CC BY
19
УДК 631.46:631.445.4
ОЦЕНКА БИОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ЧЕРНОЗЕМА ТИПИЧНОГО НА РАЗЛИЧНЫХ ВИДАХ УГОДИЙ
БРЕСКИНА Г.М.,
кандидат сельскохозяйственных наук, старший научный сотрудник лаборатории агропочвоведения ФГБНУ ВНИИЗиЗПЭ.
ТРУТАЕВА Н.Н.,
кандидат сельскохозяйственных наук, доцент кафедры экологии, садоводства и защиты растений ФГБОУ Курская ГСХА.
ЧУЯН Н.А.,
доктор сельскохозяйственных наук, ведущий научный сотрудник лаборатории агропочвоведения ФГБНУ ВНИИЗиЗПЭ, е-mail: Chuyan.6546@yandex.ru, тел. 8-920-711-28-56.
Реферат. В настоящее время актуальной проблемой является изучение и оценка экологического состояния почв ЦЧР, подвергающихся интенсивному антропогенному воздействию. Важным почвенным показателем, реагирующим на изменения, вследствие агрогенных нагрузок, является биологическая активность. С жизнедеятельностью живых организмов неразрывно связано естественное плодородие и экологическое состояние почвы. Содержание и активность микроорганизмов в почве зависит как от почвенных режимов, так и от агрогенной нагрузки на почву. Целью наших исследований являлось изучение биологического состояния чернозема типичного на различных видах угодий. Результаты исследований показали активное развитие биологических процессов в почве залежи и лесополосы, где наблюдалось увеличение содержания углерода микробной биомассы в 2-3 раза, нарастание активности целлюлозоразлагающей микрофлоры в 2 раза, в сравнении с сельскохозяйственными угодьями. Отмечено повышение количества полезных микроорганизмов на 2,4-3,8 млн/г в сравнении с многолетними травами и пашней. По всем угодьям наблюдалось снижение численности микроорганизмов всех групп в ряду: лесополоса^ залежь ^ многолетние травы ^ зернопаропро-пашной севооборот ^ бессменный пар. Так как оценка биологической активности почвы и численности микроорганизмов являются важнейшими параметрами экологического состояния чернозема типичного, то эти показатели необходимо учитывать при формирования экологически сбалансированных агроландшафтов. Результаты исследования также могут быть использованы при разработке методических рекомендаций по регулированию экологического состояния черноземных почв ЦЧР и их мониторинга.
Ключевые слова: виды угодий, микробная биомасса, целлюлозолитическая активность, содержание нитратов, микробное сообщество.
EVALUATION OF BIOLOGICAL CONDITION OF TYPICAL CHERNOZEM ON DIFFERENT TYPES OF AGRICULTURAL LANDS
BRESKINA G.M.,
Candidate of Agricultural Sciences, Senior Researcher of the Laboratory of Agropedology, All-Russia Research Institute of Arable Farming and Soil Erosion Control.
TRUTAEVA N.N.,
Candidate of Agricultural Sciences, Assistant Professor of the Chair of Ecology, Horticulture and Plant Protection, Kursk State Agricultural Academy.
CHUYAN N.A.,
Doctor of Agricultural Sciences, Leading Researcher of the Laboratory of Agropedology, All-Russia Research Institute of Arable Farming and Soil Erosion Control, e-mail: Chuyan.6546@yandex.ru, 8-920-711-28-56.
Essay. Currently, an urgent problem is the study and assessment of the ecological condition of soils of the Central Chernozem Region, which are subject to intense anthropogenic impact. An important soil indicator, reacting to changes, due to agrogenic loads, is biological activity. The vital activity of living organisms is inseparably linked with the natural fertility and ecological state of the soil. The content and activity of microorganisms in soil depends both on soil regimes and on the agrogenic load on the soil. The purpose of our studies was to study the biological state of the chernozem typical for various types of land. The results of the research showed active development of biological processes in the soil of the reservoir and forest belts, where an increase in the carbon content of microbial biomass was observed 2-3 times, the activity of the cellulose-decomposing microflora increased by a factor of 2, in
comparison with agricultural lands. An increase in the number of useful microorganisms by 2.4-3.8 million / g was noted in comparison with perennial grasses and arable land. A decrease in the number of microorganisms of all groups in the range was observed across all areas: forest belt ^ fallow ^ long-term grass ^ grain-steaming crop rotation ^ permanent steam. Since the assessment of the biological activity of soil and the number of microorganisms are the most important parameters of the ecological condition of the typical chernozem, these indicators must be taken into account when forming ecologically balanced agrolandscapes. The results of the study can also be used in the development of methodological recommendations on the regulation of the ecological status of Chernozem soils of the TSCHR and their monitoring.
Key words: types of agricultural lands, microbial biomass, cellulosolitic activity, nitrate content, microbial community.
Введение. С жизнедеятельностью живых организмов: высших растений, микроорганизмов и животных неразрывно связано естественное плодородие и экологическое состояние почвы [1].
Изучение микробного компонента почвы - неотъемлемая часть экологического исследования, поскольку он является важной функциональной частью почвенного органического углерода. Кроме того, микробное сообщество почв в силу своей высокой чувствительности, реактивности и набору специализированных экологических групп позволяет быстро регистрировать изменения и характеристику среды в результате антропогенных влияний, что дает возможность использовать их в качестве эффективных биоиндикаторов происходящих в почве процессов [2].
В настоящее время для оценки биологических свойств почвы применяют множество показателей: численность или биомассу почвенных микроорганизмов и мезофауны, целлюлозоразрушающую и азотфиксирующую активности, нитрификационную способность и другие. Однако, лишь совокупность нескольких биологических показателей может в достаточной мере характеризовать биологическое состояние почвы.
Наиболее чутко на изменения, происходящие в почвенной экосистеме, реагируют микроорганизмы почвы - самая многочисленная и активная группа почвенных организмов (в 1 г чернозема может содержаться до 10 миллиардов, а иногда и более микроорганизмов). Распашка и сельскохозяйственное использование почвы вызывает серьезные нарушения в ее функционировании, которые в первую очередь влияют на численность, активность и видовое разнообразие почвенных микроорганизмов [3].
В качестве характеристики интенсивности продукционного процесса почвенных микроорганизмов определяют количество микробной биомассы за тот или иной срок или в тот или иной период роста и развития растений [4].
Количественное определение биомассы микроорганизмов в почве составляет один из важнейших элементов почвенно - микробиологических исследований.
В настоящее время разработан большой набор биологических показателей, в той или иной степени характеризующих плодородие почвы и достаточно тесно коррелирующих с урожайностью сельскохозяйственных культур. Использование методов биологи-
ческой диагностики позволяет определить негативные последствия антропогенного воздействия на ранних стадиях.
Материал и методика исследования. Исследования были проведены на территории опытного хозяйства ВНИИ земледелия и защиты почв от эрозии, расположенном на Среднерусской возвышенности и относится (по характеру растительности) к Центральной лесостепной и степной области, которая характеризуется равнинным или слабоволнистым рельефом.
Объектами исследования были черноземы типичные среднемощные тяжелосуглинистые, представленные на угодьях различной степени агрогенной нагрузки: в лесополосе - 28 лет; на залежи - 23-24 года; на пашне зернопаропропашного севооборота, 7-я ротация, отвальная обработка севооборота; многолетние бессменные травы; бессменный пар, отвальная обработка.
Для выполнения поставленных задач были проведены полевые и лабораторно-аналитические исследования с использованием различных методов биологического анализа. Образцы почв на микробиологический анализ отбирались на глубину пахотного слоя (020 см) после уборки озимой пшеницы, в тот же период проводили отбор образцов на вариантах многолетних трав и залежи. Образцы почв для проведения микробиологических исследований помещали в стерильные пергаментные пакеты.
Исследования проводились по общепринятым рекомендованным методикам:
1. Определение содержания в почве нитратного азота по Грандваль-Ляжу [5].
2. Определение целлюлозолитической активности почвы методом аппликаций [6].
3. Определение микробной биомассы регидрата-ционным методом [7].
4. Определение численности аммонифицирующих микроорганизмов на МПА, актиномицетов на КАА, грибов на среде Чапека, микроорганизмов на «голодном агаре» [4].
Результаты исследования. В почвах различных экосистем (при разных видах землепользования) происходят заметные изменения в содержании микробной биомассы. При этом в почве пашни, в сравнении с почвами лесов и залежей, значительно меньше микробной биомассы [8].
Содержание микробной биомассы в чернозёме типичном зависит от формы (вида) землепользования. Наибольшее ее содержание отмечается в лесополосе,
а наименьшее под бессменным паром. Так в ряду угодий: лесополоса ^ залежь опашня в зернопаропро-пашном севообороте ^ бессменный пар, с увеличением агрогенной нагрузки содержание микробной биомассы в почве снижается. При этом, максимальная агрогенная нагрузка на чернозём типичный под бессменным паром в сравнении с природными экосистемами, приводит к снижению почти в два раза содержания микробной биомассы в почве. Поэтому, содержание микробной бимассы в почве может быть показателем как антропогенной нагрузки на почву, так и показателем ее экологического состояния [9, 10].
Так как, процесс интенсивного накопления микробной биомассы зависит от гидротермических условий, а точнее от влажности почвы, то в год с благоприятным увлажнением по всем фонам полевого эксперимента наблюдалось значительное содержание углерода микробной биомассы, но некоторые различия по фонам различных землепользований можно наблюдать.
Наибольшее содержание углерода микробной биомассы было отмечено на объектах исследований, подверженных минимальному агрогенному воздействию: в лесополосе - 1196 мг С/кг почвы и на залежи -1200 мг С/кг почвы (таблица 1). Это связано с обога-щенностью верхнего почвенного слоя в лесополосе и на залежи органическим веществом, образующегося за счет накопления растительных остатков, опада и развития мощной корневой системы. И вероятно, более благоприятным для развития почвенной биоты гидротермическим режимом. Микроорганизмы участвуют в разложении органического вещества и высвобождении элементов питания, необходимых как для функционирования других форм микроорганизмов, так и для дальнейшего процесса трансформации продуктов разложения в гумусовые вещества почвы.
Сельскохозяйственное использование угодий привело к снижению содержания углерода микробной биомассы в сравнении с залежью и лесополосой: в
севообороте на 51,6 и 54,8 % соответственно, в бессменном пару в 2,5 раза в сравнении с залежью.
Понижение содержания углерода микробной биомассы чернозема типичного на пашне севооборота вызвано случайным антропогенным фактором - пиро-генным воздействием на почву (сжигание соломы и пожнивно-корневых остатков озимой пшеницы).
Содержание микробной биомассы в почве бессменного чистого пара, подверженного наибольшей агрогенной нагрузке уменьшается, в сравнении с пашней севооборота на 134 мг С/кг почвы, что связано с отсутствием поступления свежих растительных остатков, так и с периодическим пересыханием верхнего слоя почвы.
Возрастание степени агрогенного воздействия на почву в ряду лесополоса ^ залежь ^ многолетние травы ^ зернопаропропашной севооборот ^ бессменный пар привело к значительному уменьшению углерода микробной биомассы в верхнем слое сельскохозяйственных угодий. Во многом это связано как со случайным усилением антропогенной нагрузки на почву при пирогенном воздействии, так и с активирующим влиянием на развитие почвенных микроорганизмов предшествующего чистого пара в севообороте, а также проведением агротехнических приемов на пашне. Это еще раз подтверждает очень высокую чувствительность почвенных микроорганизмов к антропогенному воздействию и его негативные последствия для микробоценоза почвы.
Отсюда следует, что на содержание углерода микробной биомассы в близких к естественным биоценозам (лесополоса и залежь) влияет вид наземной растительности и погодные условия, а в агроценозах более важными являются агрогенные факторы - вид и культура севооборота, интенсивность механического воздействия. Причем, агрогенная нагрузка на микроорганизмы почвы действует опосредованно через влияние на почвенные режимы (питательный, водный, воздушный) и свойства почвы.
Таблица 1 - Основные показатели биологической активности чернозема типичного почвы в зависимости от вида угодий_
Наименование показателя Вид угодий
лесополоса залежь многолетние травы ЗППС* БП
Микробная биомасса, мг С/кг почвы 1286 1200 950 581 447
Целлюлозолитическая активность, % 78,4 69,9 50,8 65,7 30,4
N-N03, мг/100 г почвы 8,18 6,19 3,85 2,32 1,34
Аммонифицирующие микроорганизмы на МПА, млн/г почвы 24,6 22,9 18,8 15,0 12,2
Актиномицеты на КАА, млн/1 г почвы 6,2 7,0 5,8 4,6 2,9
Грибы на среде Чапека, тыс/1 г почвы 73,8 70,7 57,8 64,3 44,0
Микроорганизмы на «голодном агаре», млн/1 г почвы 11 ,3 8,5 9,7 7, 1 3,7
*ЗППС - зернопаропропашной севооборот; БП - бессменный пар
Активность целлюлозоразрушающих микроорганизмов, определяемая степенью разложения хлопчатобумажной ткани, в опыте варьировала в зависимости от степени агрогенной нагрузки. Максимальная величина целлюлозолитической активности наблюдалась в почве лесополосы и была выше на 27,6 -12,7 - 38,0 %, в сравнении с агрофонами многолетних трав, зернопаропропашного севооборота, бессменного пара, соответственно. Возможно, это связано с количеством и качеством поступающих в почву лесного опада, пожнивно-корневых остатков, специфическими органическими соединениями, выделяющимися в почву из корневой системы в процессе жизнедеятельности растений и стимулирующими развитие ризосферной микрофлоры.
Высокая биологическая активность данной группы микроорганизмов в лесополосе (78,4 %) и на залежи (69,9 %) обусловлена тем, что при относительно высоком накоплении растительных остатков, опа-да и развитии дернового процесса на представленных видах угодий накапливается больше влаги, что усиливает целлюлозолитическую активность почвы. Данный показатель характеризует способность почвы к разрушению органического материала, поступающего в почву в виде растительных остатков. Чем он выше, тем быстрее в почве разлагаются корневые и наземные части растения. При этом высвобождаются элементы питания, необходимые для развития микроорганизмов.
Важность изучения этой группы микроорганизмов определяется тем, что при разложении остатков озимой пшеницы в севообороте образуются соединения фенольной природы, тормозящие рост растений и чем интенсивнее пройдет процесс разложения, тем быстрее произойдет нейтрализация этих соединений путем утилизации их другими микроорганизмами и ферментами. Этому процессу благоприятствуют почвенно-климатические условия и пожнивно-корневые остатки культур севооборота. Поэтому, на пашне зернопаропропашного севооборота имеет место повышение биологической активности на 14,9 и 25,3 % в сравнении с многолетними травами и бессменным паром, соответственно.
Основным показателем активности почвенных биохимических процессов является процесс нитра-тонакопления - конечный результат мобилизационной деятельности почвенной микрофлоры.
В процессе разложения растительных остатков естественного травостоя на залежи и растительного опада в лесополосе наблюдается закрепление микроорганизмами нитратного азота, образующегося из продуктов разложения растительного материала и почвы. За счет роста травянистого войлока и развития мощной корневой системы происходит накопление нитратного азота в поверхностном слое почвы (0-20 см), где отмечен наиболее интенсивный процесс нитратонакопления: 8,18 и 6,19 мг/ 100 г почвы, соответственно под лесополосой и залежью.
Полученные данные показывают снижение содержания нитратов в 2-5 раз в почве, длительное время находящейся в сельскохозяйственном обороте, в сравнении с целинным участком залежи. При за-
пашке соломистых остатков озимой пшеницы на фоне пашни количество связанного нитратного азота уменьшается - на 1,53 и 3,87 мг/100 г почвы в сравнении с многолетними травами и естественным травостоем залежи, соответственно. Возможно, это связано освобождением ранее закрепленного азота.
Прослеживается возрастание содержания нитратов от вспаханных участков к делянкам, где не проводятся агротехнические приемы возделывания культур, к залежи и к почвам под лесополосой.
Микроскопическое население почвы чрезвычайно велико и разнообразно. Основные группы почвенного микронаселения: бактерии, грибы, актино-мицеты, многочисленные водоросли. Для них характерна короткая продолжительность жизни (от нескольких часов до нескольких дней), необычайно высокая ферментативная активность, высокая чувствительность к малейшим изменениям окружающей среды и способность к продуцированию токсинов, например у грибов. Численность микроорганизмов сильно колеблется в зависимости от почвенно-экологических факторов.
Исследования по данному эксперименту показывают, что количество микроорганизмов колеблется на вариантах с определенной закономерностью и зависит от вида угодий и свойств почвы.
Наши исследования показали, что максимальное содержание микробов обнаружено в верхнем слое почвы лесополосы и залежи.
По всем угодьям наблюдалось снижение численности микроорганизмов всех групп в ряду: лесопо-лоса^ залежь ^ многолетние травы ^ зернопаро-пропашной севооборот ^ бессменный пар.
Почвенные грибы представляют собой самую крупную экологическую группу, участвующую в минерализации органических остатков растений и в образовании почвенного гумуса, поэтому не удивительно, что на залежи с максимальным накоплением растительных и пожнивно - корневых остатков и достаточно высоким содержанием гумуса имеет место интенсивного развития группы почвенных грибов.
Численность почвенных грибов на залежи была выше по сравнению с многолетними травами, пашней ЗППС и БП - на 12,9, 6,4 и 26,7 тыс/г почвы, соответственно, но многолетние травы по этому показателю несколько уступали севообороту, на 6,5 тыс/г почвы. По-видимому, на активизацию почвенных грибов в зернопаропропашном севообороте повлияли минеральные удобрения, которые способствовали ускоренному расщеплению органического субстрата (соломистых остатков зерновой культуры) до лигнина, ведь грибы и без того синтезируют и выделяют во внешнюю среду разнообразные гидролитические ферменты и могут за сутки разлагать в 2-7 раза больше органического вещества, чем потребляют.
Следует отметить, что меньшая прогреваемость почвы и увеличение ее кислотности в лесополосе, обусловили активную жизнедеятельность почвенных грибов (73,8 тыс/г почвы).
Таким образом, биологические показатели почвы, реагирующие на интенсивность воздействия аг-
рогенных нагрузок служат индикатором, проявляющих почвенно-экологических изменений в агро-ландшафте.
Выводы. 1. По результатам исследований наблюдалось уменьшение содержания углерода микробной биомассы в ряду: лесополоса ^ залежь ^ многолетние травы ^ зернопаропропашной севооборот ^ бессменный пар. Эта последовательность полностью соответствует повышению агрогенной нагрузки. Поэтому, количество микробной биомассы, характеризующее физиологическое состояние растений, является интегральным показателем системы «почва-растение» и может быть использовано в различных экологических исследованиях (при нор-
мировании антропогенных нагрузок, определении устойчивости экосистем и т.д.).
2. Высокая активность целлюлозоразрушающих микроорганизмов наблюдалась в почве лесополосы и залежи. Целлюлозолитическая активность на залежи была выше на 19,1 и 4,2 %, в сравнении с агрофона-ми многолетних трав, зернопаропропашного севооборота, и в 2 раза в сравнении с пашней бессменного пара.
3. По всем угодьям наблюдалось снижение численности микроорганизмов всех групп в ряду: лесополоса ^ залежь ^ многолетние травы ^ зернопаропропашной севооборот ^ бессменный пар.
Список использованных источников
1. Чернова Н.М., Былова Л.М. Экология. - М.: Просвещение, 2004. - 280 с.
2. Сорокин Н.Д. Микробиологическая диагностика лесорастительного состояния почв Средней Сибири.- Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2009. - 222 с.
3. Сусьян Е.А., Рыбянец Д.С., Ананьева Н.Д. Профильное изменение микробной активности в серой лесной почве и черноземе // Почвоведение. - 2006. - № 8. - С. 956-964.
4. Бабьева И.П., Зенова Г.М. Биология почв: учебник. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: МГУ, 1989. - 40 с.
5. Агрохимические методы исследований почв / Под ред. А.В. Соколова. - М.: Наука. - 5 изд., перераб. и доп., 1975. - 656 с.
6. Мишустин Е.В., Востров И.П., Петрова А.Н. Методика определения целлюлозоразрушающей активности почвы. - М.: Наука, 1987. - 375 с.
7. Регидратационный метод определения биомассы микроорганизмов почвы / С.А. Благодатский, Е.В. Благо-датская, А.Ю. Горбенко, Н.С. Паников // Почвоведение. - 1987. - № 4. - С. 64-71.
8. Полянская Л.М., Звягинцев Д.Г. Содержание и структура микробной биомассы как показатель экологического состояния почв // Почвоведение. - 2005. - № 6. - С. 706-714.
9. Масютенко Н.П., Нагорная О.В., Лукьянчикова О.В. Влияние удобрений, типа севооборота, экспозиции склона и вида угодий на динамику содержания микробной биомассы в черноземе типичном // Агрохимия. - 2009. - № 5 - С. 49-54.
10. Караулова Л.Н., Масютенко Н.П., Гридасова О.В. Влияние интенсивности землепользования на микробный комплекс черноземных почв Курской области // В кн.: Генетическая интеграция прокариот и эукариот: фундаментальные исследования и современные технологии: тезисы Международной конференции г. Санкт-Петербурга, 24-27 июня, 2015 г. - Санкт-Петербург: Научный центр РАН, 2015. - С. 77.
List of sources used
1. Chernova N.M., Bylova L.M. Ecology. - Moscow: Education, 2004. - 280 pp.
2. Sorokin N.D. Microbiological Diagnostics of the Forest Soil Condition of Soils of Central Siberia. - Novosibirsk: Izdat. SB RAS, 2009. - 222 p.
3. Susyan E.A., Rybyanets D.S., Ananyeva N.D. Profilnoe change in microbial activity in gray forest soil and chernozem // Pochvovedenie. - 2006. - No. 8. - P. 956-964.
4. Babieva I.P., Zenova G.M. Soil biology: a textbook. - 2 nd ed., Pererab. and additional. - Moscow: Moscow State University, 1989. - 40 p.
5. Agrochemical methods of soil studies / Ed. A.V. Sokolov. - Moscow: Science. - 5 ed., Pererab. and additional., 1975. - 656 p.
6. Mishustin E.V., Vostrov I.P., Petrova A.N. Method for determination of cellulose-destroying soil activity. - Moscow: Nauka, 1987. - 375 p.
7. The rehydration method for determining the biomass of soil microorganisms / S.A. Blagodatsky, E.V. Blagodatskaya, A.Yu. Gorbenko, N.S. Panikov // Pochvovedenie. - 1987. - No. 4. - P. 64-71.
8. Polyanskaya L.M., Zvyagintsev D.G. The content and structure of microbial biomass as an indicator of the ecological state of soils // Pochvovedenie. - 2005. - No. 6. - P. 706-714.
9. Masetenko N.P., Nagornaya O.V., Lukyanchikova O.V. The effect of fertilizers, such as crop rotation, slope exposition and the type of land on the dynamics of microbial biomass content in typical chernozem // Agrochemistry. - 2009. -No. 5 - P. 49-54.
10. Karaulova L.N., Masyutenko N.P., Gridasova OV Influence of the intensity of land use on the microbial complex of chernozem soils of the Kursk region // In: Genetic integration of prokaryotes and eukaryotes: fundamental research and modern technologies: theses of the International Conference of St. Petersburg, June 24-27, 2015. - St. Petersburg: Scientific Center of the Russian Academy of Sciences, 2015. - P. 77.
