CC BY
18
Вестник ДВО РАН. 2019. № 1
УДК 631.461+631.816 DOI: 10.25808/08697698.2019.203.1.005
Л.Н. ЩАПОВА, Л.Н. ПУРТОВА, И В. КИСЕЛЕВА
Влияние поверхностной обработки и уровня удобрения почвы на микрофлору агроземов и гумусообразование при возделывании многолетних трав
Приведены результаты исследований изменения численности и состава микрофлоры, каталазной активности, содержания, запасов гумуса и эмиссии СО2 агротемногумусовых глеевых агроземов в посевах козлятника восточного под влиянием поверхностных приемов обработки почв (боронование, дискование) по фонам нормальных и повышенных доз минеральных удобрений. Установлены эффективные приемы обработки почв, оказывающие позитивное влияние на процессы гумусонакопления.
Ключевые слова: почвы, гумус, микрофлора почв, плодородие, продуцирование СО2.
Influence of surface treatment and fertilization level on microflora of agrozems and humus accumulation in the cultivation of perennial grasses. L.N. SHCHAPOVA, L.N. PURTOVA, I.V. KISELEVA (Federal Scientific Center of the East Asia Terrestrial Biodiversity, FEB RAS, Vladivostok).
The results of the studies on the changes of microflora frequency and content, catala.se activity, content and reserves of humus and CO2 emission of agro-dark-humus gley soils in the Eastern Galega planting under different methods of surface tillage (harrowing, disking) and normal and enhanced doses of mineral fertilizers are presented. Effective agrotechnical methods of soil treatment have been established, which have a positive effect on the processes of humus accumulation.
Key words: soils, humus, soils microflora, fertility, CO2 production.
Введение
Использование в сельском хозяйстве почв как основного средства производства продовольствия неизбежно приводит к постепенному снижению уровня их плодородия и, как следствие, к снижению урожайности и качества продукции всех сельскохозяйственных культур. Проблема почвенного плодородия не только продолжает оставаться крайне актуальной, но из года в год осложняется. В современной экономической и экологической обстановке особая роль в повышении плодородия почвы и урожайности сельскохозяйственных культур принадлежит многолетним травам [2, 4].
Многолетние бобовые травы являются эффективным фактором биологизации земледелия. В условиях развивающихся рыночных отношений при высокой стоимости минеральных удобрений это наиболее доступное средство стабилизации и повышения урожайности сельскохозяйственных культур.
ЩАПОВА Людмила Никифоровна - кандидат биологических наук, старший научный сотрудник, ПУРТОВА Людмила Николаевна - доктор биологических наук, заведующая сектором, *КИСЕЛЕВА Ирина Владимировна - кандидат биологических наук, старший научный сотрудник (Федеральный научный центр биоразнообразия наземной биоты Восточной Азии ДВО РАН, Владивосток). *Е-таП: kiseleva-iv@inbox.ru
В последние годы все большие площади сельскохозяйственных угодий занимают ценной кормовой культурой - козлятником восточным (Galega orientalis Lam.), который превосходно сочетает высокую продуктивность с отличными кормовыми достоинствами при устойчивом семеноводстве, рациональном использовании агроклиматических условий территории и устойчивом повышении плодородия почвы [6, 8].
Как природный фитомелиорант козлятник восточный (далее - козлятник) обладает способностью симбиотически усваивать атмосферный азот и накапливать его в почве. Благодаря мощной, хорошо развитой корневой системе он легко усваивает фосфор и калий, улучшает структуру и плодородие почвы, обогащая ее органическим веществом за счет массы корней и пожнивных остатков [7, 11]. Главное достоинство козлятника - большое количество пожнивных остатков, которое остается после уборки культуры. Наблюдения показали, что содержание общего количества органического вещества в его корневых и пожнивных остатках составляет 12,2 т/га. Содержание гумуса при их разложении повышается на 0,61 т/га [9]. Однако процессы разложения, осуществляемые почвенным микробным сообществом, практически не исследованы.
Цель работы - изучить сообщества микроорганизмов, участвующих в процессах разложения органического вещества пожнивных остатков, и направленность этих процессов под влиянием боронования, дискования на различных фонах минеральных удобрений при возделывании козлятника.
В задачу исследований входило выявление наиболее эффективных агротехнических приемов повышения уровня потенциального плодородия при возделывании многолетних трав.
Объекты и методы
Объект исследований - агротемногумусовые глеевые почвы, осушенные открытой сетью каналов и распространенные по слабодренированным низким террасам. Почвенный профиль их состоит из генетических горизонтов: PU-AU-G-Cg [3]. Образцы отбирали в 2016 и 2017 гг. в первой декаде сентября на опытных полях кормового севооборота Приморского НИИСХ. Закладка полевых опытов произведена в мае 2016 г. на многолетних травостоях козлятника. Повторность опыта четырехкратная. Площадь каждой делянки 100 м2. Отбор смешанных почвенных образцов проводили в пахотном горизонте почв (PU, 0-20 см). Гумус определяли по методу Тюрина [1], каталазную активность - газометрическим методом по Галстяну [5], эмиссию СО2 - по Шаркову [10]. Выделение различных физиологических групп микроорганизмов, участвующих в превращениях органического вещества, проводили на общепринятых питательных средах [5]. Изучали следующие группы микроорганизмов: бактерии на мясопептонном агаре (среда МПА) - аммонифицирующие микроорганизмы, участвующие в разложении свежего органического вещества; актиномицеты и бактерии на крахмалоаммиачном агаре (среда КАА) - микроорганизмы, утилизирующие минеральные формы азота; олигонитрофилы на среде Эшби - бактерии, участвующие в процессах превращения азота в почве.
Результаты и обсуждение
Поверхностная обработка почв посевов многолетних трав является одним из эффективных агротехнических приемов, влияющих на омоложение травостоя, что, в свою очередь, сказывается на функционировании микрофлоры и протекании процессов гуму-сообразования.
Исследования 2016 г. показали, что численность микроорганизмов существенно меняется в почве с посевом козлятника при разных способах обработки почв. Количество
аммонифицирующих микроорганизмов (среда МПА) заметно возросло при бороновании почвы (140 % по отношению к контролю) и почти в 3 раза (289 %) - при дисковании по сравнению с контролем без обработки (табл. 1).
При исследуемых способах агротехнической обработки отмечена тенденция к увеличению количества микроорганизмов, использующих минеральный азот, от 132 до 262 % по отношению к контролю. При этом большая численность аммонификаторов способствовала сдерживанию интенсивности процессов минерализации органического вещества.
Наибольшие значения коэффициента минерализации установлены в вариантах, где численность бактерий, использующих минеральный азот, существенно больше, чем ам-монификаторов: на контроле (100 %) и при бороновании (94 %).
В варианте с дискованием отмечается более низкий коэффициент минерализации, что свидетельствует о менее быстром разложении органического вещества. Это объясняется более глубокой обработкой поверхности пахотного горизонта. Внесение удобрений в дозе ^0Р120К120 стимулирует развитие микроорганизмов, использующих минеральные формы азота (среда КАА), процесс минерализации органического вещества усиливается (табл. 1). К тому же при дисковании по сравнению с боронованием увеличивается численность других групп микроорганизмов (грибы, актиномицеты), что также может способствовать усилению процессов минерализации свежего органического вещества.
Внесение удобрений в умеренных дозах отрицательно сказывается на численности олигонитрофильных микроорганизмов, которые составляют группу почвенной микрофлоры, завершающую минерализацию органических соединений. При дисковании их
Таблица 1
Численность и групповой состав микроорганизмов (тыс. КОЕ на 1 г почвы), 2016 г.
Вариант опыта Аммони-фикаторы (МПА) Грибы (Чапека) Бактерии, использующие минеральный азот (КАА) Актино-мицеты (КАА) Олиго-нитро-филы (Эшби) КМ
1. Контроль 7 990 52,4 13 490 530,0 25 480 1,7
2. Боронование, без удобрений 11 230 49,9 17 790 130,0 23 940 1,6
3. Дискование, без удобрений 23 100 52,8 31 700 250,0 37 090 1,4
4. Фон, без обработки 16 750 46,4 20 100 260,0 25 160 1,2
5. Фон, боронование 16 900 38,2 21 410 400,0 21 980 1,3
6. Фон, дискование 23 790 53,0 35 300 260,0 22 680 1,5
7. 2Фон, без обработки 20 650 23,0 23 630 405,0 19 980 1,1
8. 2Фон, боронование 24 320 24,6 31 780 410,0 19 590 1,3
9. 2Фон, дискование 20 550 54,0 34 800 675,0 15 480 1,7
Относительные изменения, % от контроля
1. Контроль 100 100 100 100 100 100
2. Боронование 140 95 132 24 94 94
3. Дискование 289 101 235 47 145 82
4. Фон, без обработки 209 88 149 49 99 71
5. Фон, боронование 211 73 159 75 86 76
6. Фон, дискование 298 101 262 49 89 88
7. 2Фон, без обработки 258 44 175 76 78 65
8. 2Фон, боронование 304 47 235 77 77 76
9. 2Фон, дискование 257 103 258 127 61 100
Примечание. Здесь и в табл. 2 и 3: МПА, КАА - сокращенные названия сред, использованных для выделения группы микроорганизмов; КМ - коэффициент минерализации (соотношение групп микроорганизмов на средах КАА/МПА); Фон = Н45Р60К60 - нормальный фон минеральных удобрений; 2Фон = Н90Р120К120 - повышенный фон.
содержание увеличивается до 145 % относительно контроля. Развитие олигонитрофилов угнетается при повышенном фоне удобрений, особенно при дисковании.
Возможно, отрицательное влияние на жизнедеятельность олигонитрофилов оказывает азот, который внесен в почву в составе смеси минеральных удобрений.
Наибольшее содержание гумуса отмечено в вариантах с внесением удобрений и контроле (от 5,60 до 6,15 %), наименьшее - в вариантах с боронованием и дискованием (от 4,52 до 4,68 %) (табл. 2). Обработка почвы обусловила увеличение минерализации органики и уменьшение содержания гумуса за счет обедненного органикой нижележащего слоя. Внесение удобрений без обработки почв снижает минерализацию органического вещества, что способствует увеличению содержания гумуса (варианты 5, 7).
В варианте с дискованием также отмечено снижение показателей эмиссии СО2 и увеличение каталазной активности. Это связано со стимулированием развития большинства групп микроорганизмов по сравнению с контролем. При внесении удобрений в умеренной дозе (М45Р60К60) выделяется вариант с боронованием - здесь повышена каталазная активность (табл. 2).
Таблица 2
Изменение содержания и запасов гумуса, каталазной активности (Ка) и эмиссии СО2 при различных вариантах обработки почв
Вариант опыта Содержание гумуса, % Запасы гумуса в слое 20 см, т/га Ка, О2 см3/г почвы за 1 мин Эмиссия СО2, г С-СО2 м2/сут
М ± т*
1. Контроль 5,60 ± 0,20 130,1 ± 11,9 2,05 ± 0,2 1,76 ± 0,1
2. Боронование 4,52 ± 0,04 105,0 ± 0,09 2,80 ± 0,5 1,91 ± 0,0
3. Дискование 4,68 ± 0,16 104,9 ± 0,26 2,80 ± 0,5 1,43 ± 0,4
4. Фон, без обработки 5,75 ± 0,20 137,2 ± 7,42 2,95 ± 0,3 1,60 ± 0,4
5. Фон, боронование 5,69 ± 0,05 119,1 ± 2,79 3,73 ± 0,3 1,50 ± 0,2
6. Фон, дискование 5,04 ± 0,25 117,0 ± 2,08 2,30 ± 0,2 1,43 ± 0,5
7. 2Фон, без обработки 6,15 ± 0,58 113,0 ± 14,73 3,00 ± 0,0 2,31 ± 0,8
8. 2Фон, боронование 5,31 ± 0,48 114,4 ± 6,39 2,60 ± 0,6 1,98 ± 0,1
9. 2Фон, дискование 4,98 ± 0,06 105,6 ± 2,02 2,73 ± 0,1 1,83 ± 0,2
Относительные изменения, % от контроля
1. Контроль 100 100 100 100
2. Боронование 81 81 136 108
3. Дискование 84 81 136 81
4. Фон, без обработки 103 105 143 91
5. Фон, боронование 102 91 182 85
6. Фон, дискование 90 90 112 81
7. 2Фон, без обработки 110 87 146 131
8. 2Фон, боронование 95 88 127 112
9. 2Фон, дискование 89 81 133 104
Исследования 2017 г. показали, что произошли заметные изменения в микробоценозе. Так, на контроле без обработки численность микроорганизмов на МПА была почти в два раза выше, чем при дисковании, и в четыре раза больше, чем при бороновании (табл. 3).
Однако численность этих микроорганизмов была заметно ниже, чем в 2016 г. Очень высокой на контроле без обработки была численность микроорганизмов, минерализующих азот (среда КАА), - отмечалось их возрастание в три раза. В результате коэффициент минерализации органического вещества увеличился. При внесении удобрений без обработки почвы количество микроорганизмов, использующих минеральный азот, было практически одинаковым: 20 100 тыс. КОЕ/г почвы в 2016 г. и 23 000 тыс. КОЕ /г почвы в 2017 г.
Однако низкая численность микроорганизмов, способных разлагать свежее органическое вещество (среда МПА), приводит к доминированию процессов минерализации в почве, о чем свидетельствует высокий коэффициент минерализации (табл. 3). Вероятно, такая низкая их численность связана с резким переувлажнением почв в результате ливневых осадков в 2017 г.
Внесение удобрений в дозе ^5Р60К60 на варианте с дискованием приводит к увеличению количества микроорганизмов, развивающихся за счет органического азота (среда МПА), но снижает содержание микроорганизмов, утилизирующих минеральные формы азота, в 2017 г. по сравнению с 2016 г. Подобное соотношение способствует ослаблению минерализационных процессов, и коэффициент минерализации заметно снижается. Повышенная доза удобрений ^0Р120К120 способствовала увеличению содержания микроорганизмов, развивающихся за счет минеральных форм азота в варианте с дискованием. Однако их содержание было ниже, чем в 2016 г.
Таблица 3
Численность и групповой состав микроорганизмов (тыс. КОЕ на 1 г почвы) в сентябре 2017 г.
Вариант опыта Аммони-фикаторы (МПА) Грибы (Чапека) Бактерии, использующие минеральный азот (КАА) Актино-мицеты (КАА) Олигонит-рофилы (Эшби) КМ
1. Контроль 11 850 ± 895 104,0 ± 6,3 39 800 ± 1154 700 ± 57,7 8650 ± 577 3,3
2. Боронование 2880±287 60,0 ± 5,7 19 700 ± 1900 650 ± 33,0 8300 ± 577 6,8
3. Дискование 6250±881 51,5 ± 6,0 31600±1300 300 ± 0 8800± 519 5,0
4. Фон, без обработки 6500 ± 404 68,0 ± 7,0 23 000 ± 1730 650 ± 88,1 9150± 779 3,5
5. Фон, боронование 4860 ± 219 77,0 ± 1,7 28 600 ± 3233 550 ± 14,0 5800 ± 173 5,8
6. Фон, дискование 16 400 ± 519 52,0 ± 3,1 28 000 ± 577 200 ± 5,7 9750 ± 145 1,7
7. 2Фон, без обработки 8650±384 84,5 ± 3,1 24 550 ± 2915 400 ± 57,7 10 600 ± 109 2,8
8. 2Фон, боронование 8250±881 87,5 ± 4,3 21 600 ± 923 1050±145 11 550±375 2,6
9. 2Фон, дискование 14 400 ± 404 46,0 ± 3,2 31200± 1039 200 ± 0 7750±317 2,2
Относительные изменения, % от контроля
1. Контроль 100 100 100 100 100 100
2. Боронование 24 58 49 93 96 206
3. Дискование 53 49 79 43 102 151
4. Фон, без обработки 55 65 58 93 106 106
5. Фон, боронование 41 74 72 79 67 176
6. Фон, дискование 138 50 70 28 113 51
7. 2Фон, без обработки 73 81 61 57 122 85
8. 2Фон, боронование 70 84 54 150 133 79
9. 2Фон, дискование 121 44 78 28 90 67
Боронование почв без внесения удобрений слабо сказалось на численности микроорганизмов, утилизирующих минеральные формы азота. Здесь их количество было самым низким из всех вариантов опыта. Внесение удобрений в малых дозах при бороновании способствует увеличению численности микроорганизмов на КАА вдвое по сравнению с боронованием без удобрений. Боронование с применением высоких доз удобрений слабо сказывается на развитии микроорганизмов, развивающихся за счет минерального азота.
В 2017 г. отмечена закономерность к снижению численности олигонитрофильных микроорганизмов по сравнению с 2016 г. Обработка почвы без внесения удобрений слабо сказывается на жизнедеятельности олигонитрофилов. Внесение удобрений без обработки почвы несколько увеличивает содержание этих групп микроорганизмов.
Дискование с внесением удобрений в малых дозах увеличивает содержание олигони-трофильных микроорганизмов. Внесение высоких доз удобрений при дисковании снижает содержание олигонитрофилов, при бороновании, напротив, увеличивает.
Таким образом, в 2017 г. соотношение микроорганизмов в микробоценозе способствовало развитию процессов минерализации органического вещества.
Заключение
Установлено, что различная система агротехнической обработки почв в посевах козлятника при применении удобрений оказывает неоднозначное влияние на микрофлору почв и процессы трансформации органического вещества.
В 2016 г. соотношение различных групп микроорганизмов, влияющих на процессы минерализации органического вещества, складывалось оптимально. При этом интенсивность процессов минерализации органического вещества была ослаблена. Наиболее интенсивно эти процессы были выражены в вариантах без удобрений (контроль и боронование). В варианте с дискованием коэффициент минерализации был более низким.
Высокие дозы удобрений способствовали снижению интенсивности развития процессов минерализации органического вещества на контроле и при бороновании. Дискование способствовало возрастанию коэффициента минерализации.
Применение удобрений в дозе Н45Р60К60 способствовало снижению интенсивности минерализации органического вещества и сохранению гумуса на контроле и при бороновании. При дисковании коэффициент минерализации несколько возрастал.
В вариантах без обработки с повышенным фоном внесения удобрений прослеживалась тенденция к снижению интенсивности минерализационных процессов. Здесь зафиксировано большее по сравнению с контролем накопление гумуса, ферментативной (ката-лазной) активности почв и эмиссии СО2.
В 2017 г. в составе микробного ценоза наблюдалась низкая численность микроорганизмов, способных разлагать свежее органическое вещество (среда МПА). Доминировали микроорганизмы, участвующие в процессах его минерализации (среда КАА).
При нормальном фоне минеральных удобрений в варианте с боронованием снижается численность аммонификаторов и возрастает содержание микроорганизмов, использующих минеральные формы азота, что способствует более интенсивному протеканию мине-рализационных процессов (КМ = 5,8).
При повышенном фоне минеральных удобрений с различными типами обработки почв интенсивность процессов минерализации органического вещества ослабевала. При этом возрастала численность микроорганизмов, способных разлагать свежее органическое вещество (среда МПА).
Внесение минеральных удобрений в большинстве случаев снижает минерализацион-ную активность и способствует сохранению гумуса.
Агротехническая обработка почв без внесения минеральных удобрений в 2017 г. способствовала усилению интенсивности процессов минерализации органического вещества (КМ = 5,0-6,8).
ЛИТЕРАТУРА
1. Аринушкина Е.В. Руководство по химическому анализу почв. М.: Изд-во МГУ, 1970. 487 с.
2. Горгулько Т.В. Микробиологическое состояние почвы при разных системах обработки // Современное экологическое состояние природной среды и научно-практические аспекты рационального природопользования: материалы I Междунар. науч.-практ. конф. Соленое Займище: Прикаспийский НИИ аграрного земледелия, 2016. С. 1805-1808.
3. Классификация и диагностика почв России. Смоленск: Ойкумена, 2004. 342 с.
4. Кшникаткина А.Н., Гущина В.А. Приемы возделывания козлятника восточного // Козлятник восточный - проблемы возделывания и использования: тез. докл. I Всесоюз. науч.-производ. семинара. Челябинск, 1991. С. 54.
5. Методы почвенной микробиологии и биохимии. М.: МГУ, 1991. 304 с.
6. Надежкин С.М., Кшникаткина А.Н. Козлятник восточный улучшает плодородие черноземов // Земледелие. 2001. № 1. С. 23.
7. Ступаков И.А., Шумаков А.В. Влияние козлятника восточного на плодородие почв // Вестн. Курской гос. с.-х. академии. 2013. № 7. С. 30-31.
8. Тимонов В.Ю., Балабанов С.С., Чернышева Н.М. и др. Влияние козлятника восточного на почвенное плодородие // Вестн. Курской гос. с.-х. академии. 2010. № 5. С. 57-59.
9. Хуснидинов Ш.К. Нетрадиционные сидеральные культуры и плодородие почв Прибайкалья. Иркутск, 1999. 187 с.
10. Шарков И.Н. Определение интенсивности продуцирования СО2 почвой адсорбционным методом // Почвоведение. 1984. № 7. С. 136-143.
11. Эседуллаев С.Г., Шмелева Н.В. Возделывание козлятника восточного - эффективный способ повышения плодородия дерново-подзолистой почвы и продуктивность севооборота // Земледелие. 2015. № 1. С. 13-15.
