CC BY
28
УДК 631.46:631.461.5
DOI 10.24411/0235-2516-2018-10071
БИОЛОГИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ ПОЧВЫ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ САПРОПЕЛЯ И БИОГУМУСА
И.М. Суханова, к.б.н., И.А. Дегтярева, д.б.н., И.А. Яппаров, д.б.н., Р.Р. Газизов, к.с.-х.н.
Татарский научно-исследовательский институт агрохимии и почвоведения ФИЦКазанский научный центр РАН, e-mail: niiaxp2@mail.ru
Проведены исследования биологической активности почвы при комплексном применении органомине-ральной суспензии сапропеля и органической суспензии биогумуса, а также их наноструктурных аналогов для обработки семян и некорневой подкормки гречихи. При комбинированной обработке семян макросуспензиями доминируют аммонификаторы. В вариантах с сочетанием обработок семян и растений нано-суспензиями установлена тенденция увеличения численности азотфиксирующих (11,5 х 106 КОЕ/г) и фос-фатмобилизующих микроорганизмов (18,5 х 106 КОЕ/г) к завершению вегетации. Наносуспензии сапропеля и биогумуса способствуют развитию целлюлозоразрушающих микроорганизмов, увеличивая разложение льняной ткани до 85,0%. Урожайные данные опыта коррелируют с биологическими показателями.
Ключевые слова: биологическая активность почвы, микроорганизмы, сапропель, биогумус, нанострук-турная суспензия, гречиха.
SOIL BIOLOGICAL ACTIVITY WHEN USING SAPROPEL AND BIOHUMUS
Ph.D. I.M. Sukhanova, Dr.Sci. I.A. Degtyareva, Dr.Sci. I.A. Yapparov, Ph.D. R.R. Gazizov
Tatar Scientific Research Institute of Agrochemistry and Soil Science, FRC Kazan Scientific Center, Russian Academy of Sciences, e-mail: niiaxp2@mail.ru
The biological activity of the buckwheat rhizosphere soil has been studied in the complex application of the organomineral suspension of sapropel and the organic suspension of biohumus, as well as their nanostructured analogs for seed treatment and foliar feeding. Ammonifying agents dominate the combined treatment of seeds with macro-suspensions. In variants with a combination of seed and plant treatments with nanosuspensions, the tendency was to increase the number of nitrogen fixing (11.5 x 106 cfu/g) and phosphate-mobilizing microorganisms (18.5 x 106 cfu/g) at the end of the growing season. Nanosuspensions of sapropel and biohumus contribute to the development of cellulose-destroying microorganisms, increasing the decomposition of linen fabric up to 85.0%. The harvest data of the experiment correlate with biological indicators.
Keywords: biological activity of soil, microorganisms, sapropel, biohumus, nanostructural suspension buckwheat.
Современный этап развития сельскохозяйственного производства характеризуется совершенствующимися технологиями возделывания культур, при этом особое внимание следует уделять рациональному использованию наноматериалов в земледелии и растениеводстве [1, 2]. Высокоэффективные нано-структурные вещества из природных материалов ор-ганоминерального состава активно воздействуют на рост и развитие растений, повышают плодородие почв и улучшают состояние почвенного микробиоценоза. Накоплен экспериментальный материал о механизмах положительных воздействий ассоциативных ризосферных микроорганизмов на растения, к которым относятся фиксация атмосферного азота, продуцирование биологически активных веществ, активация потребления корнями питательных элементов и др. [3]. Большое количество органических веществ и гумуса содержит сапропель - многовековое донное отложение пресноводных водоемов, сформировавшееся из отмершей водной растительности, остатков
живых организмов, планктона, частиц почвенного перегноя. Он обладает биоактивными свойствами, способными влиять на интенсивность обменных процессов, усиливать функциональную активность микроорганизмов, растений и животных, повышать уровень их естественной резистентности к неблагоприятным факторам окружающей среды [4]. Биогумус -органическое удобрение, продукт переработки животноводческих и иных органических отходов с помощью червей, состав и свойства которого зависят от исходного субстрата. В нем аккумулировано большое количество макро- и микроэлементов, усваиваемых растениями, имеются ростовые вещества, витамины, антибиотики, аминокислоты и полезная микрофлора. В публикациях отмечается, что в 1 г верми-компоста насчитывают от 1,7 х 107 особей микроорганизмов, внесение биогумуса в почву положительно влияет на ее биологическую активность и состав агрономически ценных микроорганизмов, изменяются микробиологические показатели почвы (повышается
общая биологическая активность, численность азот-фиксаторов, аммонификаторов, нитрификаторов и целлюлозоразрушающих бактерий) [5-7].
Цель исследований - изучение влияния натив-ных (природных) суспензий сапропеля и биогумуса и их наноструктурных аналогов на биологическую активность серой лесной почвы при предпосевной обработке семян и некорневой подкормке гречихи.
Объекты и методы. Исследования проводили в условиях вегетационного опыта на серой лесной среднесуглинистой почве при выращивании гречихи сорта Чатыр-Тау по методике Б.А. Доспехова. Исходная почва имела следующую характеристику: гумус - 3,5%, pHкcl - 5,61, Нг - 1,15 мг-экв/100 г почвы, сумма поглощенных оснований - 20,4 мг-экв/100 г почвы, ^цел. - 128,4 мг/кг, Р2О5 - 116,0 мг/кг, К2О - 114,0 мг/кг.
Использовали сапропель месторождения озера Белое Республики Татарстан ф^а 7,8) и биогумус ф^а 7,5) производства «Грин-ПИКъ» (г. Ковров, Владимирская область) в виде водных и нанострук-турных суспензий. Состав сапропеля (на сухое вещество): органическое вещество - 31,3%; СаО -18,9%; SiO2 - 11,7%; AhOз - 5,1%; Кбщ. - 1,23%; Р2О5 - 0,45%; К2О - 0,82%; SOз - 1,27%; Fe2Oз -2,42%; влажность - 59%; микроэлементы ^п, Zn и др.) не превышают ПДК. Состав биогумуса: органическое вещество - 30,0%; ^бщ - 1,85%; Р2О5 -1,78%; К2О - 2,33%; СаО - 1,03%; влажность -35,0%; содержит комплекс микроэлементов, наличие солей тяжелых металлов незначительное.
Для получения наноструктурных агроминералов из сапропеля и биогумуса был использован метод ультразвукового воздействия. Исходный порошкообразный минерал помещали в деионизированную воду. Полученную суспензию подвергали ультразвуковому диспергированию, в результате чего получили взвесь равномерно распределенных частиц агроминерала наноразмерного диапазона. Размер наноструктурных частиц был в пределах 5,0-120 нм. Структура и наноструктура агроминералов значительно отличались, несмотря на близкий химический и минеральный составы [8].
В качестве минеральных удобрений (фон) использовали сложное удобрение азофоску. Размер вегетационного сосуда Вагнера 0,018 м2. Количество растений в сосуде 8 штук. Повторность опыта трехкратная.
Проведены исследования агрофизических свойств почвы (размер агрегатов почвенных частиц, пороз-ность, водопроницаемость); агрохимических свойств (содержание органического вещества по методу Тюрина в модификации ЦИНАО; подвижных соединений фосфора и калия по методу Кирсанова в модификации ЦИНАО; гидролитическая кислотность по методу Каппена в модификации ЦИНАО; солевой вытяжки и определение pH по методу ЦИНАО; суммы поглощенных оснований по методу Каппена.
Почвенные образцы из ризосферы гречихи отбирали методом конверта (ГОСТ 17.4.4.02-84) в фазах ветвления и плодообразования растений. Исследование микробиоценоза в динамике включало определение численности микробного сообщества различных эколого-трофических групп методом посева соответствующих разведений на элективные среды: аммонифицирующих бактерий - на мясопептонный агар, азотфиксирующих - на среду Эшби, денитрифицирующих - на среду Гильтая, фосфатмобилизу-ющих - на среду Муромцева, актинобактерий - на крахмало-аммиачный агар [9, 10]. Респираторную активность почвенного микробного сообщества оценивали путем титрометрического определения количества СО2 [11], выделившегося после поглощения щелочью, распад льняного полотна - по интенсивности разрушения клетчатки [10]. Статистическую обработку результатов проводили с помощью электронных таблиц Excel.
Результаты. При определении агрофизических характеристик исходной почвы установлено, что коэффициент структурности характеризовался высоким значением и составил 2,4. Порозность почвы соответствовала 50%, что, согласно оценочной шкалы Н.А. Качинского (1986), показывает удовлетворительное состояние для верхних слоев почв. Водопроницаемость была удовлетворительной - 38,8 мм/час [12]. Показатели структурности, порозности и водопроницаемости характеризуют серую лесную почву по физическим характеристикам как благоприятную для выращивания культуры.
Содержание элементов питания азота, фосфора и калия в почве было достаточным для развития гречихи в течение всего вегетационного периода. Для роста и развития растений положительную роль сыграло и внесение фоновых удобрений.
Предпосевная обработка семян гречихи и некорневая обработка растений не оказали существенного влияния на агрохимические показатели серой лесной почвы - к моменту уборки урожая произошли только небольшие изменения кислотности в сторону подкисления до 5,4 ед. рН и снижение минеральных элементов питания за счет выноса на 10-15%.
Изучение динамики численности ризосферных микроорганизмов показало, что в большинстве вариантов их максимальное количество отмечено в фазе плодообразования гречихи по сравнению с началом вегетации. Максимальное количество аммонифика-торов, разлагающих белковые соединения с образованием аммиака, отмечали в варианте 2 с предпосевной обработкой семян макросуспензиями биогумуса и сапропеля (рисунок). При сочетании обработок небольшим преимуществом в численности этой группы микроорганизмов обладали варианты с наносуспен-зиями. Количество диазотрофов возрастало до 11,5 х 106 КОЕ/г почвы к концу вегетации гречихи в варианте 5 с комплексным использованием наносоставов.
Численность ризосферных микроорганизмов в фазе плодообразования гречихи,
х 106 КОЕ/г почвы
Примечание: различия между опытными и фоновым вариантами достоверны при Р < 0,05.
□ Аммонификаторы □ Азотфиксаторы □ Денитрификат. 0 Фосфатмоб.
Численность денитрификаторов, осуществляющих восстановление нитратов до газообразного азота, в большинстве вариантов в 4 раза превысила фоновое содержание и составила 2,5 х 106 КОЕ/г почвы. Вероятно, бактеризация семян микроорганизмами из состава сапропеля и биогумуса и их последующая интродукция в почву интенсифицировали процесс круговорота азота, что проявилось в увеличении количества денитрификаторов. Повышение численности фосфатмобилизующих микроорганизмов, способных извлекать фосфор из водонерастворимых соединений, увеличивая тем самым его доступность для растений, отмечали в варианте 5 при сочетании обработок наносуспензиями - 18,5 х 106 КОЕ/г почвы.
Интегральным параметром активности биологических процессов в почве служит интенсивность выделения углекислого газа, образующегося в результате окислительных процессов. Показатели базаль-ного дыхания серой лесной почвы возрастали в вариантах с использованием органоминеральных
удобрений (табл. 1). Максимальные показатели выделившегося СО2 в фазе ветвления отмечали в вариантах 4 и 5 с комплексной обработкой макро- и наносуспензиями - 25,0 мг/100 г х 24 ч. Предпосевная обработка семян суспензиями (варианты 2 и 3) на 16-19% снизила выделение углекислого газа относительно сочетания обработок (варианты 4 и 5).
По мнению А.В. Наумова [13], интенсивность выделения СО2 почвы связана с дыханием почвенных беспозвоночных животных, корней растительности и особенно с активностью почвенных микроорганизмов и их ферментов. Высокую скорость продуцирования углекислоты автор объясняет большим запасом живых корней высших растений, интенсивным разложением мертвых растительных остатков и возросшей скоростью оборота микробной биомассы. В фазе плодообразования показатели базаль-ного дыхания почвы в фоновом варианте резко снижались - до 2,2 мг/100 г х 24 ч. Комплексное использование обработок повысило респираторную активность
1. Влияние обработок на базальное дыхание почвы
Вариант Количество выделившегося CO2, мг/100 г х 24 ч
фаза ветвления фаза плодообразования
мг +% к фону мг +% к фону
1. Фон - N60? 60^0 18,9 - 2,2 -
2. Фон + предпосевная обработка семян суспензиями сапропеля в дозе 0,75 кг/т + биогумус, 0,75 кг/т 20,1 +6,35 7,7 +250,0
3. Фон + предпосевная обработка семян суспензиями наносапропеля в дозе 0,75 кг/т + нанобиогумус, 0,75 кг/т 21,0 +11,11 13,6 +518,18
4. Фон + предпосевная обработка семян суспензиями биогумуса в дозе 0,75 кг/т + сапропель, 0,75 кг/т + некорневая подкормка суспензиями биогумуса (0,25%) + сапропель (0,25%) 25,0 +32,28 34,3 +1459,09
5. Фон + предпосевная обработка семян суспензиями нанобиогумуса в дозе 0,75 кг/т + наносапропель, 0,75 кг/т + некорневая подкормка суспензиями нанобиогумуса (0,25%) + наносапропель (0,25%) 25,1 +32,80 36,9 +1577,27
НСР0,5 1,2 8,3
2. Влияние обработок семян на биологическую активность почв по интенсивности разрушения льняной ткани
Вариант % разложившегося полотна за вегетационный сезон
показатель + к фону
1 65 -
2 70 +5
3 80 +15
4 80 +15
5 85 +20
НСР0,5 3,33
3. Урожайность
гречихи
Вариант Средний урожай Прибавка к фону,
зерна, г/сосуд +/- %
1 10,06 -
2 10,91 +8,45
3 13,0 +29,22
4 11,84 +17,69
5 13,16 +30,82
НСР0,5 2,06
до 36,9 мг/100 г х 24 ч. в вариантах с наносуспензиями. Предпосевная обработка семян к концу вегетации в меньшей степени повлияла на количество выделившегося углекислого газа по сравнению с предыдущей фазой и вариантами с сочетанием обработок.
Подобное влияние комплекса предпосевной и некорневой обработок на биологическую активность почв отмечали при определении интенсивности разложения льняной ткани (табл. 2). Разрушение ткани в этих вариантах составило 80-85%. Комбинация наносуспензий активизировала деятельность цел-люлозоразрушающих микроорганизмов в большей степени, чем макросуспензии. Это дает основание полагать, что нановещества оказывают больший стимулирующий эффект для микробного сообщества, так как в этих вариантах разрушение льняного полотна на 20% было выше варианта с фоновым внесением минеральных удобрений. Предпосевная обработка семян способствовала увеличению биологической активности почвы на 5-15%, а высокая
почвы полезной микрофлорой. Максимальная продуктивность гречихи составила 13,2 г/сосуд, а прирост к фону - 30,8% (табл. 3). Следовательно, комбинация обработок наноструктурными суспензиями, способствуя интенсификации микробиологических процессов, коррелирует с данными урожайности.
Анализируя эффективное действие комплексного применения наносуспензий при предпосевной и некорневой обработках на биологическую активность ризосферы гречихи и ее урожайность, мы согласны с предположением о том, что основные процессы, происходящие в субстратах под воздействием ультразвука представляют диспергирование и гомогенизацию, сопровождающиеся экстракцией гуминовых веществ и поступлением макро- и микроэлементов из твердой фазы в жидкую. Выделение в раствор гуми-новых веществ и микроэлементов способствует повышению усваивания питательных веществ; активному развитию корневой системы; усвоению азота без образования нитратов; ускорению синтеза хлорофилла, сахаров, витаминов, аминокислот [8].
Таким образом, использование наноструктур-ных суспензий сапропеля и биогумуса в качестве удобрения оказало стимулирующий эффект на численность аммонифицирующих, диазотроф-ных и фосфатмобилизующих микроорганизмов, способствовало усилению респираторной активности и распаду льняной ткани, а в итоге привело к повышению урожайности гречихи.
численность микроорганизмов в прикорневои зоне развивающегося растения способствовала их тесному взаимодействию.
Использование сапропеля и биогумуса сопровождалось дополнительным высвобождением из почвы минеральных элементов питания, превращая их в доступные формы и способствуя обогащению
Литература
1. Глазко В.И., Белопухов С.Л. Нанотехнологии и наноматериалы в сельском хозяйстве. - М.: Изд-во РГАУ-МСХА 2008. - 228 с.
2. Федоренко В.Ф. Нанотехнологии и наноматериалы в агропромышленном комплексе. - М.: ФГНУ «Росинформагро-тех», 2007. - 92 с.
3. Дегтярева И.А., Газизов Р.Р., Давлетшина А.Я., Мотина Т.Ю. Изучение состава микробного сообщества гуминовых препаратов, полученных из низинного торфа // Агрохимический вестник, № 1, 2016. - С. 27-34.
4. Шлепетинский А.Ю., Федорова-Семенова Т.Е., Мельник Е.А. Сапропель - природный ресурс экологически чистого органического сырья // Фундаментальные исследования, 2006, № 10. - С. 82.
5. Мельник И.А. Надежное средство для выращивания чистой продукции // Сахарная свекла, 1993, № 4. - С. 13.
6. Садовникова Л.К. Вермикомпосты и их свойства // Агрохимический вестник, 2003, № 1. - С. 8-9.
7. Суханова И.М., Газизов Р.Р., Биккинина Л.М.-Х., Яппаров И.А. Технология вермикомпостирования как одно из решений экологических проблем // Агрохимический вестник, 2015, № 6. - С. 26-28.
8. Яппаров А.Х., Алиев Ш.А., И.А Яппаров и др. Научное обоснование получения наноструктурных и нанокомпозитных материалов и технологии их использования в сельском хозяйстве. - Казань: Центр инновационных технологий, 2014. - 304 с.
9. Колешко О.И. Экология микроорганизмов почвы. Лабораторный практикум. - Минск: Высшая школа, 1981. - 175 с.
10. Методы почвенной микробиологии и биохимии / под ред. Д.Г. Звягинцева. - М.: МГУ, 1991. - 304 с.
11. Microbiological methods for assessing soil quality / ed. By J. Dloem, D.W. Hopkins, A. Benedetti. CABI Publishing, 2006. - 307 p.
12. Вадюнина А.Ф., Корчагина З.А. Методы исследования физических свойств почв. - М.: Агропромиздат, 1986. - 416 с.
13. Наумов А.В. Дыхание почвы: составляющие, экологические функции, географические закономерности: автореф. дисс. д.б.н. - Томск, 2004. - 37 с.
