CC BY
0УДК 631.468; 631.461; 631.432.5 DOI: 10.24412/cl-37200-2024-270-274
РАЗВИТИЕ МИКРОБИОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ЕСТЕСТВЕННЫХ И АГРОГЕННЫХ ЭКОСИСТЕМАХ С РАЗЛИЧНЫМ УРОВНЕМ ИНТЕНСИФИКАЦИИ
ОБРАБОТКИ ПОЧВЫ
DEVELOPMENT OF MICROBIOLOGICAL PROCESSES IN NATURAL AND AGROGENIC ECOSYSTEMS WITH DIFFERENT LEVELS OF SOIL CULTIVATION
INTENSIFICATION
Гармашов В.М., Говоров В.Н., Крячкова М.П., Гармашова Л.В.
Garmashov V.M., Govorov V.N., Kryachkova M.P., Garmashova L.V.
ФГБНУ «Воронежский ФАНЦ им. В.В. Докучаева», Каменная Степь, Россия Federal Government Budgetory Scientific Institution "Voronezh Federal Agricultural Scientific Center
named after V.V. Dokuchaev", Stone steps, Russia
E-mail: niish1c@mail.ru
Аннотация. В работе представлены результаты динамики изменения микробиологической активности почвы чернозема обыкновенного в естественных экосистемах на залежном фоне, а также при обработках почвы различной интенсивности и применении системы No-till прямой посев культур. В результате исследований установлено, что при культурном землепользовании в агроценозе черноземных почв общая численность микроорганизмов за 10-ти летний период наблюдений была стабильно-высокой и заметно превалировала при наиболее интенсивной обработке, составляя 48,67 млн КОЕ в 1 г абс.-сухой почвы, что на 24,6% выше, чем в почве естественной экосистемы. Но в условиях естественного ценоза в почве 130-летней залежи в многолетнем ряду наблюдений при низком уровне почвенного биома, прослеживалась тенденция к стабильному росту биологической активности почвы, о чем свидетельствуют установленные трендовые направленности и уравнения регрессии.
Ключевые слова: обработка почвы, система No-till, естественные экосистемы, микробиологическая активность почвы, гидротермический коэффициент.
Abstract. The paper presents the results of the dynamics of changes in the microbiological activity of the soil of ordinary chernozem in natural ecosystems on a fallow background, as well as during tillage of various intensities and the use of the No-till system for direct sowing of crops. As a result of the research, it was found that during cultural land use in the agro-cenosis of chernozem soils, the total number of microorganisms over a 10-year observation period was consistently high and noticeably prevailed under the most intensive treatment, amounting to 48.67 million CFU per 1 g abs.-dry soil, which is 24.6% higher than in the soil of the natural ecosystem. But under the conditions of natural cenosis in the soil of a 130-year-old deposit, in a long-term series of observations at a low level of the soil biome, there was a tendency to a stable increase in the biological activity of the soil, as evidenced by the established trend directions and regression equations.
Key words: tillage, No-till system, natural ecosystem, soil microbiological activity, hydrothermal coefficient.
Введение. Земли сельскохозяйственных угодий являются стратегическим ресурсом, основой продовольственной безопасности и стабильного развития государства, его ограниченным и невосполнимым ресурсом, который нужно беречь и рачительно использовать [1, 2]. Поэтому все факторы и приемы антропогенного воздействия на почвенную среду, используемые в результате сельскохозяйственного производства, не должны выводить почвенную систему за пределы ее адаптивных возможностей, обладать не только высокой эффективностью для продукционного процесса, но и слабым возмущающим воздействием на почвы.
В последние годы в современном земледелии значительное распространение получают экономичные энергосберегающие технологии минимальной обработки почвы. Востребованность в минимализации обработки почвы обусловливается ростом цен на энергоносители и необходимостью снижения затрат на производство сельскохозяйственной продукции, а обработка почвы является одной из высокозатратных операций в технологиях возделывания сельскохозяйственных культур. В современных технологиях на почвообработку отводится до 25% трудовых, 40% энергетических затрат [2-4]. Поэтому в последние годы в науке
и практике возрастает интерес к минимализации в обработке почвы, вплоть до перехода на систему «No-till» - прямого посева [5-8].
При этом разноречивость существующей научной информации, касающейся влияния минимализации обработки почвы и, особенно, прямого посева на плодородие почвы, усиливает остроту проблемы и является актуальным вопросом [9-11]. С другой стороны, в связи с ростом химико-техногенной нагрузки в агросфере, в последние десятилетия большое внимание уделяется разработке подходов к оценке экологического состояния почв [12-14]. Одним из самых чувствительных показателей, отражающих уровень и направленность изменения плодородия почв, является микробный пул почвы, так как микроорганизмы не только активно участвуют в формировании плодородия, но и чутко реагируют на изменения, происходящие в почвенной среде [15-18]. Поэтому мониторинг показателей микробиологической активности почвы позволяет на ранних стадиях изучения различных агротехнических приемов установить направленность почвенных процессов.
В связи с этим целью наших исследований было изучить динамику развития микробиологических процессов в черноземе обыкновенном в почве природной экосистемы -залежи и в агрогенных почвах при минимализации обработки почвы и прямом посеве.
Условия, материалы и методы. Исследования проводились в стационарном опыте по разработке наиболее эффективных приемов и систем обработки почвы в зернопропашном севообороте отдела адаптивно-ландшафтного земледелия и на рядом расположенном участке 130-летней косимой залежи. Почва опытных участков - чернозем обыкновенный среднегумусный, среднемощный, тяжелосуглинистый, с благоприятными физико-химическими и агрохимическими характеристиками.
Изучение микробиологической активности агрочерноземов при приемах и системах минимализации обработки почвы проводится в системе зернопропашного севооборота: горох -озимая пшеница - кукуруза на зерно - ячмень - однолетние травы - озимая пшеница -подсолнечник - ячмень. Биоценоз на залежи представлен степной злаково-бобовой растительностью.
Мониторинговые наблюдения за микробиологической активностью почвы были проводены в течение десяти лет с 2014 по 2023 год, с нарастающим сроком использования изучаемых приемов минимализации и нулевой обработки почвы на первом поле стационарного опыта на вариантах: традиционной обработки почвы - вспашки на глубину 20-22 см (контроль); поверхностной на глубину 6-8 см и прямом посеве, и в почве естественной экосистемы (косимая залежь - абсолютный контроль).
Для исследований отбирали репрезентативные смешанные почвенные образцы с каждого исследуемого объекта из слоя почвы 0-20 см. Анализ проводили на свежих образцах, хранившихся не более 24 часов при температуре 5°С. Учет численности изучаемых групп микробного сообщества определяли классическим методом посева на агаризованные элективные питательные среды различного состава по методике Е.З. Теппер (2004) [19].
Обработку экспериментальных данных осуществляли дисперсионным методом математического анализа Б.А. Доспехов (1985) [20] с использованием программного обеспечения ПК Microsoft Office Excel 2010.
Агроклиматические условия в годы проведения исследований значительно различались как по количеству осадков, так и по температурному режиму. ГТК за вегетационный период (май-август) за период наблюдений колебался в пределах от 0,3 в 2018 году до 1,33 в 2015 году и достаточно полно охватывал весь диапазон погодных условий характерных климату в регионе.
Результаты исследований и их обсуждение. Сохранение ценных сельскохозяйственных земель и плодородия черноземных почв возможно только при создании благоприятных условий для развития и обеспечения активной жизнедеятельности почвенной биоты и процессов почвообразования. Поэтому для достижения поставленных целей была изучена динамика изменения биологической активности чернозема обыкновенного по общей численности микроорганизмов в условиях естественной экосистемы - на 130 летней залежи косимой и в почве, используемой в сельскохозяйственном производстве при различных уровнях интенсивности обработки почвы. Результаты исследование показали, что введение почвы в культурное земледелие приводит к увеличению биологической активности почвы. В почве, используемой в сельскохозяйственном производстве, отмечается увеличение общей численности микроорганизмов по сравнению с залежью. Среднегодовая численность микроорганизмов на залежи за период наблюдений составляла 39,05 млн КОЕ в 1 г абсолютно
сухой почвы, в почве используемой в агроценозах сельскохозяйственных растений при нулевой обработке почвы общая численность составляла 44,98 млн КОЕ в 1 г почвы (рисунок 1).
Залежь Вспашка на 20- Поверхностная Нулевая
22 см обработка на 6-8
см
Рисунок 1. Среднегодовая численность микроорганизмов в естественной и агрогенной экосистемах, при различной интенсификации обработки почвы (2014-2023 гг.).
С нарастанием интенсивности обработки их число возрастало еще больше. При поверхностной обработке среднегодовая общая численность микроорганизмов составляла 47,93 млн КОЕ в 1 г абс.-сухой почвы или на 22,7%, при традиционной обработке почвы -вспашке на глубину 20-22 см общая численность микроорганизмов в среднем за десять лет исследований была максимальной и составляла 48,67 млн КОЕ в 1 г абс.-сухой почвы или на 24,6% выше, чем в почве залежи. При этом на залежи и при нулевой обработке биологическая активность почвы при более низкой интенсивности имела тенденцию к росту в течение периода наблюдений (рисунок 2), о чем свидетельствуют линии тренда и коэффициенты уравнений регрессий. В почве, подвергавшейся более интенсивной механической обработке, при более высоком уровне биологической активности не прослеживается роста биологической активности в промежуток периода наблюдений, что отмечается по линиям тренда и уравнения регрессии.
Анализ результатов хронологических исследований микробиологической активности почвы показал, что в течение периода исследований наблюдались широкоамплитудные колебания общей численности микроорганизмов, обусловленные погодными условиями вегетационных периодов, а в агроценозах и сменой культур в севообороте. При этом в многолетнем ряду наблюдений так же прослеживается изменение биологической активности почвы в различных природных системах, указывающие на то, что и в почве естественной экосистемы наблюдаются довольно большая амплитуда колебаний активности микроорганизмов по годам (рисунок 2).
Важное значение в формировании стабильно высокого плодородия почвы и продуктивности, выращиваемых растений имеет устойчивость течения микробиологических процессов в почве или слабая зависимость активности микроорганизмов от погодных условий, одного из основных факторов, влияющих на их жизнедеятельность. Выявление корреляционных связей между интенсивностью развития биома почв различных экосистем при различных гидротермических условиях вегетационного периода, представленных как гидротермический коэффициент Селянинова Н.И. (ГТК) показал, что в условиях природной экосистемы - залежной почвы, связь наименее слабая r=0,25 и прямая. То есть эта система в меньшей степени зависит от изменения погодных условий. В агрогенных экосистемах микробиологическая активность почвы в большей степени зависит от погодных условий. Здесь коэффициент корреляции между анализируемыми показателями сохраняет свою направленность и возрастает. При нулевой обработке почвы он равен 0,30, при поверхностной обработке - 0,46, а при традиционной обработке почвы - вспашке на глубину 20-22 см r=0,41.
При обработке почвы по системе No-till, так же как и в почве залежи, влияние погодных условий на микробиологическую активность почвы намного слабее, снижаясь до r=0,30, чему
способствует сформировавшийся на поверхности почвы мульчирующий слой аналогичный степному «войлоку» из растительных остатков и корней травянистой растительности, имеющемуся на залежи.
млн. КОЕ в 1 г почвы
70
60 50 40 30 20 10
0
2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 2022 2023 2024
вспашка 20-22 см нулевая
- Линейная (вспашка 20-22 см ) -Линейная (нулевая)
поверхностная залежь
- Линейная (поверхностная) Линейная (залежь)
Рисунок 2. Общая численность микроорганизмов в естественных и агрогенных экосистемах с различным уровнем интенсификации обработки почвы.
Наиболее значимая корреляционная связь между активностью микробиологических процессов в почве и гидротермическими условиями периода вегетации растений при поверхностной обработке на глубину 6-8 см обусловлена формированием такого почвенного профиля, так как этой обработкой, наиболее плодородный и биологически высокоактивный слой создается в поверхностном 0-8 см слое почвы, что определяет и большую зависимость активности микробиологических процессов от изменения погодных условий.
В почвенно-климатических условиях региона из почв, на которых проводится почвообработка при отвальной обработке почвы на глубину 20-22 см, когда формируется однородный по обогащению органическим веществом растительных остатков 0-22 см слой агрочернозема, отмечается более устойчивое течение биологических процессов в почве, с меньшей зависимостью от гидротермического режима, обусловленного погодными условиями периода вегетации r=0,41. Об этом же свидетельствует коэффициент вариации биологической активности почвы при этой обработке V=14%. При этом по нулевой обработке он составляет 17,5%.
Рассматривая интенсивность развития микробного компонента в почве в динамике, с нарастающим эффектом влияния различных обработок почвы необходимо отметить, что на фоне стабильного роста биологической активности почвы в условиях залежи и незначительной динамики роста микробиологической активности агрочернозема в условиях системы нулевой обработки почвы No-till, прослеживается общая тенденция снижения биологической активности агрогенных почв при поверхностной обработке (у=-0,02х+88,3) и стабилизация плодородия почв пашни при отвальной обработке на глубину 20-22 см (у=0,108х-170,3), о чем свидетельствуют установленные трендовые направленности и уравнения регрессии (рисунок 2).
Заключение. Результаты исследование показали, что введение почвы в культурное земледелие приводит к увеличению биологической активности черноземных почв. С нарастанием интенсивности обработки почвы она увеличивается и максимальная отмечается при традиционной обработке почвы - вспашке на глубину 20-22 см, где среднегодовая общая
численность микроорганизмов была максимальной и составляла 48,67 млн КОЕ в 1 г абс.- сухой почвы или на 24,6% выше, чем в почве залежи. Минимализация обработки почвы приводит к снижению микробного пула, при этом на залежи и при нулевой обработке биологическая активность почвы при более низкой интенсивности имела тенденцию к росту в течение всего периода наблюдений, тогда как в черноземе, подвергавшемся более интенсивной механической обработке, при стабильно-высоком уровне (численности) почвенной биоты такой тенденции биологической активности практически не прослеживается.
Список литературы
1. Кобякова Т.И., Уфимцева Л.В. Мониторинг плодородия почв центральной и северо-западной агроклиматических зон Курганской области // Достижения науки и техники АПК. 2018. Т. 32. № 11. С. 5-9.
2. Дедов А.В., Трофимова Т.А., Болучевский Д.А. Совершенствование основной обработки почвы в ЦЧР // Земледелие. 2013. № 6. С. 5-7.
3. Кузыченко Ю.А., Кулинцев В.В., Кобозев А.К. Эффективность обработки почвы в севооборотах на различных типах почв Центрального Предкавказья // Земледелие. 2017. № 4. С. 19-21.
4. Гармашов В.М. Научные основы обработки черноземных почв юго-востока ЦЧР (к 130-летию «Особой экспедиции ...» В.В. Докучаева): монография. Воронеж: Истоки, 2022. 414 с.
5. Власенко А.Н., Власенко Н.Г., Коротких Н.А. Разработка технологии NO-Till на черноземе выщелоченном лесостепи Западной Сибири // Земледелие. 2011. № 5. С. 20-22.
6. Кирюшин В.И. Проблема минимализации обработки почвы: перспективы развития задачи исследования // Земледелие. 2013. № 7. С. 3-6.
7. Чернозем типичный. Прямой посев, Курская область. Опыт, ротация 1.1 / Коллективная монография. М.: ГЕОС, 2021. 128 с.
8. Методические рекомендации по разработке минимальных систем обработки почвы и прямого посева / коллектив авторов; Почвенный институт имени В.В. Докучаева; Северо-Кавказский федеральный научный аграрный центр. М.: ООО «Издательство МБА», 2019. 136 с.
9. Несмеянова М.А., Дедов А.В., Коротких Е.В. Влияние приемов основной обработки почвы на ее плодородие, засоренность посевов и урожайность ячменя // Земледелие. 2022. № 4. С. 8-11.
10. Гармашов В.М., Говоров В.Н., Крячкова М.П. Изменение плотности сложения чернозема обыкновенного при минимализации обработки почвы и прямом посеве в условиях юго-востока ЦЧР // Аграрная Россия. 2022. № 3. С. 14-17.
11. Дридигер В.К., Стукалов Р.С. Оценка no-till технологии выращивания озимой пшеницы в сравнении с традиционной в зоне неустойчивого увлажнения Ставропольского края // Достижения науки и техники АПК. 2015. Т. 29. № 10. С. 39-42.
12. Колесников С.И., Казеев К.Ш., Вальков В.Ф. Экологические последствия загрязнения почв тяжелыми металлами. Ростов-на-Дону: Изд-во СКНЦ ВШ, 2000. 232 с.
13. Колесников С.И., Казеев К.Ш., Вальков В.Ф. Экологическое состояние и функции почв в условиях химического загрязнения. Ростов-на-Дону: Изд. Росиздат, 2006. 385 с.
14. Imfeld G, Vuilleumier S. Measuring the effects of pesticides on bacterial communities in soil: A critical review. Eur J Soil Bilog. 2012. № 49. P. 22-30.
15. Хазиев Ф.Х. Ферментативная активность почв. М.: Наука, 1986. 176 с.
16. Джанаев З.Г. Агрохимия и биология почв юга России // Под ред. В.Г. Минеева. М.: изд-во Моск. университета, 2008. 528 с.
17. Loss and Recovery of Soil Organic Carbon and Nitrogen in a Semiarid Agroecosystem / J.B. Notron, J. Eusebleus, M. Notron, U. Notron // Soil Organic Society of America Journal. 2012. № 76(2). P. 505-514.
18. Гармашов В.М., Гармашова Л.В. Биологическая активность чернозема обыкновенного при освоении технологии No-till // Международный научно-исследовательский журнал. 2020. № 12 (102). Ч. 1. С. 131-136.
19. Теппер Е.З., Шильникова В.К., Переверзева Г.И. Практикум по микробиологии: учеб. пособие для вузов. М.: Дрофа, 2004. 256 с.
20. Доспехов Б.А. Методика полевого опыта / Изд. 5-е доп. и перераб. М.: Агропромиздат, 1985. 351 с.
