На луговые травы большое разностороннее воздействие оказывают гетеротрофы, входящие в состав луговых биоценозов: бактерии, грибы, животные, цветковые паразиты.
Бактерии в луговых биоценозах представлены видами, паразитирующими на растениях, симбионтами, эккрисотрофами и сапротрофами. Бактерии-фитопаразиты оказывают на луговые растения значительно меньшее влияние, чем паразитные грибы.
Наибольшее значение имеют бактерии, фиксирующие атмосферный азот (диазотрофы) и обеспечивающие разложение и минерализацию отмерших организмов (растений, животных). Бактерии — основная группа организмов, определяющая внутрибиоценозный цикл азота. Этот цикл включает: фиксацию атмосферного азота; разложение азотсодержащих соединений с образованием аммония (аммонификацию); превращение аммония в нитриты и нитраты (нитрификацию); потребление аммония и нитратов растениями и почвенными организмами с последующим включением в цикл после их отмирания. Одновременно происходят потери азота из цикла в результате денитрификации, улетучивания аммиака, вымывания нитратов, а иногда аммония, смыва. Все эти процессы имеют большое значение для обеспечения луговых растений доступными формами азота.
Почвы лугов обычно богаты азотом, содержащимся в виде органических соединений (живые и отмершие органы растений и других организмов, гумус). Азот в доступных для растений минеральных формах (аммоний, нитраты), как правило, обнаруживается в почвах лугов в незначительных количествах. Аммоний также содержится в пределах кристаллических решеток глинистых частиц, но этот азот недоступен или труднодоступен для растений.
Большие запасы азота постепенно накопились в почвах лугов в течение длительного периода времени. Вначале накопление азота под луговой растительностью идет быстро, затем более медленно, пока не достигает определенного уровня, характеризующего равновесие в содержании азота в почве. По расчетам, проведенным на Ротамстедской сельскохозяйственной опытной станции (Великобритания), для достижения равновесия в содержании азота в изученных условиях потребовалось примерно 200 лет, из них за первые 25 лет было накоплено 50% предельного количества азота. Несомненно, что в других условиях период и ход накопления азота в почве могут быть иными.
Поступление азота на луга с атмосферными осадками происходит в весьма небольших количествах, обычно менее 10 кг/гг в год; в прошлом оно, несомненно, было еще меньшим. Основным источником поступления связанного азота на луг была и продолжает быть (там, где не вносятся азотные удобрения) фиксация атмосферного азота диазотрофами, симбиотически связанными и свободноживущими бактериями и частично сине-зелеными водорослями (цианобактериями). Симбиотрофные азотфиксаторы представлены клубеньковыми бактериями. Они могут связывать большие количества азота, но находятся в зависимости от бобовых, обеспечивающих их энергией, а участие последних, хотя они и встречаются на многих типах лугов, в составе фитоценозов обычно невелико и к тому же подвержено по годам значительным колебаниям. Их много лишь на сеяных лугах, особенно созданных для краткосрочного использования, а также на культурных пастбищах.
Связывание атмосферного азота клубеньковыми бактериями зависит: а) от бактерий, среди которых имеется большое число видов (рас), различающихся по эффективности фиксации азота и по способности вступать в симбиоз лишь с определенными видами бобовых; б) от обеспеченности бактерий энергией в виде углеводов, образующихся при фотосинтезе; в) от особенностей почвенной среды; г) от взаимодействия с другими организмами. Фиксация азота возрастает при образовании микоризы, но может резко снижаться под воздействием нематод. Снижение фиксации азота и даже прекращение ее происходят на почвах с очень кислой реакцией, содержащих растворимый алюминий, при плохой аэрации и недостатке воды. Фиксация снижается также при увеличении содержания в почве минеральных форм азота, в частности при внесении азотных удобрений. Для эффективного связывания азота большое значение имеет достаточное обеспечение растений водой, фосфором, калием, кальцием, серой, молибденом, а нередко и другими микроэлементами, а также условия, необходимые для нормального хода фотосинтеза (освещение, температура). Любое снижение интенсивности фотосинтеза бобовых, в том числе при затенении, при пасмурной погоде, в результате отчуждения надземных органов (скашивание, стравливание) сокращает обеспечение клубеньковых бактерий углеводами и, как следствие этого, связывание ими азота. В опыте с клевером Ладипо было установлено резкое снижение фиксации азота после дефолиации, достигшее минимальных величин на 2-й день после отчуждения надземных органов с последующим восстановлением до исходного уровня.
Затраты энергии на фиксацию азота клубеньковыми бактериями относительно по расчетным данным невелики — 3—4 г углеводов на 1 г азота, на самом деле они, вероятно, больше. Это обусловлено тем, что она происходит в клетках, прекративших рост (в бактероидах), и созданием в клубеньках благоприятных условий для активности нитригеназы — фермента, принимающего участие в фиксации азота.
Азот, фиксируемый в клубеньках, поступает в распоряжение бобовых и используется для синтеза аминокислот и других азотсодержащих соединений. Выделение его в почву в заметных количествах происходит лишь при недостаточном поступлении продуктов фотосинтеза в корни для полного использования фиксируемого азота в синтезе сложных азотсодержащих соединений, т. е. при нарушении нормального хода фотосинтеза, в частности непосредственно после дефолиации.
Улучшение обеспечения азотом злаков и других растений при их совместном произрастании с бобовыми обусловлено поступлением его в почву с отмирающими клубеньками и корнями бобовых, а также благодаря почти полному отсутствию конкуренции за него с ними, поскольку они не менее чем на 80%, а часто почти полностью обеспечены азотом, поступающим от клубеньковых бактерий. На пастбищах злаки получают, помимо того, азот съеденных скотом бобовых, поступающий на поверхность луга с экскрементами животных.
Количество азота, фиксируемого клубеньковыми бактериями на единицу площади, зависит от участия бобовых в фитоценозах, от условий, определяющих эффективность фиксации, и от длительности периода, в течение которого она происходит. В Новой Зеландии, где условия для фиксации благоприятны в течение почти всего года, количество фиксируемого азота в злаково-бобовых сообществах культурных пастбищ достигает 450—550 кг/га в год. Однако даже в этой стране среднее количество фиксируемого клубеньковыми бактериями азота изменяется по годам от 145 до 225 кг/га. В посевах многолетних бобовых обычное количество фиксируемого азота не превышает 200 кг/га в год. На природных лугах по наблюдениям в пойме р. Оки оно составляло 30—35 кг/га в год и только в одном случае с подсевом люцерны серповидной и внесением фосфорно-калийных удобрений достигало 80 кг/га в год.
Клубеньки, образованные бактерией Bacillus alopecuri, обнаружены на корнях лисохвоста лугового и других лисохвостов (Ногтев, 1938). Однако эта бактерия не способна фиксировать атмосферный азот или фиксирует его в незначительных количествах. Косвенным доказательством отсутствия фиксации азота клубеньковой бактерией лисохвоста может быть очень высокая отзывчивость его на внесение азотных удобрений. Клубеньки обнаружены на корнях ряда других видов злаков и разнотравья. Возможно, что эти образования так же, как и у лисохвоста, представляют начальные фазы формирования симбиотических связей между бактериями и растениями, достигшие полного развития во взаимоотношениях между бобовыми и Rhizobium.
В фитоценозах многих типов лугов, в том числе с почвами, содержащими большие количества азота, бобовые отсутствуют. Это лишнее доказательство значения на лугах фиксации азота свободноживущими азотфиксаторами, которые представлены сапротрофами и эккрисотрофами; провести границу между ними трудно, так как одни и те же виды могут использовать энергию корневых выделений и отмершие корни. Дерновый горизонт (дернина) благодаря сильной пронизанности корнями трав, по сути дела, представляет собой сплошную ризосферу. Придаточные корни злаков и других луговых растений недолговечны. Они возникают, стареют, отмирают; в их ризосфере, а после отмирания в них самих происходит смена условий обитания для микроорганизмов, смена эккрисотрофов сапротрофами. Кроме того, многолетние травы с корневой системой, образованной придаточными корнями, а именно такие виды, как злаки, преобладают на лугах, имеют корни: а) отходящие от живых надземных побегов различного возраста (особенно у видов с полициклическими побегами); б) отходящие от отмерших в надземной части побегов; в) отмершие; находящиеся в различной стадии разложения. По мере старения растений число (и масса) корней последних двух категорий возрастает; одновременно изменяется их химический состав вследствие увеличения реутилизации перед их отмиранием содержащихся в них азота и зольных элементов. Таким образом, в пределах одной и той же особи травянистого растения, например в кусте злака, создается большое разнообразие условий существования почвенных микроорганизмов, в том числе для азотфиксаторов.
Вероятно, что с каждой категорией корней связан особый комплекс микроорганизмов.
Благодаря различиям в корневых выделениях отдельных видов растений, а возможно и их особей, изменяется состав ризосферных организмов, в том числе участие диазотрофов. Есть указания, что в ризосферах бобовых и крестоцветных много азотобактера, а в ризосферах лютика (ползучего, едкого) он подавлен (Красильников, 1958). В ризосфере тысячелистника обыкновенного обнаружено значительно больше азотфиксаторов, чем у совместно произрастающего с ним нивяника и т. д. Это может определять горизонтальную неоднородность в фиксации азота. Установлены суточные и сезонные изменения азотфиксации. Она снижается в ночные часы вследствие сокращения поступления в корни ассимилятов. Она возрастает от весны к середине лета по мере формирования травостоя, а затем уменьшается к осени. Вероятно, происходит временное снижение азотфиксации ризосферными диазотрофами после скашивания и стравливания травы. Изменения происходят также от года к году в связи с зависимостью фиксации азота от температуры и влажности. На лугах с более высокой обеспеченностью водой фиксация азота происходит обычно в больших количествах.
В настоящее время, помимо азотобактера и клостридиума, обнаружен ряд других свободноживущих азотфиксаторов. Многие из них связывает незначительное количество азота, но в совокупности несимбиотрофная азотфиксация на лугах достигает иногда до 50 кг/га в год (Рыжова, Умаров, 1979). Имеется достаточно оснований полагать, что на многих типах лугов несимбиотрофные диазотрофы ежегодно фиксируют 10—20 кг/га N и более. Известно, что затраты энергии на фиксацию азота свободноживущими азотфиксаторами — азотобактером и клостридиумом значительно больше, чем клубеньковыми бактериями бобовых, а именно 50—150 г углеводов на 1 г фиксируемого азота (Лapxep, 1978). Если принять затраты энергии на связывание азота свободноживущими азотфиксаторами, равными 100 г углеводов на 1 г N, то для фиксации 10—20 кг/га в год ежегодно потребляется 1000— 2000 кг/га энергетического материала. Учитывая, что это в значительной степени энергия, содержащаяся в отмерших корнях («бросовая энергия с точки зрения растений»), можно считать, что такой расход не отражается сколь-либо значительно на энергетике луговых биогеоценозов. Вероятно особенно на влажных и сырых типах лугов в азотфиксации принимают участие организмы филлосферы. Этот вопрос, однако, не изучен.
Во внутрибиогеоценозном цикле азота важнейшим процессом является аммонификация — образование аммония (NH4) в результате разложения и минерализации азотсодержащих органических веществ, главным образом отмерших органов растений. Аммонификация осуществляется многими видами бактерий и грибов и вследствие этого происходит в широком диапазоне условий среды (реакции почвы, увлажнения, температуры и др.). Аммоний, образующийся при аммонификации, используется растениями непосредственно или после окисления его и превращения в нитраты (нитрификация). Некоторая часть его потребляется микроорганизмами и становится недоступной для растений (иммобилизация азота), во всяком случае пока не произойдет минерализация отмерших тел использовавших его микроорганизмов.
Нитрификация включает два этапа: вначале аммоний окисляется в нитриты (NO2), затем нитриты окисляются в нитраты (NO3). Организмы, осуществляющие нитрификацию, используют энергию, выделяющуюся при окислении аммония и нитритов, и, поскольку они не используют энергии органического вещества, их относят к особой группе автотрофных организмов, к хемотрофам. На самом деле они, будучи автотрофными в отношении углеродного питания, энергетически являются гетеротрофами, так как аммоний, энергию которого используют нитрификаторы, образуется в почве в результате минерализации азотсодержащих органических веществ, созданных в растениях с затратой энергии, получаемой при фотосинтезе. Известно значительное число видов микроорганизмов, участвующих в нитрификации, но на лугах, по-видимому, основное значение имеют бактерии Nitrosomonus, окисляющие аммоний до нитритов, и Nitrobacter, окисляющие нитриты в нитраты. При нитрификации в основном окисляются ионы аммония, адсорбированные почвенными коллоидами.
Нитраты наряду с аммонием — основной источник азота для луговых растений (за исключением бобовых). Частично они поглощаются почвенными микроорганизмами, но в значительно меньшей степени, чем аммоний. Они легко растворимы в воде и могут вымываться из почвы с нисходящим током воды. Нитраты подвержены денитрификации — превращению в летучие соединения азота (N26) и в молекулярный азот (N2) под воздействием денитрифицирующих бактерий, использующих в качестве источника кислорода NO3 и NO2. Денитрификация наиболее выражена в почвах, насыщенных водой, недостаточно аэрируемых, богатых органическим веществом. Органическое вещество почвы — источник энергии и водорода для денитрифицирующих бактерий. Благоприятные условия для денитрификаторов создаются и на достаточно аэрируемых почвах в ризосферах растений, где они обычно присутствуют. Здесь вследствие поглощения кислорода корнями и ризосферными организмами и обеспеченностью энергией и водородом корневых выделений активность денитрификаторов достаточно высока. Даже в хорошо аэрируемой почве до 15—20% нитратов, проходящих через ризосферу луговых злаков, может быть денитрифицировано; в торфяной почве с влажностью 95% потери азота через денитрификацию более значительны — до 40% (Woldendorp et al., 1966).
Нитрификация наиболее интенсивно идет на лугах со слабокислой или нейтральной почвой, при достаточной влажности и аэрации в теплое время года. В кислых, холодных, очень сухих и сырых почвах нитраты образуются лишь в незначительных
количествах. Нитрификация в основном происходит в дерновом горизонте. Так как температура, влажность и аэрация почвы изменяются в течение года и от года к году, то соответствующим образом изменяется и выраженность нитрификации.
В почвах под луговой растительностью нитраты обычно обнаруживаются в ничтожных количествах, а иногда вовсе отсутствуют. Это послужило основанием для представления об ингибирующем воздействии на нитрификаторы корневых выделений травянистых растений, особенно злаков. Однако достаточных данных для подтверждения этого нет. Вряд ли правомерно также мнение об отсутствии нитрификации на лугах из-за повышенного содержания СО2 в почвенном воздухе, поскольку содержание углекислого газа в дернине большинства типов лугов не достигает больших величин. Немедленное поглощение нитратов корнями растений во многих случаях — основная причина или одна из основных причин незначительного содержания или отсутствия их под луговой растительностью. О том, что нитрификация происходит на лугах, можно заключить по выраженности денитрификации, а также по содержанию нитратов в тканях луговых растений (Работнов, 1940; Куркин, Тихоненко, 1958) и по присутствию в них нитратредуктазы, фермента, необходимого для восстановления нитратов, поглощенных растениями. О потенциальной способности почв лугов к нитрификации дают представление результаты их инкубации в лаборатории или в полевых условиях, где в отсутствие поглощения нитратов корнями растений происходит накопление их в значительных количествах.
Однако на лугах существуют условия, определяющие отсутствие или, что более часто, слабую выраженность нитрификации. К ним относятся: 1) очень кислая реакция, низкая температура и недостаточное количество или избыточное увлажнение почвы и др., ограничивающие жизнедеятельность нитрификаторов; 2) недостаточная обеспеченность нитрификаторов аммонием, так как он немедленно после образования поглощается полностью или почти целиком корнями растений и микроорганизмами. Последнее может быть связано: 1) с медленной аммонификацией, обусловленной
малым содержанием азота в отмерших органах растений, что характерно для лугов с бедными почвами, где вследствие более полной реутилизации азота при отмирании растений соотношение С : N в отмерших органах особенно значительно; 2) с сильной пронизанностью корнями верхнего горизонта почвы, что способствует быстрому усвоению корнями аммония по мере его образования. О степени пронизанности почвы корнями можно судить по данным учета, проведенного на краткопоемном лугу (пойма р. Оки), где в горизонте 0—10 см обнаружено 95 000 придаточных корней на 1 м2 (Работнов, Демин, 1970). Следовательно, поглощающая поверхность корней на лугах может быть весьма большой, и если учесть, что аммоний помимо корней интенсивно поглощается почвенными микроорганизмами, то вполне вероятно, что на долю нитрификаторов его остается мало, а временами и вовсе
не остается. С этим, возможно, связано обнаружение большого количества нитратов в почве на некоторой глубине, где она меньше пронизана корнями, если условия аэрации благоприятны для нитрификации.
Интенсивная нитрификация происходит на лугах с преобладанием длиннокорневищевых злаков (костра безостого, пырея ползучего) в поймах рек, где пронизанность корнями невелика. Особенно много нитратов в почве обнаруживается в местах, нарушенных землероями и человеком, так как здесь имеется большое количество разлагающегося материала отмерших растений, улучшаются аэрация и обеспечение водой и резко снижается потребление аммония растениями. Интенсивность нитрификации на лугах резко возрастает под воздействием макромицетов, что наблюдалось при образовании ими «ведьминых колец» (Semb, 1936; Работнов, 1937).
Внутрибиогеоценозный цикл азота осложняется поеданием растений животными с последующими разложением и минерализацией их экскрементов особой группой организмов — копротрофами. Этот процесс имеет большое значение при пастбищном использовании лугов. Отложение экскрементов, особенно жидких, пасущимся скотом может сопровождаться потерями азота вследствие улетучивания аммиака.
Отдельные типы лугов различаются выраженностью в их почвах аммонификации и нитрификации, а следовательно, обеспеченностью растений аммонием и нитратами. Как правило, чем беднее почвы доступными для растений формами азота, тем больше значение аммония и, наоборот, чем богаче ими почвы, тем больше удельный вес нитратов в азотном питании растений. В зависимости от того, в каких условиях возникли виды растений, среди них сформировались более приспособленные к аммонийному (аммониефилы), нитратному (нитратофилы) или к смешанному азотному питанию. Виды, приспособленные к произрастанию на кислых почвах, более благоприятно реагируют на обеспечение азотом в аммонийной форме. Виды, произрастающие обычно на карбонатных почвах, проявляют большую нитратофильность. В зависимости от обеспечения аммонием или цитратами меняется их конкурентная способность при совместном произрастании (Ellenberg, 1979).
Значение сапротрофных микроорганизмов не ограничивается их участием в осуществлении внутриценозного азотного цикла. Они оказывают многостороннее воздействие на условия произрастания растений: препятствуют накоплению отмерших органов луговых трав, участвуя в их разложении и минерализации с образованием доступных форм не только азота, но и зольных элементов, способствуют образованию гумуса и увеличению доступности элементов, содержащихся в минеральных частицах почвы, а также выделению больших количеств СО2 (принято считать, что углекислый газ, выделяющийся из почвы, примерно на 2/3 продукт жизнедеятельности почвенных микроорганизмов). Сапротрофы продуцируют ферменты, участвующие в разложении разнообразных органических соединений (целлюлазу, уреазу, пектиназу и др.), а также различные витамины, антибиотики и другие вещества. Ризосферные микроорганизмы участвуют в детоксикации веществ, содержащихся в корневых выделениях и поступающих в ризосферу извне.
Общее количество почвенных микроорганизмов и соотношение их таксономических и функциональных групп существенно изменяются от одного типа луга к другому. Особенно много их в богатых гумифицированным органическим веществом, достаточно влажных и хорошо аэрируемых почвах. В почвах пойменных лугов микроорганизмов больше, чем в материковых. В почвах пастбищ общее число микроорганизмов выше, чем на лугах того же типа, используемых как сенокосы, что связано с поступлением на поверхность богатого азотом, легкоразлагающегося органического вещества экскрементов скота. Основное количество их сосредоточено в дерновом горизонте, и на большинстве типов лугов достаточно быстро снижается вглубь почвы. Численность и соотношение отдельных групп микроорганизмов изменяются в течение вегетационного сезона и, вероятно, от года к году. В сухие периоды возрастает количество актиномицетов.
Как показатель микробиологической активности почв можно использовать скорость разложения целлюлозы, по изменению массы льняной (или иной, состоящей из клетчатки) ткани, помещенной в почву. При проведении таких исследований в ГДР на 44 лугах (пойменных, суходольных, горных и др.) были установлены большие различия в средних ежедневных размерах разложения целлюлозы: от 4,8 мг на молиниевом лугу с кислой почвой до 74,4 мг на пойменном манниковом (манник большой) лугу. Выяснилось, что реакция почвы не имеет решающего значения при разложении клетчатки. Так, молиниевые луга и на кислой, и на богатой известью почве имели низкую целлюлозолитическую активность (4,8 и 6,6 мг в день), а в кислых почвах белоусников клетчатка разлагалась так же быстро (37,2—40,6 мг), как и в почвах с близкой к нейтральной реакции некоторых высокорайграсовых лугов (35,4—41,3 мг в день). Наибольшая целлюлозолитическая активность была обнаружена главным образом на высокоурожайных (с урожаем свыше 70 ц/га) лугах и с влажностью почвы 30—40% (Hundt, Unger, 1968). Очевидно, что она в значительной степени определяется условиями увлажнения и аэрации, а также обеспеченностью целлюлозолитических организмов элементами минерального питания, особенно азотом, и температурой почвы. Значение содержания в почве воды и воздуха видно из результатов вегетационных опытов с почвой маршевого луга. Разложение целлюлозы стало заметным при содержании 24% воды (по объему), достигло максимума при 31%, а затем по мере заполнения пор водой резко снизилось вследствие недостаточного обеспечения воздухом.
Независимость разложения клетчатки от реакции почвы, вероятно, обусловлена тем, что в этом процессе принимают участие многие виды организмов, как бактерии, так и грибы. Активность целлюлозоразлагающих микроорганизмов изменяется по вегетационному сезону, достигая максимума летом.