием нематод-микофагов.

Глава 9. Таксономический состав микробных сообществ в стенках нор дождевых червей В стенках нор L. terrestris происходит не только значительное увеличение общего обилия и активности микроорганизмов, но и перестройка таксономи ческой структуры микробных сообществ. В верхней части почвенного профи ля (до глубины 15-20 см) в стенках нор обычно доминируют характерные для органических субстратов группы бактерий. Таксономический состав бактерий в стенках нор L. terrestris весьма стабилен во времени, в то время как уже на расстоянии 10 мм от норы обнаружены резкие сезонные колебания таксоно мического состава бактериального комплекса, сопровождавшиеся сменой до минантов (Рис. 9.1). Даже спустя три месяца после удаления червя из норы структура бактериального сообщества достоверно различалась в стенках нор и в окружающей почве (Рис. 9.2).

Тем не менее, состав микробного комплекса в стенках нор не специфичен.

Так, в липовом лесу в 1994 г. в стенках нор в верхней части почвенного про филя доминировали спириллы, а в 1995 – Cellulomonas и Promicromonospora.

Эти же формы доминировали в стенках нор в лабораторном эксперименте с почвой липового леса. В то же время в почве букового леса доминантами в стенках нор оставались типично почвенные формы Bacillus и Streptomyces.

Состав сообщества почвенных микромицетов в стенках нор L. terrestris также очень существенно различался в разных типах почвы (Рис. 9.3). Тем не менее, можно отметить некоторые общие закономерности. В контрольной почве доминировали грибы рода Cylindrocarpon (преимущественно C.

destructans), но в стенках нор их обилие было резко понижено. В почве липо вого леса в стенках нор L. terrestris было обнаружено много видов, типичных для липового опада, прежде всего Trichoderma koningii и Mucor hiemalis. Ана логичным образом, в почве букового леса высокого обилия в стенках нор дос тигали Mortierella gamsii и Trichoderma pseudokoningii, характерные для буко вого опада и свежих копролитов L. terrestris из букового леса.

Основным механизмом формирования таксономического состава микроб ного населения стенок нор является транслокация растительных остатков с по верхности почвы в минеральные горизонты. Тем не менее, сообщество стенок нор имеет свои особенности, и не идентично таковому опада и копролитов (Табл. 9.1). В частности, для стенок нор характерно почти полное отсутствие темноокрашенных ранних колонизаторов опада, например Alternaria или Cladosporium. Как обсуждалось выше, эти грибы существенно страдают при прохождении через кишечный тракт дождевых червей.

2 мм 10 мм июнь июль август сентябрь 1 2 3 4 5 6 7 8 1 2 3 4 5 6 7 Рис. 9.1. Сезонная динамика таксономической структуры бактериальных комплек сов в почве на расстоянии 2 и 10 мм от норы L. terrestris. Глубина 3 - 10 см. Липо вый лес, полевые исследования. Вертикальные линии показывают стандартное от клонение, n=3. 1 - Aquaspirillum, 2 - Cytophaga, 3 - Azotobacter, 4 - Myxobacterales, 5 другие G-, 6 - Bacillus, 7 - Streptomyces, 8 - Coryneform bacteriae.

Не выстланные копролитами стенки нор L. terrestris отличаются по струк туре сообщества микромицетов как от вмещающей почвы, так и от нор, вы стланных копролитами (Рис. 9.3). Эти отличия невелики, но они указывают на то, что формирование специфического микробного сообщества стенок нор оп ределяться не только поступлением копролитов червей. На состав и актив ность микробного комплекса стенок нор может оказывать влияние изменение физической структуры почвы вокруг норы (Binet and Curmi 1992) и поступле ние доступного углерода и азота в форме поверхностного мукуса и продуктов азотного обмена червей (Needham 1957;

Scheu 1991). Не исключено, что по верхностные секреты дождевых червей содержат вещества, подавляющие рост некоторых видов грибов и бактерий. Наконец, состав сообщества микроорга низмов в стенках нор в какой-то степени контролируется микробофагами (прежде всего простейшими и нематодами), которые проявляют высокую из бирательность питания (Griffiths 1989;

Chen and Ferris 1999).

Пустые норы Ось 2;

p0. Жилые норы Контроль - -6 -2 2 6 Ось 1;

p0. Рис. 9.2. Положение сапротрофных бактериальных комплексов стенок жилых и пус тых нор дождевого червя L. terrestris и контрольной почвы в осях дискриминантного анализа. Каждая точка показывает результаты одного посева. Эллипсы ограничи вают область 95% вероятности. Пробы взяты в августе-сентябре в липовом лесу на глубине 6–15 см.

Отличия в таксономическом составе микроорганизмов стенок нор от ок ружающей почвы четко выражены только в верхней части почвенного профи ля (до глубины примерно 15-20 см). На большей глубине (горизонт А2В) об щее увеличение обилия микроорганизмов происходит преимущественно за счет доминирующих в окружающей почве таксонов. Тем не менее, в стенках нор зафиксировано существенное увеличение относительного обилия ассо циированных с подстилкой форм бактерий: Aquaspirillum (до 20%), Cytophaga (до 6%), Cellulomonas и Promicromonospora (до 20%).

Выстланные стенки нор Стенки нор Ось 2;

p0. "Голые" стенки Контроль - Контроль Почва липового леса Почва букового леса - -12 -8 -4 0 4 8 Ось 1;

p0. Рис. 9.3. Положение сообществ микромицетов стенок нор L. terrestris и контрольной почвы в осях дискриминантного анализа. Лабораторный эксперимент продолжи тельностью 165 суток. Эллипсы ограничивают область 95% вероятности.

Таблица 9.1. Относительное обилие (% от общего числа изолятов) доминирующих видов микромицетов в липовом опаде, свежих и 100-суточных копролитах, в стен ках нор L. terrestris и в контрольной почве. Лабораторный эксперимент.

Копролиты Опад Стенки Почва липы нор свежие 100-сут.

Trichoderma koningii 29.3 39.4 23.8 9.5 1. T. hamatum 9.5 14.5 2.1 4.7 4. Mucor hiemalis 5.9 3.5 5.5 11.6 Alternaria sp. 2 5.1 0.6 0 0 Alt. alternata 2.4 0 0 0 Acremonium spp. 0.5 3.9 4.8 0 0. Penicillium spp. 0.5 0.6 3.8 3.2 1. T. pseudokoningii 0 0 5.5 0.7 Humicola spp. 0 1.8 1.1 6.9 Cylindrocarpon spp. 0 0.6 1.7 0.8 7. Gliocladium sp. 0 0 0 0.7 4. Chrysosporium spp. 0 0 1.0 1.5 4. Mortierella parvispora 0 0 0 0.8 3. Подчеркнуты пять наиболее обильных таксонов в каждом субстрате.

Глава 10. Влияние нор L. terrestris на пространственное распределение почвенных животных Деятельность норных дождевых червей (в отличие от червей других эко логических групп) приводит к формированию ярко выраженной пространст венной гетерогенности почвенного покрова (масштаба сантиметров и десятков сантиметров). Концентрация растительных остатков в стенках и в устье нор L.

terrestris отражается на пространственном распределении почвенных живот ных всех размерных классов.

Общая численность простейших (лабораторные исследования) в стенках нор превышает контрольные значения в 2.5 – 9 раз (p0.001). Обилие других важнейших микробофагов – нематод – также резко повышено в стенках нор (Рис. 10.1). При этом в почве липового леса наиболее отчетливо увеличено обилие микофагов (с 1.5 до 9.5 экз. г-1, p0.001). Несмотря на это, отличия со става и структуры доминирования сообществ нематод в стенках нор и в окру жающей почве были в целом невелики (дискриминантный анализ: p=0.183, 0.134 и 0.311 соответственно в липовом, дубовом и буковом лесу). Относи тельное обилие некоторых родов достоверно отличалось в стенках нор и в контрольной почве, но таких родов было немного (увеличение обилия: Plectus, Paramphidelus, Eumonhystera в дубовом, Malenchus в буковом лесу;

снижение обилия: Paratylenchus в липовом, Acrobeloides в дубовом и Neopsilenchus в бу ковом лесу).

Липняк Дубрава Бучина - экз. г 2 10 50 2 10 50 2 10 расстояние до норы, мм Рис. 10.1. Общее обилие нематод (экз. на 1 г. сухого веса) в почве на расстоянии 2, 10 и 50 мм от норы L. terrestris в липовом, дубовом и буковом лесу. Пробы взяты на глубине 5-10 см в июне (светлые столбики) и октябре (темные столбики). Верти кальные линии показывают стандартное отклонение, n=3.

Влияние нор L. terrestris на общее обилие коллембол и панцирных кле щей существенно отличалось и, кроме того, имело разный характер в разных типах леса (Рис. 10.2). Очевидно, что зона норы L. terrestris не является безус ловно привлекательной для многих видов почвенных беспозвоночных. Неод нородная реакция разных видов коллембол, орибатид и энхитреид на норы дождевых червей была показана и в других исследованиях (Bayoumi 1978;

Dozsa-Farkas 1978;

Loksa 1978;

Hamilton and Sillman 1989;

Maraun et al. 1999).

A 30 Липняк Дубрава Бучина - экз. 8 см Нора Контр. Нора Контр. Нора Контр.

Б - экз. 8 см Нора Контр. Нора Контр. Нора Контр.

В - экз. 100 см Нора Контр. Нора Контр. Нора Контр.

Рис. 10.2. Численность (экз. на пробу) коллембол (А), панцирных клещей (Б) и представителей макрофауны (В) в устье нор L. terrestris (нора) и в контрольных уча стках (контр.) в липовом, дубовом и буковом лесу весной (светлые столбики) и осе нью (темные столбики). Вертикальные линии показывают стандартную ошибку, n=10.

Степень влияния нор на таксономический состав населения микроартро под также различалась, как в разных типах леса, так и в разные сезоны года (Табл. 10.1). Конечно, использованный нами критерий достоверности отличий в структуре сообщества не абсолютно объективен. Однако во всех случаях до ля видов, относительное обилие которых достоверно отличалось в зоне норы и в контрольной почве, была невелика и не превышала 16%. При этом состав доминантов, как правило, оставался неизменным. Некоторые виды (как Iso toma notabilis или Steganacarus striculus) по-видимому довольно тесно ассо циированы с норами L. terrestris, но связь эта проявляется далеко не всегда.

Таблица. 10.1. Достоверность отличий в структуре сообщества микроартропод в зоне нор L. terrestris и окружающей почве (p, дискриминантный анализ), а также доля (%) таксонов (видов или родов), относительное обилие которых достоверно (p0.05) отличалось в зоне норы (Mann-Whitney U-test). Полевые исследования;

n число повторностей. Подчеркнуты достоверные отличия.