CC BY
70
УДК 631.4
Влияние агроэкологических условий
на микробиологическую активность почвы
1 1 2 3
С.И. Новосёлов, Е.С. Новосёлова, А.А. Завалин, Т.Х. Гордеева
1 Марийский государственный университет, Йошкар-Ола 2ВНИИА, Москва
3Марийский государственный технический университет, Йошкар-Ола
На дерново-подзолистой почве наиболее оптимальные условия для протекания микробиологических процессов складываются при влажности 20-25%, температуре + 15 ... + 25°С и плотности 1,1-1,2 г/см3.
The article states that the most favourable conditions for microbiological processes on the sodpodzol soils are: the temperature of + 15 ... + 25 °C, the moisture of 20-25% and the density of 1,1-1,2 g/ст3.
Введение. Систематическое использование минеральных и органических удобрений, агротехнические приемы возделывания сельскохозяйственных культур оказывают существенное влияние на агрохимические свойства почвы и ее биологическую активность. С деятельностью почвенной микрофлоры связаны процессы синтеза и разложения гумуса, мобилизация в почве труднодоступных для растений питательных веществ, процессы трансформации удобрений, вносимых в почву [6]. Развитие почвенных микроорганизмов в значительной мере зависит от складывающихся внешних условий: наличия органического вещества, гидротермического режима, а так же гранулометрического состава почвы [3,4,7,8]. Выявление и обеспечение оптимальных условий для развития почвенных микроорганизмов являются важной научной и практической задачей.
Методика исследований. В условиях модельных лабораторных опытов изучалось влияние почвенных условий на микробоценоз дерново-подзолистой поч-вы. Целью проведенных исследований было установление оптимальных условий для развития почвенных микроорганизмов.
Изучаемые факторы: 1. температура почвы: -10; -5; 0; +15; +25; +35; +45°С; 2. влажность почвы: 0; 5; 10; 15; 20; 25; 30%; 3. плотность почвы: 1,1; 1,2; 1.3; 1,4; 1,5; 1,6; 2 г/см3; 4. органическое удобрение (навоз): 0; 40; 80; 120; 160; 200; 240 т/га.
Для проведения исследований использовалась дерново-подзолистая, среднесуглинистая малогумус-ная почва стационарного опыта кафедры. Почва имела следующие агрохимические характеристики: содержание гумуса 1,7-1,9%; Р2О5 29,3-30,5; К2О 17,520,0 мг на 100 г почвы; рН сол. 6,0-6,2; Нг 1,0-1,1 мг
экв. на 100 г почвы; 8 14,7-15,1 мг экв. на 100 г почвы. Минеральный азот (нитратный + аммонийный) определяли после двухнедельного компостирования. Нитратный азот определяли потенциометрически, а аммонийный - колориметрическим методом с реактивом Несслера. Повторность опыта - 4-6-кратная. Результаты исследований обрабатывали дисперсионным и корреляционно-регрессионным методами [2].
Учет численности микроорганизмов проводили традиционным методом путем посева различных разведений на агаризованные питательные среды. Аммонифицирующие бактерии, использующие органические формы азота, учитывали на мясопептонном агаре; нитрифицирующие бактерии - на агаризован-ной среде Скермана; целлюлозоразлагающие бактерии - на среде Гатчинсона с целлюлозным порошком; азотобактер - методом обрастания комочков почвы на среде Эшби [8].
Изучение влияния плотности проводили путем уплотнения почвы ручным прессом. Для этого брали навеску почвы 10 г, помещали ее в пресс и уплотняли. Плотность рассчитывали исходя из массы почвы и объема спрессованной почвы в прессе. Изучение влияния влажности проводили путем высушивания и увлажнения почвы до расчетной влажности. Высушивание почвы проводили в сушильном шкафу. Для получения различной влажности к образцам почвы приливали расчетное количество дистиллированной воды. Изучение влияния температуры проводили путем помещения образцов в холодильный шкаф и термостаты, установленные на заданную температуру.
Результаты исследований. Проведенные исследования показали, что внесение навоза стимулировало деятельность микроорганизмов изучаемых групп
(табл.1). Количество аммонифицирующих бактерий возрастало - в 1,2-2,9 раза; актиномицетов - в 1,9-3,9 раза; целлюлозоразлагающих бактерий в 1,1-2,0 раза по сравнению с неудобренной почвой. Нитрифицирующие бактерии относительно слабо реагировали на внесение навоза. Их численность увеличилась в 1,1-1,5 раз по сравнению с контролем. Отзывчивым на внесение органического удобрения был азотобактер. Частота встречаемости азотобактера на опытных вариантах возрастала в 1,2-4,2 раза по сравнению с контролем.
Выявлены зависимости численности микроорганизмов от изучаемых доз навоза. Они носили криволинейный характер и описывались уравнениями второго порядка (табл. 2).
Таблица 2 - Зависимость численности микроорганизмов от доз навоза, т/га
Влияние температуры почвы на развитие микроорганизмов было неоднозначным (табл. 3). Установлено, что при температуре 0°С численность микроорганизмов была минимальной, что свидетельствует
о низкой микробиологической активности почвы. Увеличение температуры почвы до +15 ... +25°С способствовало увеличению численности всех изучаемых микроорганизмов. Дальнейшее повышение температуры достоверно снижало количество микроорганизмов этих групп. Необходимо отметить, что количество целлюлозоразлагающих бактерий и азотобактера было несколько выше по сравнению с другими группами микроорганизмов. Выявлено, что оптимальными для микрофлоры были следующие температуры: для аммонифицирующих и нитрифицирующих бактерий +25°С; для целлюлозоразлагающих бактерий, акти-номицетов и азотобактера - +15°С.
Таблица 3 - Влияние температуры на микробиоценоз дерново-подзолистой почвы
Микроорганизмы НСРо,5 Температура, °С
0 15 25 35 45
Аммонифицирующие бактерии, (млн./г абс. сухой почвы) 0,5 0,8 4,2 8,9 5,9 3,2
Актиномицеты, (млн./г абс. сухой почвы) 0,4 0,6 7,1 6,2 3,8 2,3
Нитрифицирующие бактерии, (тыс./г абс. сухой почвы) 1,4 0,3 11,7 18,0 13,3 5,0
Целлюлозоразлагающие бактерии, (тыс./г абс. сухой почвы) 1,7 2,3 32,7 29,3 19,0 6,3
Азотобактер, % встреч 0,9 2,8 34,8 22,0 5,3 0
Проведение корреляционно-регрессионного ана-лиза показало, что связь численности микроорганизмов изучаемых групп с температурой почвы была сильной, а зависимость описывалась уравнением второй степени (табл. 4).
Таблица 4 - Зависимость численности микроорганизмов от температуры, °С
Микроорганизмы Уравнение регрессии Я
Аммонифицирующие (млн./г абс. сух. почвы) У = 0,3689 + 0,523-Х - 0,01015-Х2 0,91
Актиномицеты (млн./г абс. сух. почвы) У = 1,05 + 0,472-Х - 0,01022-Х2 0,93
Нитрификаторы (тыс./г абс. сух. почвы) У = -0,2063 + 1,32-Х - 0,02669-Х2 0,98
Целлюлозоразлагающие (тыс./г абс. сух. почвы) У = 3,87 + 2,42-Х - 0,05366-Х2 0,97
Азотобактер, % встреч У = 6,32 + 1,97-Х - 0,04944-Х2 0,86
Влияние влажности почвы на микрофлору было неоднозначным (табл. 5). Отсутствие влаги в почве тормозило развитие микроорганизмов.
Таблица 1 - Влияние органического удобрения
на микробиоценоз дерново-подзолистой почвы
Микроорганизмы НСР0,5 Дозы, т/га
0 40 80 120 160 200 240
Аммонифицирующие бактерии, (млн./г абс. сухой почвы) 0,8 8,2 9,5 16,0 16,7 17,0 17,5 23,5
Актиномицеты, (млн./г абс. сухой почвы) 0,8 7,6 14,2 14,7 16,1 18,0 21,6 28,0
Нитрифицирующие бактерии, (тыс./г абс. сухой почвы) 1,2 17,0 18,3 20,3 21,3 24,0 26,0 25,7
Целлюлозоразлагающие бактерии (тыс./г абс. сухой почвы) 2,7 30,7 33,3 34,7 49,3 58,7 59,3 60,3
Азотобактер, % встреч 1,3 9,3 10,8 16,0 21,3 25,3 28,0 38,8
Микроорганизмы Уравнение регрессии Я
Аммонифицирующие (млн./г абс.сух. почвы) У = 8,31 + 0,0692 - 0,00005432-Х2 0,94
Актиномицеты (млн./г абс.сух. почвы) У = 9,6 + 0,04313-Х + 0,0001153-Х2 0,96
Нитрификаторы (тыс./г абс. сух. почвы) У = 16,68 + 0,04857-Х - 0,00003423-Х: 0,98
Целлюлозоразлагающие (тыс./г абс. сух. почвы) У = 27,62 + 0,1871-Х - 0,0001667-Х2 0,95
Азотобактер, % встреч У = 9,06 + 0,06196-Х + 0,0002336-Х2 0,99
Таблица 5 - Влияние влажности на микробиоценоз дерново-подзолистой почвы
Низкий уровень влажности почвы 5; 10% (1530% ПВ) создавал неблагоприятные условия для развития бактериальной микрофлоры. С увеличением влажности численность бактерий возрастала. Наиболее благоприятные условия для аммонифицирующих и целлюлозоразлагающих бактерий складывались при влажности почвы 20% (60% ПВ); для нитрифицирующих бактерий и азотобактера - 25% (75% ПВ). Дальнейшее увеличение влажности почвы снижало количество бактерий, что обуславливалось вытеснением воздуха почвы, подавляющего аэробные микробиологические процессы.
Таблица 6 - Зависимость численности микроорганизмов от влажности почвы
Актиномицеты лучше развивались в более сухой почве. Максимальная численность микроорганизмов данной группы отмечалась при влажности почвы 20-25% (6075% ПВ). При сильном увлажнении почвы до 30% (91% ПВ) количество актиномицетов значительно снижалось и составляло 25% от максимальных значений.
Зависимости между численностью микроорганизмов и влажностью носили криволинейный характер и описывались уравнением второй степени (табл. 6).
Многочисленными исследованиями установлено, что увеличение уровня техногенной нагрузки приводит к снижению микробиологической активности почвы [1,3,7]. В наших исследованиях уплотнение почвы оказывало негативное воздействие на микрофлору дерново-подзолистой почвы (табл. 7).
Таблица 7 - Влияние плотности на микробиоценоз дерново-подзолистой почвы
Микроорганизмы НСР0,5 Плотность, г/см3
1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 2,0
Аммонифицирующие бактерии, (млн./г абс. сухой почвы) 0,5 8,5 8,2 7,2 5,0 3,5 3,2 2,0
Актиномицеты, (млн./г абс. сухой почвы) 0,4 7,6 7,4 7,0 6,0 4,7 3,1 2,8
Нитрифицирующие бактерии, (тыс./г абс. сухой почвы) 0,8 18,0 17,0 10,3 9,7 9,7 7,0 2,3
Целлюлозоразлагающие Бактерии, (тыс./г абс. сухой почвы) 1,5 30,3 29,1 25,0 16,7 14,7 12,0 8,7
Азотобактер, % встреч 0,6 10,8 9,3 8,0 5,3 1,3 1,3 0
При увеличении плотности почвы с 1,1 до 2,0 г/см3 численность бактерий снижалась прямо пропорционально. При этом наиболее чувствительными к увеличению плотности почвы были нитрификаторы и азотобактер. При увеличении плотности почвы до 2,0 г/см3 их количество снижалось соответственно в 8 и 9 раз. Увеличение плотности почвы с 1,1 г/см3 до
1.2 г/см3 не оказывало существенного влияния на численность актиномицетов. Их количество достоверно снижалось при увеличении плотности почвы до
1.3 г/см3, при плотности почвы 2,0 г/см3 их численность составляла 37% от контрольных значений. Зависимости численности микроорганизмов от плотности почвы представлены в табл. 8.
Таблица 8 - Зависимость численности микроорганизмов от плотности почвы, г/см3
Микроорганизмы Уравнение регрессии Я
Аммонифицирующие (млн./г абс. сух. почвы) У = 38,2 - 36,38-Х + 9,11-Х2 0,97
Актиномицеты (млн./г абс. сух. почвы) У = 25,7 - 21,2-Х + 4,82-Х2 0,95
Нитрификаторы (тыс./г абс. сух. почвы) У = 67,28 - 59,8-Х + 13,7-Х2 0,97
Целлюлозоразлагающие (тыс./г абс. сух. почвы) У = 133,83 - 128,29-Х + 32,79-Х2 0,98
Азотобактер, % встреч У = 65,34 - 68,26-Х + 17,74-Х2 0,97
Микроорганизмы НСР0,5 Влажность, %
0 5 10 15 20 25 30
Аммонифицирующие бактерии, (млн./г абс. сухой почвы) 0,5 0 1,3 2,5 6,1 12,7 10,4 9,8
Актиномицеты, (млн./г абс. сухой почвы) 0,5 0 5,6 5,9 8,1 7,8 5,2 2,1
Нитрифицирующие бактерии, (тыс./г абс. сухой почвы) 0,4 0 0,3 1,7 6,7 15,7 16,7 9,4
Целлюлозоразлагающие бактерии, (тыс./г абс. сухой почвы) 1,6 0 2,2 4,3 22,0 33,0 30,7 23,3
Азотобактер, % встреч 1,4 0 3,0 9,3 10,8 14,8 34,8 21,3
Микроорганизмы Уравнение регрессии Я
Аммонифицирующие (млн./г абс. сух. почвы) У = -1,33 + 0,7129-Х - 0,01-Х2 0,91
Актиномицеты (млн./г абс. сух. почвы) У = 0,4143 + 0,9529-Х + 0,03-Х2 0,97
Нитрификаторы (тыс./г абс. сух. почвы) У = -2,73 + 0,9929-Х - 0,01524-Х2 0,85
Целлюлозоразлагающие (тыс./г абс. сух. почвы) У = -5,14 + 2,3-Х - 0,03971-Х2 0,89
Азотобактер, % встреч У = -1,36 + 1,08-Х - 0,004286-Х2 0,87
Таблица 9 - Влияние температуры на нитрифицирующую и аммонифицирующую способность почвы (мг/100 г абс. сухой почвы)
Температура, °С Содержание через 14 дней Нитрифицирующая способность Аммонифицирующая способность
N-N03- N-NH4+ ^мин
-10°С 4,33 1,60 5,93 0,07 0,33
-5°С 4,39 1,61 6,00 0,14 0,34
0°С 4,69 1,60 6,29 0,44 0,33
+15°С 7,44 0,69 8,13 3,19 -0,58
+25°С 6,50 0,68 7,18 2,25 -0,60
+35°С 6,58 0,74 7,32 2,33 -0,53
+45°С 4,43 4,15 8,58 0,18 2,88
НСР 05 0,71 0,24 0,75 - -
Нитрифицирующая и аммонифицирующая способность почвы в значительной степени зависела от температуры. При отрицательных температурах (-10...-5°С) содержание нитратного азота было невысоким и не превышало 4,39 мг/100 г, что объясняется пассивностью нитрифицирующих микроорганизмов. На этих же вариантах содержание аммонийного азота не превышало 1,6 мг/100 г (табл. 9). С повышением температуры до 15-35°С происходило увеличение содержания нитратного и уменьшение аммонийного азота. Наибольшее содержание нитратного азота наблюдалось при температуре 15°С и составляло 7,44 мг/100 г. При такой температуре наибольшей была и нитрифицирующая способность почвы 3,19 мг/100 г. При температуре 45°С с уменьшением численности микроорганизмов всех изучаемых групп наблюдалось резкое увеличение содержания аммонийного азота. Причина этого явления, очевидно, является их гибель и высвобождение азота в аммонийной форме. Зависимость содержания азота в почве от температуры носила криволинейный характер и описывалась уравнением второго порядка (табл. 10).
Таблица 10 - Зависимость содержания минерального азота от температуры почвы
N мг/100 г Уравнение регрессии Я
N-N03" У = 5,49 + 0,1428 Х - 0,003561-Х2 0,90
N-NН4+ У = 0,9723 - 0,08748 Х - 0,003183-Х2 0,85
N мин У = 6,44 + 0,06289-Х - 0,0005514-Х2 0,87
Исследования показали, что процесс нитрификации в почве начинается уже при влажности 5%, при дальнейшем увеличении влаги в почве содержание N-N03 увеличивается, достигая максимума при влажности почвы 20-25% (табл. 11).
Таблица 11 - Влияние влажности на нитрифицирующую и аммонифицирующую способность почвы, (мг/100 г абс. сухой почвы)
Влажность, % Содержание через 14 дней Нитрифицирующая способность Аммонифицирующая способность
N-N03- N-NH4+ N мин
0% 4,19 1,52 5,71 -0,06 0,25
5% 4,51 1,26 5,77 0,26 -0,01
10% 4,95 1,33 6,28 0,70 0,06
15% 6,90 0,75 7,65 2,65 -0,52
20% 7,4 0,47 7,87 3,15 -0,79
25% 7,75 0,48 8,23 3,50 -0,79
30% 5,03 0,61 5,64 0,78 -0,66
НСР05 0,79 0,22 0,79 - -
При этом содержание аммонийного азота снижалось. Дальнейшее увеличение влажности почвы до 30% приводило к торможению процесса нитрификации, что проявилось в снижении нитратного и увеличении содержания аммонийного азота.
Зависимость содержания азота от влажности носила криволинейный характер и описывалась уравнением второго порядка (табл. 12).
Таблица 12 - Зависимость содержания минерального азота от влажности почвы
N мг/100 г Уравнение регрессии Я
N-N03- У = 3,49 + 0,3473-Х - 0,008857-Х2 0,82
N-NH4+ У = 1,6 - 0,06893-Х - 0,001071-Х2 0,93
N мин У = 5,09 + 0,2751-Х - 0,007667-Х2 0,76
Проведенные исследования показали, что увеличение плотности негативно сказалось на содержании нитратного азота и нитрифицирующей способности почвы в целом (табл. 13).
Таблица 13 - Влияние плотности на нитрифицирующую и аммонифицирующую способность почвы (мг/100 г абс. сухой почвы)
Плотность, г/см3 Содержание через 14 дней Нитрифицирующая способность Аммонифицирующая способность
N-N03- N-NH4+ N мин
1,1 г/см3 6,35 0,71 7,06 2,10 -0,56
1,2 г/см3 5,08 1,24 6,32 0,84 -0,03
1,3 г/см3 4,49 1,34 5,83 0,24 0,07
1,4 г/см3 4,53 1,34 5,87 0,28 0,07
1,5 г/см3 4,62 1,34 5,96 0,37 0,07
1,6 г/см3 4,45 1,34 5,79 0,20 0,07
2,0 г/см3 3,21 1,38 4,59 -1,04 0,11
НСР 05 0,45 0,07 0,48 - -
С увеличением плотности с 1,1 г/см3 до 2,0 г/см3 содержание нитратного азота в почве снижалось. Это объясняется уменьшением количества воздуха в почвенном пространстве и ухудшением условий для развития нитрификаторов. Наибольшее содержание нитратного азота 6,35 мг/100 г было при плотности 1,1 г/см3, а наименьшее - при плотности 2,0 г/см3. Нитрифицирующая способность почвы снижалась аналогичным образом. Влияние уплотнения приводило к увеличению содержания аммонийного азота и аммонифицирующей способности почвы. Так, при плотности 1,1 г/см содержание аммонийного азота составляло 0,71, а при плотности 2,0 - 1,38 мг/100 г.
Зависимость содержания минерального азота от плотности носила прямолинейный характер и описывалась уравнением первого порядка (табл. 14).
Содержание нитратного азота в почве коррелировало с численностью нитрифицирующих бактерий. Между этими показателями установлена сильная корреляционная связь. Эти зависимости носили прямолинейный характер как в опыте с влажностью (коэффициент корреляции 0,88), так и с плотностью
(коэффициент корреляции 0,92). В этих опытах с увеличением численности нитрифицирующих бактерий содержание нитратного азота увеличилось.
На основании проведенных исследований можно сделать вывод, что на дерново-подзолистых почвах на развитие и активность микроорганизмов существенное влияние оказывают почвенные условия: наличие органического вещества, температура, влажность и плотность почвы, что в конечном итоге играет важную роль в азотном цикле и создании почвенного плодородия.
Наиболее оптимальные условия для протекания микробиологических процессов в почве складываются при влажности 20-25%, температуре + 15 ... + 25°С и плотности 1,1-1,2 г/см3.
ЛИТЕРАТУРА
1. Ахметов Ш.И. и др. Динамика выделившегося диоксида углерода серой лесной почвой при различных уровнях техногенной нагрузки в условиях Республики Мордовия. - Материалы региональной науч.-практ. конф. «Актуальные вопросы совершенствования технологии производства и переработки продукции сельского хозяйства». - Йошкар-Ола, 2005. - С. 78-81.
2. Доспехов Б.А. Методика полевого опыта. - М.: Агропром-издат, 1985. - 351 с.
3. ЗвягинцевД.Г. Почва и микроорганизмы. - М.: Изд-во, 1986. - 256 с.
4. Звягинцев Д.Г., Добровольская Т.Г., Бабьева И.П. Развитие представлений о структуре микробных сообществ почв // Почвоведение. - 1999. - №1. - С. 134-144.
5. Завалин А.А., Новоселов С.И. Биологические основы оптимизации азотного питания растений. - М.: Агроконсалт, 1999. - 96 с.
6. Минеев В.Г., Ремпе Е.Х. Агрохимия, биология и экология почвы. - М.: Росагропромиздат,1990. - 206 с.
7. Мишустин Е.Н., Емцев В. Т. Микробиология. - М.: Агро-промиздат, 1987. - 368 с.
8. Сэги И. Методы почвенной биологии. - М.: Колос, 1983. -
295 с.
Таблица 14 - Зависимость содержания минерального азота от плотности почвы
К, мг/100 г Уравнение регрессии Я
К-К03- У = 13,08 - 8,64-Х + 1,88-Х2 0,91
У = -3,08 + 5,32-Х - 1,55-Х2 0,84
N мин У = 9,17 - 2,26-Х 0,94
