CC BY
54
УДК 633.72 + 631.468:631.82:(213.1:470.62)
ВЛИЯНИЕ ДЛИТЕЛЬНОГО ПРИМЕНЕНИЯ МИНЕРАЛЬНЫХ УДОБРЕНИЙ НА БИОЛОГИЧЕСКУЮ АКТИВНОСТЬ ПОЧВ ЧАЙНЫХ ПЛАНТАЦИЙ
Л.С. Малюкова, к.б.н., Е.В. Рогожина, к.б.н., Д.В. Струкова, аспирант ГНУВНИИЦ и СКРоссельхозакадемии, e-mail: [email protected]
Изучено влияние длительного применения минеральных удобрений на комплекс показателей биологической активности бурых лесных кислых почв (состав и структура микробоценоза, азотфиксирующая и ферментативная активность почв, биоразнообразие и функциональная биологическая активность) на чайных плантациях Черноморского побережья России. Установлено изменение состава и состояния микробоценоза, инактивация ферментативной активности почв, снижение биоразнообразия микроорганизмов и их функциональной активности при внесении повышенных доз минеральных удобрений N600P180K150.
Ключевые слова: бурые лесные кислые почвы, чайная плантация, биологическая активность почв, применение минеральных удобрений.
EFFECT OF PROLONGED APPLICATION OF MINERAL FERTILIZERS ON THE BIOLOGICAL ACTIVITY OF THE BROWN FOREST ACID SOILS AT BLACK SEASHORE OF RUSSIA L.S. Malyukova, E.V. Rogozhkina, D.V. Strukova
The effect of long-term application of mineral fertilizers on the set of indicators of soil biological activity (composition and structure microbiocoenosis, nitrogen-fixing and enzyme activity of soils, biodiversity and functional biological activity) has been studied. Established changes in the composition and condition of microbiocoenosis, inactivation of the enzyme activity of soils, loss of biodiversity ofmicroorganisms and their functional activity in case of increased dozes ofmineral fertilizers (N600P180K150).
Keywords: acid brown forest soils, tea plantation, soil biologic activity, application of mineral fertilizers.
Разработка экологически обоснованных технологий применения минеральных удобрений напрямую сопряжена с оценкой безопасности и эффективности агротехнических приемов, как для возделываемой культуры, так и для среды обитания, в частности почвы. Особое значение в решении этих задач приобретает изучение направленности и интенсивности почвенных микробиологических процессов, так как функционирование почв в значительной степени обусловлено деятельностью почвенных микроорганизмов. При достаточно детальной изученности особенностей трансформации физических, физико-химических и химических показателей (кислотно--основных, агрофизических свойств, содержания макроэлементов и гумуса), имеющей место при возделывании субтропических и южных плодовых культур, значительно реже изучали изменения микробиологического статуса почв субтропической зоны России. При этом, именно микробиологическое состояние почв служит индикатором, с одной стороны, нарушений, произошедших в антропогенно-измененных почвах, а с другой - показателем способности почв к реабилитации. Состояние почвенного микробоценоза при этом отражает функциональное состояние почв и на этом основании микробиологические показатели (численные и функциональные) могут служить универсальными индикаторами состояния почв при почвенном мониторинге.
Для выявления ответной реакции почвенного микро-боценоза на антропогенную деградацию почв используют широкий спектр показателей: сокращение видового разнообразия; изменение структуры микробоценоза; изменение функциональных показателей активности микробоценоза - «дыхание», интенсивность азотфиксации, ферментативная активность почв, функциональное биоразнообразие микробных сообществ и др. [1-10]. При этом в меньшей
степени изучена биологическая активность почв субтропической зоны РФ (бурые лесные, желтоземы), а также особенности влияния минеральных удобрений в этих условиях [5-7, 10-13].
Исследования проводили на базе длительного полевого многофакторного опыта, включенного в реестр Географической сети опытов с удобрениями и другими агрохимическими средствами, 1986 г. закладки, на чайной плантации сорта Колхида, почва бурая лесная кислая на элюво-делювии аргиллитов. Опыт содержит 16 вариантов различных сочетаний и доз минеральных удобрений (К, Р, К в четырех градациях - 0, 1, 2, 3 единичных доз), повторность двукратная. Размер опытных делянок - 50 м2. Изучали 3 фактора: азотные, фосфорные и калийные удобрения в четырех градациях (0, 1, 2, 3 единичные дозы). Единичные дозы удобрений в период 1986-2010 гг. составляли по фосфору - 60 кг д.в./га, по калию - 50 кг д.в./га, по азоту изменялись по периодам: 1986-1988 гг. - 70 кг д.в./га; 1989-1992 гг. - 90 кг д.в./га; 1993-1999 гг. - 120 кг д.в./га; 2000-2010 гг. - 200 кг д.в./га. Для сравнительной оценки биологической активности бурых лесных кислых почв были отобраны почвенные образцы по нескольким вариантам опыта из верхних горизонтов (0-20 см). Исследуемая бурая лесная почва естественного ценоза (буково-грабовый лес) характеризовалась сильнокислой реакцией солевой вытяжки (рНКС1 3,9-4,2), низким содержанием гумуса (2,73,7%), низкой обеспеченностью легкогидролизуемым азотом (50-70 мг/кг) и подвижным фосфором (50-60 мг/кг) и средней обеспеченностью подвижным калием (200-300 мг/кг). При возделывании культуры чая свойства почвы значительно менялись в зависимости от применяемых доз минеральных удобрений: уменьшились
значения рН до 3,3-3,8; увеличилось содержание фосфора (400-900 мг/кг) и калия (350-450 мг/кг).
Количественный учет почвенных микроорганизмов различных трофических групп проводили методом разведений и высевом почвенной суспензии на элективные среды: на мясо-пептонном агаре (МПА) определяли сапрофитные бактерии, трансформирующие азотсодержащие органические соединения; на крахмало-аммиачном агаре (КАА) с добавлением пенициллина (1 мг/л) и нистатина (50 мг/л) - актиномицеты; на среде Чапека, подкисленной стерильной молочной кислотой в концентрации 4 мг/л - микроскопические грибы, активные продуценты гидролитических ферментов; на среде Эшби -свободноживущие азотфиксирующие бактерии и азотобактер (% комочков обрастания); целлюлозоразлагаю-щая микрофлора определялась на целлюлозном агаре. Определение «дыхания» почвы проводили титрометри-ческим методом с использованием в качестве поглотителя СО2 0,1н раствор NaOH; (навеска почвы - 100 г, в 3-х повторностях; инкубация почвы в герметично закрытых полиэтиленовых пакетах в течение 1 суток); определение потенциальной азотфиксации - методом ацетилен-редукции. Исследование функционального биоразнообразия микробных сообществ проведено методом муль-тисубстратного тестирования [7]. Обработку экспериментальных данных проводили в программе Statistica 6.
Исследуемые почвы характеризовались высокой био-генностью (высокая численность основных групп микроорганизмов), что обусловлено природно-климатическими условиями Черноморского побережья. Доминирующей морфологической группой микроорганизмов были бактерии, на 5 порядков ниже - численность грибов и актино-мицетов (табл. 1). Применение минеральных удобрений в дозе N200P6oK50 оказывало стимулирующее действие на бактериальную микрофлору почв (возрастала численность бактерий на МПА и свободноживущих аэробных азотфиксаторов, растущих на безазотистой среде Эшби). При этом отмечалось снижение численности групп микроорганизмов мицелиального комплекса (актиномицетов и грибов) и численности функциональной группы целлю-лозоразлагающих микроорганизмов, представители которой являлись медленнорастущими формами грибов и ак-тиномицетов (их рост наблюдался через месяц после начала инкубации). Подобный эффект указывал на допустимый уровень нагрузки, не выводящий микробное сообщество из адаптивной зоны гомеостаза по В.С. Гузеву и С.В. Левину [4], но приводящий, по-видимому, к направленной адаптивной перестройке. Применение высоких доз минеральных удобрений (N600P180K150) значительно снижало численность всех изученных морфологических групп микроорганизмов в почве и указывало на ослабева-
ние процессов противодействия при данной нагрузке превышающей предельно допустимую для этой системы.
При достаточно высокой численности свободноживу-щих аэробных азотфиксаторов бурые лесные кислые почвы зоны характеризовались невысоким уровнем потенциальной активности азотфиксации (от 0,6 до 2,9 нг С2Н4/г час в течение года), что обусловлено подавлением нитро-геназной активности свободноживущих азотфиксаторов в условиях высокой кислотности почвенного раствора. Систематическое внесение минеральных удобрений еще больше снижало потенциальную азотфиксирующую активность почв по сравнению с почвами контрольного варианта (табл. 2), что связано со способностью азотфикса-торов переходить на менее энергозатратный механизм утилизации азота из минеральных удобрений.
В изучаемых бурых лесных кислых почвах зоны выявлено присутствие резистентных к кислотности почвенного раствора форм аэробных бактерий-диазотрофов рода Azotobacter. При применении физиологически кислых удобрений отмечалось снижение процента обрастания почвенных комочков: в меньшей степени на варианте Н200Р60К50, в большей - на варианте Н600Р180К150 по сравнению с контролем (Н0Р0К0).
Показатели дыхательной активности почв также подтверждали ингибирующее действие минеральных удобрений на биологическую активность почв (табл. 2 и 3). Так, уровень «дыхания» почв на варианте Н200Р60К50 был сопоставим с контролем (значимость различий не достоверна), что указывало на допустимый уровень агрогенной нагрузки для данного типа почв и соответствующего ему микробного сообщества. Почвы на варианте Н600Р180К150 характеризовались наиболее низкими значениями «дыхания», что возможно связано со снижением активности и устойчивости микробного сообщества в результате длительного применения высоких доз минеральных удобрений.
В целом отмечалась невысокая пространственная вариабельность изученного показателя и высокая информативность, что позволяет рассматривать его в качестве одного из диагностических показателей уровня агроген-ных изменений (табл. 3).
Ферментативная активность почв также отражает аналогичный характер влияния минеральных удобрений на биологическую активность почв. Ранее установлено, что применение минеральных удобрений на бурых лесных почвах чайной плантации существенно снижало активность ферментов каталазы и фосфатазы в почвенном слое 0-20 см, ингибирующий эффект оказывали дозы азотных удобрений выше 200 кг д.в./га [12, 13]. При внесении минеральных удобрений в дозе Н200Р60К50 активность уреазы снижалась в поверхностном горизонте (0-5 см) и увеличивалась на глубине 5-40 см.
1. Влияние минеральных удобрений на групповой состав комплекса микроорганизмов бу-
Вариант Бактерии на мпаН Актиномицеты ГрибыН Свободноживущие азотфиксаторы Целлюлозоразлагающие микроорганизмы
Численность, КОЕ/ г абс. сух. почвы
Разведения
1010 105 105 1010 106
N0P0K0 (контроль) 8,0 ± 4,4 3,8 ± 1,3 4,6 ± 0,9 3,5 ± 1,6 13,9 ± 9,3
N200P60K50 22,8 ± 11,7 2,0 ± 0,5 3,4 ± 1,2 11,8 ± 4,9 3,6 ± 1,2
N600P180K150 5,5 ± 2,6 1,2 ± 0,5 1,9 ± 0,3 0,5 ± 0,2 не опред.
2. Влияние минеральных удобрений на функ-
3. Вариационно-статистические характеристики показателя «дыхания» бурых лесных кислых почв под культурой чая (почвенный слой 0-20
4. Коэффициент «здоровья» почв (G) чайной план-
Метод мультисубстратного тестирования был использован для интегральной оценки функционального состояния почв агроценозов чайной плантации при различном уровне нагрузок минеральными удобрениями. Для этого был использован интегральный индекс витальности (коэффициент «здоровья» почвы): G = где Nmax количество тест-субстратов (47), N количество потребленных субстратов (мера разнооб-
разия), d - коэффициент рангового распределения, отражающий устойчивость сообщества [7], в соответствии с которым, высокие значения G характерны для богатых и устойчивых систем и наоборот. Изучаемый показатель значительно варьировал по вариантам опыта (табл. 4).
Азотные удобрения наиболее существенно влияли на этот показатель, тогда как однозначных закономерностей влияния различных доз фосфора и калия не было выявлено. Лучшие почвенные условия (наибольшие значения G) обеспечивали варианты ^00Р60К150,
N200P180K150, N400P120K0, N200^0^0-
При применении одинарных (К200) и двойных (^сю) доз азотных удобрений почвы характеризовались в большинстве своем относительно высоким коэффициентом почвенного «здоровья» при соответствующей высокой урожайности агроценоза (5000-9000 кг/га). На вариантах без применения азотных удобрений коэффициент «здоровья» почвы низкий (<0,6) при урожайности агроценоза 900-2500 кг/га. Низким коэффициентом «здоровья» почвы характеризовались также почвы с применением тройных (К600) доз азота. На этих же вариантах отсутствовал пропорциональный рост урожайности вносимым дозам удобрений по сравнению с внесением двойных (М400) доз азота, что косвенно подтверждало стрессовое состояние почвенной биоты и избыточность таких высоких доз для аг-роэкосистемы чайной плантации.
Таким образом, длительное применение минеральных удобрений, особенно азотных, на бурых лесных кислых почвах под культурой чая, даже в относительно невысоких дозах (N200) оказывало заметное влияние на биологическую активность почв. Наиболее существенное изменение комплекса показателей биологической активности почв отмечалось при применении дозы N400-600. Метод мультисубстратного тестирования позволил на основе интегральной оценки функционального состояния почв агроценозов чайной плантации, а также их урожайности выделить наиболее оптимальные варианты, обеспечивающие равновесное состояние агроэкосистемы (почва - чайное растение), под которым понимается баланс между экономически оправданной урожайностью агроценоза и экологической устойчивостью почв.
циональную активность комплекса микроорганизмов (почвенный слой 0-20 см, октябрь, 2008)
Дыхательная Потенциальная ак-
Вариант активность, мг тивность азотфикса-
СО2/кг почвы ции, нг С2Н4/г почвы
N0P0K0(контроль) 68,4 1,06
N200P60K50 61,8 0,37
N600P180K150 56,34 0,58
см, ноябрь 2010 г.)
Показатель N0P0K0 N200P60K50 N600P180K150
Среднее, мг СО2/кг почвы 87,5 76,6 66,6
Максимум, СО2/кг почвы 103,2 80,8 70,8
Минимум, СО2/кг почвы 72,1 70,8 58,5
Стандартное отклонение 13,06 3,4 5,2
Коэффициент вариации, % 14,9 4,4 7,8
тации при применении минеральных удобрений
Вариант G NPK, кг/га G
N0P0K0 0,26 N400P0K0 1,03
N0P0K100 0,58 N400P0K100 0,53
N0P120K0 0,15 N400P120K0 0,66
NöP120K100 0,30 N400P120K100 0,29
N200P60K50 1,05 N600P60K50 0,28
N200P60K150 4,07 N600P60K150 0,52
N200P180K50 0,73 N600P180K50 0,06
N200P180K150 1,41 N600P180K150 0,13
Литература
1. Звягинцев Д.Г. Почва и микроорганизмы. - М.: Изд-во МГУ, 1987. - 256 с.
2. Мирчинк Т.Г. Почвенная микология: учеб. - М.: Изд-во МГУ, 1988. - 220 с.
3. Хазиев Ф.Х. Методы почвенной энзимологии. - М.: Наука, 1990. - 189 с.
4. Гузев В.С., Левин С.В. Перспективы эколого-микробиологической экспертизы состояния почв при антропогенных воздействиях // Почвоведение, 1991, № 9. - С. 50-62.
5. Минеев В.Г., Козлова Ю.Е., Кураков А.В., Гомонова Н.Ф., Звягинцев Д.Г. Последействие минеральных удобрений на микробиологические и агрохимические свойства дерново-подзолистой почвы // Докл. Рос. акад. с.-х. наук, 2001, № 4. - С. 19-21.
6. Казеев К.Ш., Колесников С.И., Вальков В.Ф. Биология почв Юга России. - Ростов-на-Дону: Изд-во ЦВВР, 2004. - 349 с.
7. Горленко М.В., Кожевин П.А. Мультисубстратное тестирование природных микробных сообществ. - М.: МАКС Пресс, 2005. - 87 с.
8. Джанаев З.Г. Агрохимия и биология почв юга России: моногр. под ред. акад. РАСХН В.Г. Минеева. - М. : Изд-во МГУ, 2008. - 528 с.
9. Мотузова Г.В., Безуглова О.С. Экологический мониторинг почв: учеб. - М.: Академ. проект Гаудеамус, 2007. - 237 с.
10. Беседина Т.Д., Янушевская Э.Б. Биологическая индикация состояния садовых экосистем в субтропиках России // Оптимизация технолого-экономических параметров и структуры агроценозов при возделывании плодовых культур и винограда: сб. -Краснодар, 2008. - С. 343-356.
11. Казеев К.Ш., Козин В.К., Колесников С.И., Вальков В.Ф. Биологические особенности почв влажных субтропиков России // Почвоведение, 2002, № 12. - С. 1474-1478.
12. Струкова Д.В., Малюкова Л.С. Активность ферментов каталазы и фосфатазы в бурых лесных кислых почвах чайной плантации субтропиков России // Субтропическое и южное садоводство России: науч. тр. ГНУ ВНИИЦиСК Россельхозакадемии. -Сочи, 2009, Вып. 42, Т. 2. - С. 118-126.
13. Струкова Д.В., Малюкова Л.С. Некоторые показатели биологической активности бурых лесных кислых почв чайных плантаций субтропиков России // Агрохимический вестник, 2010, № 6. - С. 5-9.
