CC BY
42
УДК 632.937(571.1)
А. С. ПРОКУРАТОВА
Омский государственный педагогический университет
НАПРАВЛЕННОСТЬ
БИОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ПОЧВЕ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ОБРАБОТКИ И ПРИМЕНЕНИЯ СРЕДСТВ ХИМИЗАЦИИ НА ПОСЕВАХ ПИВОВАРЕННОГО ЯЧМЕНЯ В ЮЖНОЙ ЛЕСОСТЕПИ ЗАПАДНОЙ СИБИРИ
В повышении плодородия почвы важнейшая роль принадлежит совокупности микробиологических и биохимических процессов, протекающих в почве. Эти аспекты неразрывно связаны с вариантами обработки почвы, химизацией посевов, предшественниками, метеорологическими условиями, которые влияют на характер интенсивности и направленности биологических процессов, на степень гетерогенности пахотного слоя.
В повышении плодородия почвы важнейшая роль принадлежит биологическому фактору. В современной агрономии при описании совокупности микробиологических и биохимических процессов в почве используется выражение «биологическая активность почвы», которое до сих пор не имеет единого толкования. Поиск абсолютного количественного показателя для выражения биологической активности почвы, проводившийся многие годы, пока положительных результатов не дал [4,7].
В связи с этим представляют определенный интерес такие аспекты обработки почвы, как минимизация с учетом длительности ее воздействия в севообороте и влиянием на характер интенсивности и направленности биологических процессов, на степень гетерогенности пахотного слоя.
Применение почвозащитных обработок, интенсивных технологий возделывания сельскохозяйственных культур с увеличением норм употребления и других химических средств для повышения урожая отражается на почвенном плодородии, одним из показателей которого является биологическая активность. С целью ее определения на выщелоченном черноземе в условиях длительного стационарного опыта при систематическом применении различных по интенсивности механических обработок и средств комплексной химизации проводились наблюдения надпосевами пивоваренного ячменя.
Известно, что микроорганизмы встречаются в почве в большом количестве, а их клетки составляют значительную часть органического вещества почвы, которых на 1 га в пахотном слое содержится до 20 тонн [8, 10]. Численность микрофлоры обладает большой динамичностью, которая наблюдается не только в течение сезона, но и небольших отрезков времени, что является следствием изменений гидротермических условий почвы, состояния растительного покрова и других факторов [6].
Определяющая роль в получении высоких урожаев в земледелии отводится обеспеченности растений азотом [9]. Известно, что минерализация
органических соединений азота в почве складывается из процессов аммонификации и нитрификации. Учитывая особую роль нитрификаторов в процессах минерализации азота и в режиме азотного питания растений, здесь рассматриваются вопросы численности этой группы бактерий и нитрифика-ционная способность почвы.
С.Н. Виноградский (1952) показалвсю сложность процесса нитрификации, где его ход и последовательность чередования трех фаз (аммиачной, нитритной и нитратной) определяются их физиологическими особенностями [3].
На интенсивность нитрификации влияют: скорость аммонификации органических остатков в почве; содержание гумуса в пахотном слое; состав растений и степень дренированности почвы. Учет динамики нитрификаторов показал, что под посевами ячменя в слое 0-30 см их численность закономерно убывает от весны к осени при слабых различиях между вариантами обработки почвы. Отмечается общее характерное явление резкого уменьшения (в 1,5-2,0 раза) численности нитрификаторов в подпахотном слое (20-30 см) в сравнении с пахотным, вызванное снижением аэрации почвы с глубиной по профилю. При почвозащитных обработках в сравнении с вспашкой пахотный слой отличается более повышенной концентрацией клеток нитрификаторов, обусловленной улучшением гидротермических условий.
Для черноземных почв региона характерны малые запасы доступного фосфора. Поэтому важен поиск путей направленного воздействия на биологические процессы, мобилизующих постоянное и равномерное поступление доступного фосфора. Известно, что почвенного фосфора содержится в органических соединениях от 25 до 80% в составе фитина или его производных (40-80%), нуклеиновых кислот (0-10%) и липидов (около 3%) \2\.
Почвенные микроорганизмы обеспечивают три важных процесса превращения минерального фосфора: из метафосфатов в ортофосфаты, в восста-
новлеиии фосфатов в фосфиты, гипофосфиты и фосфиды. Существует немало экспериментальных доказательств об освобождении фосфора из нерастворимых фосфатов под влиянием углекислоты и органических кислот.
На черноземах Западной Сибири установлена положительная роль грибов и актиномицетов в мобилизации трудноусвояемых фосфатов с помощью соединений углерода, образуемых в процессе разложения целлюлозы, а также увеличение численности микроорганизмов, участвующих в трансформации труднодоступных фосфатов полуторных окислов под влиянием фосфорных удобрений [1). Минерализация органического фосфора микробами имеет чрезвычайно важное значение для высших растений. Разложение органических соединений фосфора в почве происходит, главным образом, ферментативным путем. Результаты по динамике численности микроорганизмов, мобилизующих фосфор органических соединений, обращают внимание на ряд имеющихся характерных особенностей . Максимальное их количество приходится на начало лета, а затем резко убывает к середине, далее остается на том же уровне или продолжает снижаться до конца лета.
Растительные остатки существенно влияют на почвенную микрофлору, на направленность биологических процессов, связанных с превращением этих веществ. В этой связи обращают на себя внимание целлюлозоразлагающие бактерии. При поступлении в почву растительных остатков от зерновых культур обнаруживается расширение спектра почвенных грибов и целлюлозоразлагающих микроорганизмов, Л.Д. Тихомировой (1972) [11]иТ.И. Железо (1987) [5] на выщелоченном черноземе лесостепи Омской области по целлюлозолитической активности дана оценка биологической активности почвы и предшественникам, обеспечивающим разный уровень почвенного питания растений и эффективного плодородия.
В задачи исследований входило:
1) определить численность микроорганизмов и направленность мобилизационных процессов при применении систем обработки почвы с разной интенсивностью: отвальной на гл. 20-22 см и плоскорезной на гл. 10-12 см;
2) оценка влияния средств химизации на микрофлору почвы при длительном использовании пестицидов и минеральных удобрений раздельно и в сочетании (без удобрений и гербицидов (контроль); гербициды (ежегодно); гербициды + удббрения (Ы,0Р.,0) ежегодно; гербициды + удобрения + фунгициды + ретарданты (комплекснаяхимизация).
Исследования проводились под заключительной культурой севооборота - ячменем, в слоях почвы 020 см и 20-30 см.
Учет численности микроорганизмов проводили на твердых питательных средах: общее количество бактерий, в т.ч. аммонификаторов на МПА, олиго-нитрофилов - на среде Мишустиной, разрушающих минеральные фосфаты - на среде Муромцева-Герретсена, нитрификаторов на водном агаре с добавлением аммонийной соли фосфорной кислоты, грибов - на подкисленной среде Чапека.
Нитрификационная способность почвы определялась по Кравкову с инкубацией 21 день, целлю-лозоллтическая активность почвы — по Тихомировой за период вегетации растений в слоях 0-10 и 10-20 см; токсичность почвы - биометодом по суммарной длине проростков.
Наблюдения 2003-2005 гг, иод ячменем показали, что общая численность определяемых групп микроорганизмов в слое 0-20 см при систематической плоскорезной обработке была на 15% выше в сравнении с отвальной, бактерий-сапрофитов на МПА и олигонитрофилов - на 24 и 2Ь% соответственно.
Снижение численности микроорганизмов в подповерхностном 20-30 см слое (на 33 56% по отношению к пахотному) связано с изменением поступления органических остатков и усилением анаэробных условий, поскольку годы исследований отличались повышенным увлажнением.
С состоянием эффективного плодородия тесно связана интенсивность разложения целлюлозы в почве. При плоскорезной обработке п пахотном слое она увеличилась в наших исследованиях на 26% относительно вспашки.
Нитрификационная способность почвы под ячменем при поверхностной системе обработки в 020 см слое на 28% превышала вариант с отвальной обработкой, что объясняется сосредоточением в верхнем слое органических остатков, гумуса и аэробных групп микроорганизмов. В подпахотном 20-30 см слое различий по способам обработки почвы у этого показателя не было, потенциальный запас азота нитратов составлял 19,6 мг/кг (табл. 1).
В целом в исследуемом 0-30 см слое почвы при длительном систематическом применении плоскорезной обработки существенных негативных изменений биологической активности неудобряемой черноземной почвы в сравнении со вспашкой не происходило.
Недостатками минимизации обработки почвы являются снижение накопления нитратного азо та в сравнении с отвальной обработкой, особенно в слое 20-30 см, высокая засоренность стерневых фонов, ухудшение их фитосанитарного состояния. Для устранения этих негативных проявлений применяют минеральные удобрения, в первую очередь азотные, атакже химические средства защи ты растений. Годы исследований, характеризующиеся достаточным и обильным увлажнением, обострили вышеназванные проблемы почвозащитных обработок, вызвав всплеск засоренности и фитопатогенной инфекции.
Исследования показали, что при длительном применении гербицидов на фоне отвальной обработки существенных негативных изменений численности микроорганизмов и биологической активности не наблюдалось. На фоне плоскорезной обработки при использовании гербицидов наблюдали тенденцию снижения численности отдельных групп микроорганизмов в пределах 20-25% к контролю, грибов -на 34% соответственно. При этом по отношению к контролю уменьшились нитрификационная способность почвы и интенсивность разложения целлюлозы (таблица 2). Вероятной опосредованной причиной этих факторов при минимизации обработки и применении гербицидов могло быть снижение поступления биомассы сорняков как энергетического материала для почвенной биоты, а также возможное гербицидоутомление. Применение гербицидов на фоне минеральных удобрений, которые улучшали питание микроорганизмов и культурных растений, снимало эти негативные проявления.
Дополнительная химическая нагрузка на почвенную микрофлору — применение фунгицидов и ретардантов при комплексной химизации — на 24% снизила общую численность почвенных микроорганизмов, но сопровождалась повышением целлюло-
Таблица 1
Влияние систем длительной обработки неудобряемой черноземной почвы на биологическую активность пахотного и подпахотного слоев под посевами ячменя в среднем за вегетацию 2003-2005 гг.
Показатель биологической активности почвы Отвальная на гл. 20-22 см Плоскорезная на гл. 0-12 см
0-20 20-30 0-30 0-20 20-30 0-30
Численность микроорганизмов: - бактерий на МПА, млн. 21,5 25,3 22,7 26,7 18,0 23,6
- олигонитрофилов, млн. 109,7 104,2 107,В 13&5 75,5 117,5
- мобилизующих минеральные фосфэты, млн. 106,5 84,7 99,2 109,2 55,7 91,4
- ншрификаторов, тыс. 2,4 2,5 2,5 2,4 1,5 2,0
• грибов, тыс. 29,2 17,0 25,1 31,4 15,0 25,9
• общее количество (условно), млн. 237,7 214,2 229,7 274,4 149,2 232,5
Нитрификационная способность, N-N0., в мг/кг 24,0 19,6 22,5 30,7 19,6 27,0
Разложение целлюлозы, % 54,3 503 54,2 68,6 60,7 64,7
Таблица 2
Изменение биологической актинности черноземной почвы в зависимости от приемов обработки и средств химизации под посевами ячменя, слой 0-30 см, 2003-2005 гг.
Вариант обработки Численность микроорганизмов в 1 г абс. сухой почвы Нитрификационная способность N-N0, в мг/кг Разложение целлюлозы, %
бактерии на МПА, млн. олиго-нитрофилы, млн. мобилизующие минеральные фосфаты, млн. нитри-фикаторы, тыс. грибы, тыс. общее количество, млн.
Контроль(без удобрений)
Отвальная 22,7 107,8 99,2 2,5 25,1 1 229,7 22,5 , 52,4
Плоскорезная 23,6 117,5 91,4 2,0 25,9 232,5 27,0 .64,6
В средним по фактору 23,2 112,7 95,3 2,3 25,5 231,0 24,8 58,5
Гербициды (Г)
Отвальная 27,4 152,1 102,0 2,3 21,5 282,3 19,7 50,6
Плоскорезная 21,3 92,2 69,3 1,9 19,3 182,8 23,4 56,6
В среднем по фактору 24,4 122,2 86,0 2Д 20,4 232,0 21,6 53,6
Гербициды + удобрения (Г+У)
Отвальная 24,3 112,6 91,9 2,7 25,7 228,8 22,7 62,3
Плоскорезная 24,3 102,6 86,3 2,0 34,2 213,2 27,2 67,0
В среднем по фактору 24,3 107,6 89,1 2,4 30,0 221,0 25,0 64,7
Гербициды + удобрения + фунгициды + ретарданты (комплексная химизация)
Отвальная 23,6 136,0 112,5 3,1 21,5 272,1 23,3 64,2
Плоскорезная 20,7 84,7 71,3 2,0 26,3 176,7 26,0 78,7
В среднем по фактору 22,2 110,4 91,9 2,6 23,9 224,0 24,7 71,5
эолитической активности почвы в сравнении с контролем на 23%.
При оценке экологических последствий применения пестицидов по биотестированию на проростках семян результаты анализа показали отсутствие токсичности почвы. Показателем токсичности является изменение длины корней проростков по
отношению к контролю на 20% и более. При систематическом применении гербицидов на фоне плоскорезной обработки длина проростков уменьшалась на 12,5-15,2%. В вариантах, где гербициды применялись в сочетании с минеральными удобрениями и при комплексной химизации, наблюдали стимуляцию прорастания семян на 27 и 15% соответственно (табл. 2).
Таким образом, длительное систематическое применение гербицидов в рекомендуемых дозах и комплексной химизации не вызвало существенных, более 50%, необратимых количественных изменений почвенных микроорганизмов. По отношению к контролю уменьшение численности бактерий составляло 20-25%, грибов - 34%. Минеральные удобрения в сочетании со средствами защиты растений снижали негативное воздействие ядохимикатов на почвенную микрофлору.
В экологическом плане важным является отсутствие токсичности почвы при систематическом применении пестицидов.
Для выщелоченного чернозема лесостепной зоны характерен высокий динамизм биоты почвенных микроорганизмов и ферментативной активности за вегетационный период, обусловленный доминирующим влиянием гидротермических условий и запасами органического вещества в верхнем слое. Применение энергосберегающих систем обработки почвы обусловливает гетерогенность почвенного профиля по биологической активности- усилением биогенности пахотного (0-20 см) слоя и снижением численности и активности микрофлоры подпахотного (20-30 см). Длительное систематическое применение умеренных доз азотно-фосфорных удобрений положительно влияет на численность почвенных микроорганизмов и их активность, стимулируя рост нитрифицирующих бактерий, грибов, целлюлозо-литическую и нитрификационную активность почвы. Систематическое применение гербицидов группы 2,4-ДА в рекомендуемых дозах не вызывает существенных сдвигов в биологической активности почвы. Незначительные кратковременные изменения численности грибов и нитрификаторов не выходят за рамки экологической безопасности.
Применение минеральных удобрений в сочетании с пестицидами и ретардантами в течение длительного времени не оказало негативного воздействия на численность микроорганизмов и биологическую активность почвы. Длительное применение ресурсосберегающих приемов обработки почвы в севооборотах зернового направления приводит к снижению накопления нитратов по сравнению с отвальной обработкой. На фоне комплексной
химизации при умеренных дозах применения азотно-фосфорных удобрений в сочетании с пестицидами различие между разными системами обработки к посеву сглаживается.
Библиографический список
1. Алексеева Р.П., Мостовой М.Н, Влияние минеральных удобрений на численность микроорганизмов, растворяющих фосфаты полуторных окислов// Мчкробио/ огическне процессы в почвах Запалной Сибири. - Новосибирск: Наука, 1982,- С. 78-82.
2. Берестецкий O.A. и др. ыч>\огические основы плодородия почвы. — М ; Колос, 1984 — 287 с
3. Виноградский С.Н. Микробиология почвы. Проблемы и методы. - М.: Изд-во АН СССР, 1952. - 792 с.
4. Гончар-Яаикин П.П. Исследование зависимости биологической активности почвы от ее влажности и концентрации углекислого газа в почвенном воздухе: Дис. ...канд. биол. наук. 06.01.03. - Л., 1974. - 208 с.
5. Железо Т.Н. Разложение целлюлозы в условиях корневою питания пшеницы в севообороте //Науч.-техн. бюл. СибНИИСХоза. - 1987. - Вып. 25. - С. 28-33.
6. Клевенская И.Л. Олигонитрофилъные микроорганизмы почв Западной Сибири /Отв. ред. E.H. Мишусгин. — Новосибирск: НауХ(1, 1974. - 218 с.
7. Лыков A.M. Гумус и плодородие почвы. - М.: Моек рабочий, 1985. - 198 с.
8. Мишустин E.H. Микроорганизмы и продуктивность земледелия. - М.: Наука, 1972. - 342 с.
9. Прянишников Н.Д. Азот в жизни растений и в земледелии СССР. - М.-Л., 1945. - 327 с.
10. Руссель С. Микроорганизмы и жизнь почвы /Пер. с польского Г.Н. Мирошниченко. — М., Колос, 1977. - 224 с.
11. Тихомирова Л.Д, Биологический метод определения плодородия почвы // Сибирский вестник сельскохозяйственной науки. - 1972.-№ 5. - С. 15-18.
ПРОКУРАТОВА Алёна Сергеевна, аспирант кафедры экологии и охраны окружающей среды.
Статья поступила в редакцию 18.09.06. © Прокуратова A.C.
Книжная полка
Патякин В.И. Лесоэксплуатация: учеб. / В.И. Потякин, Э.О. Салминин, Ю.А. Бит и др.- М.: ИЦ "Академия», 2006. - 384 с.
В учебнике рассматриваются существующие технологии лесозаготовок и транспорта леса, применяемое оборудование, машины и механизмы, лесопользование в зависимости от грунтоводогидрологических условий, требований охраны окружающей среды.
Для студентов ВУЗ. Рекомендовано Минобразованием России.
Гусев М.В. Микробиология: учебник / М.В. Гусев, Л.А. Минеева. - 6-е изд., стер.- М.: ИЦ «Академия», 2006.- 464 с.
В учебнике (1 -е изд.-1978 г.) изложены основные сведения о прокариотных микроорганизмах: строений и химическом составе клетки, особенности энергетического и конструктивного метаболизма, путях обмена генетической информации проблемах систематики. В третьем издании (1992) в целом сохранена логика изложения материала, присущая предыдущим изданиям, отдельные главы подверглись существенной переработке. Большое внимание уделено группе архебактерий, выделена и охарактеризована группа метило-трофных бактерий. Принципы систематики прокариот изложены в соответствии с данными последнего,
девятого, издания Определителя бактерий Берги.
Для студентов биологических специальностей вузов. Может быть полезен специалистам-микрооиологам.
Рекомендовано Минобразованием России.
