CC BY
54
ВестникКрасГАУ. 2015. №2
г
Л
БИОЛОГИЧЕСКИЕ НАУКИ
ч
ПОЧВОВЕДЕНИЕ
УДК 631.51:631.468:634.0.114 (571.1)
Н.В. Перфильев, О.А. Вьюшина, Д.Р. Майсямова
ВЛИЯНИЕ СИСТЕМ ОСНОВНОЙ ОБРАБОТКИ НА МИКРОБИОЛОГИЧЕСКУЮ АКТИВНОСТЬ ТЕМНО-СЕРОЙ ЛЕСНОЙ ПОЧВЫ В СЕВЕРНОМ ЗАУРАЛЬЕ
Проанализировано влияние длительного применения систем основной обработки различной степени интенсивности на особенности формирования микроорганизмов, ассимилирующих минеральные и органические формы азота в темно-серой лесной почве, свидетельствующие о направленности процессов изменения ее плодородия в Северном Зауралье.
Ключевые слова: система основной обработки, микробиологический состав, зерновые культуры.
THE PRIMARY TREATMENT INFLUENCE ON THE MICROBIOLOGICAL ACTIVITY OF DARK-GREY
FOREST SOIL IN THE NORTHERN TRANS-URALS
The influence of the long-term application of the primary treatment systems withthe various intensity degrees on the formation peculiarities of microorganisms assimilating the nitrogenmineral and organic forms in the dark-grey forest soil that indicates to the directionality of its fertility change processes in the Northern Trans-Urals is analyzed.
Key words: primary treatment system, microbiological composition, grain crops.
Введение. Обладая мощным, разнообразным и лабильным ферментативным аппаратом, микроорганизмы играют исключительно важную роль в самоочищении почв, состоянии их плодородия. Поэтому изучение почвенной микрофлоры и ее мониторинг в зависимости от агротехнических условий использования пашни актуальны и практически значимы. Различные системы основной обработки в значительной степени влияют на водный, воздушный и тепловой режимы почвы. Это отражается на направлении, характере и интенсивности протекающих в ней микробиологических процессов, что выражается в минерализации органической части почвы. Тем самым обработка почвы способна оказывать влияние на обеспеченность доступными элементами питания растений, а в итоге - на их продуктивность и плодородие почвы.
Ранее проведенные исследования по данной теме показали, что численность почвенных микроорганизмов изменяется в зависимости от технологии возделывания сельскохозяйственных культур [1-3], от степени интенсификации обработки почвы [4].
Цель исследований. Установить характер изменений качественного и количественного состава микрофлоры пахотного слоя темно-серой лесной почвы, использующей органический и минеральный азот, при воздействии различных систем обработки почвы.
Методы и результаты исследований. Исследования проведены нами в стационарном опыте в 1996-2003 гг. на опытном поле Научно-исследовательского института сельского хозяйства Северного Зауралья в период третьей ротации полевого севооборота: чистый пар - озимая рожь -пшеница - вика - ячмень, развернутого во времени и пространстве. Почва темно-серая лесная тя-
N.V. Perfilyev, O.A. Vyushina, D.R. Maisyamova
желосуглинистая. Глубина гумусного слоя 25-27 см, содержание гумуса 4,2-5,0 %, рН солевой вытяжки 6,0-6,4. Сумма поглощенных оснований 29,4 мг/экв.
Наблюдения за активностью микроорганизмов проведены в поле ячменя по отвальной - ежегодная вспашка на 20-22 см, безотвальной - рыхление стойками СибИМЭ на 20-22 см, комбинированной - чередование вспашки и рыхления стойками СибИМЭ на 20-22 см и дифференцированной (в пару и после озимой ржи плоскорезная обработка КПЭ-3,8 на 12-14 см, вспашка под зернобобовые, под ячмень и после него дискование БДТ-2,5 на 10-12 см) системой основной обработки. Весной на изучаемых фонах основной обработки проводили закрытие влаги боронами БзСС-1,0, общепринятую предпосевную обработку культиватором «Смарагд» и посев сеялкой СЗП-3,6.
Анализ основных физиологических групп почвенных микроорганизмов проводился по методическим рекомендациям Ю.М. Возняковской [5] путем высева почвенной суспензии определенных разведений на элективные питательные среды.
Годы исследований по метеоусловиям вегетационного периода можно сгруппировать следующим образом: 1993-1996, 1999, 2001, 2003 - по увлажнению и температурному режиму были благоприятными для роста и развития культурных растений; 1997, 1998, 2000 гг. - недостаточно обеспеченными осадками, теплые; 2002 г. - влажный, с недостаточным количеством тепла.
Результаты учета микроорганизмов, использующих органические формы азота, показали, что почва опытного участка имеет высокую степень обогащенности ими [6]. В пахотном слое их численность составляла 13,2-47,5 млн штук на 1 г воздушно-сухой почвы (табл.). В то же время системы основной обработки в течение вегетации оказывали влияние на численность микроорганизмов по горизонтам пахотного слоя и на его гомогенность. Вследствие чего в различных горизонтах пахотного слоя биологическая активность была неравномерной.
В начале вегетации, после посева и в период кущения зерновых в слое почвы 0-10 см наибольшее количество микробных клеток было на вариантах систематической безотвальной обработки стойками СибИМЭ на 20-22 см -27,3 и 22,2 млн шт/г и при отвальной системе обработки - 23,4 и 19,1 млн шт/г.
Микробиологический состав и численность микрофлоры в пахотном слое темно-серой лесной почвы перед посевом зерновых в зависимости от системы основной обработки
(1993-2002 гг.)
Количество микроорганизмов, тыс. шт/г воздушно-сухой почвы
Система основной обработки Слой почвы, см Использующие органические формы азота (аммонифика-торы) на МПА* Использующие минеральные формы азота на КАА** Соотношение МПА:КАА
Перед Куще- Восковая Перед Кущение Восковая Перед Куще- Восковая
посевом ние спелость посевом спелость посевом ние спелость
Отвальная 0-10 23437 19127 48407 39016 63882 45675 0,60 0,30 1,06
10-20 22776 17833 46638 39183 36804 45595 0,58 0,48 1,02
0-20 23106 18480 47522 39100 50343 45635 0,59 0,37 1,04
Безотвальная 0-10 27278 22215 25257 51715 39698 51652 0,53 0,56 0,49
10-20 20776 16998 22158 32027 26204 48297 0,65 0,65 0,46
0-20 24027 19606 23708 41871 32951 49974 0,57 0,60 0,47
Комбиниро- 0-10 21233 14465 21123 37536 41409 44715 0,56 0,35 0,47
ванная 10-20 23165 14420 17922 43458 36726 46652 0,53 0,39 0,38
0-20 22199 14442 19522 40497 39068 45684 0,55 0,37 0,42
Дифферен- 0-10 16069 13920 18760 41815 52819 53107 0,38 0,26 0,35
цированная 10-20 11729 12381 13457 36627 44489 41380 0,32 0,28 0,32
0-20 13899 13150 16108 39221 48654 47244 0,35 0,27 0,34
* МПА - мясо-пептонный агар; ** КАА - крахмало-аммиачный агар.
По вспашке численность микроорганизмов была меньше, чем по безотвальной обработке, на 3,1-3,8 млн шт/г, или на 16,1-16,4 %.
Более резкое снижение количества этой группы микроорганизмов отмечено по комбинированной системе обработки - 2,2-4,6 млн шт/г, или на 9,4-24,3 % относительно вспашки.
Самое малое количество микроорганизмов, использующих органические формы азота 13,916,1 млн шт/г, что на 27,2-31,4 % меньше, чем по вспашке, было по дифференцированной системе обработки, которая включала дискование БДТ-2,5 на 10-12 см под ячмень.
В слое почвы 10-20 см уровень численности микроорганизмов в период посев-всходы по отвальной и комбинированной системам обработки был близок слою 0-10 см, то есть по этим системам обработки отмечена большая однородность 0-20 см слоя по количеству микроорганизмов и их распределению (рис.).
По безотвальной и дифференцированной обработке численность микроорганизмов в 1020 см слое снижена по сравнению с верхним 0-10 см слоем почвы этих же вариантов на 4,3-6,5 млн шт/г почвы, или на 24-27 %.
Количество микроорганизмов, использующих органический азот в слое 10-20 см по безотвальной обработке, было меньше, чем по систематической вспашке, на 2,0 млн шт/г, или на 8,8 %, по дифференцированной системе обработки соответственно на 11,0 млн шт/г, или на 48,5 %. Как видим, по дифференцированной системе, при которой применялись преимущественно мелкие обработки, в период посев-всходы количество микроорганизмов, использующих органический азот в слое 0-10 и 10-20 см, было минимальным, соответственно 16,1 и 11,7 млн шт/г почвы, или на 31,448,5 % меньше, чем по вспашке.
60000
40000
20000
■отвальная комбинированная
безотвальная дифференцированная
50000 40000 30000 20000 10000 0
посев
кущение уборка
А - слой почвы 0-10 см
отвальная комбинированная
безотвальная дифференцированная
посев
кущение
Б - слой почвы 10-20 см
уборка
50000 40000 30000 20000 10000 0
отвальная комбинированная
безотвальная дифференцированная
посев
кущение
В - слой почвы 0-20 см
уборка
Численность микроорганизмов (тыс. шт/г), использующих органический азот в почве в зависимости от системы основной обработки (1993-2002 гг.)
0
В среднем по слою 0-20 см в период посев-всходы численность микроорганизмов, использующих органический азот, была близкой по всем вариантам глубокой обработки - отвальной, безотвальной и комбинированной, разница между этими вариантами не превышала 4 %. Самая низкая численность была по дифференцированной системе обработки - 13,9 млн шт/г почвы, или 60,2 % к контролю.
Уменьшение численности микроорганизмов при сокращении глубины и интенсивности обработки обусловлено анаэробиозом почвенной среды и уменьшением механического перемешивания почвы и, как следствие, снижением зараженности почвы микробными клетками, а также обеднением свежим органическим веществом нижней части пахотного слоя.
К кущению происходило общее снижение количества микроорганизмов, связанное с уменьшением влажности и повышением плотности почвы, к уборке их численность становилась снова близкой к ее уровню в период посев-всходы.
В эти периоды происходило некоторое перераспределение в численности микроорганизмов в зависимости от обработки почвы.
В период кущения по глубокой отвальной и безотвальной обработкам в 0-20 см слое почвы численность микроорганизмов была довольно близкой, с той разницей, что по вспашке почва была однородной по количеству микроорганизмов в 0-10 и 10-20 см слое, а по безотвальной большее количество их было сконцентрировано в 0-10 см слое.
По комбинированной и дифференцированной системам обработки снижение численности микроорганизмов в слое почвы 0-20 см составило в этот период соответственно 21,8 и 28,8 %.
В период восковой спелости зерновых численность данной группы микроорганизмов по всем ресурсосберегающим системам обработки снижалась по сравнению с отвальной системой на 50,1-66,1%.
Величина количества микроорганизмов, ассимилирующих минеральные формы азота в пахотном слое почвы опытного участка, по шкале оценки степени обогащенности микроорганизмами Д.Г. Звягинцева [6] оценивается как очень богатая, то есть превышает величину 20 млн шт/г почвы. Микроорганизмов этого вида было больше по всем обработкам и во все фазы вегетации растений по сравнению с микроорганизмами, усваивающими органический азот, в 1,6-3,7 раза. Численность их в 0-20 см слое составляла 32,9-50,0 млн шт/г воздушно-сухой почвы.
Количество их увеличивалось от посева к уборке. Основным экологическим фактором, влияющим на динамику интенсивности микробиологических процессов, является влажность почвы. Самое минимальное количество микроорганизмов по горизонтам по всем видам обработок наблюдалось в 1998 (засушливом) году.
При довольно близких значениях численности данного вида микроорганизмов по разным системам обработки в слое почвы 0-20 см в весенний период после посева наблюдалось различие в распределении микроорганизмов по слоям пахотного горизонта. Так, в слое почвы 0-10 см наибольшая численность микроорганизмов была по безотвальной и дифференцированной обработкам - соответственно на 12,7 и 2,8 млн шт/г почвы, или на 32,5 и на 7,1%, больше по сравнению с отвальной системой обработки. По комбинированной обработке в этом слое она была близка к контрольному варианту.
В слое почвы 10-20 см, наоборот, по безотвальной и дифференцированной обработкам численность микроорганизмов, усваивающих минеральный азот, снижалась по сравнению с вариантом вспашки на 7,2-2,6 млн шт/г почвы, или на 18,3-6,5 %.
Периодическое оборачивание при комбинированной системе обработки почвы способствовало периодическому поступлению органического вещества в слой почвы 10-20 см, что привело в этом случае к увеличению численности микроорганизмов на 4,3 млн шт/г почвы, или на 11 %.
К периоду уборки данная закономерность в основном сохранялась.
При довольно близких значениях численности микроорганизмов в слое почвы 0-20 см, так же как и в весенний период, в 0-10 см слое содержание по безотвальной и дифференцированной обработкам было выше, чем по вспашке, на 13,1-16,3 %. В слое почвы 10-20 см по безотвальной обработке их численность была близка к контролю, а по дифференцированной - ниже на 9,2 %. При комбинированной системе обработки значения численности данной группы микроорганизмов были близки к контрольному варианту и в 0-10 и 10-20 см слое почвы.
Наши данные по влиянию основной обработки на численность и распределение в пахотном слое микроорганизмов в основном согласуются с результатами А.Н. Власенко [4], установившего, что на черноземах лесостепи Западной Сибири динамика численности основных эколого-трофических групп микроорганизмов пропорциональна степени минимализации обработки почвы.
По соотношению микроорганизмов, разлагающих органический азот (МПА), к микроорганизмам, использующим минеральный азот (КАА), судят о плодородии почв. Чем шире соотношение МПА : КАА, тем ниже плодородие почвы. Исходя из данных, полученных за годы исследования, соотношение МПА : КАА ниже по дифференцированным обработкам и составляет 0,32, тогда как по остальным обработкам этот коэффициент несколько выше - от 0,45 до 0,67. Данные, полученные в результате исследований, показывают, что разложение органического вещества почвы более интенсивно идет по отвальной обработке. В то же время по всем видам обработок отмечается, что процесс минерализации преобладает над процессом гумусообразования, почва бедна доступным для растений органическим азотом. На каждые 100 г разложенного органического вещества бактерии используют на синтез белка биомассы 2 г азота. При содержании азота в органическом веществе разлагающейся растительной массы менее 2 % он будет полностью иммобилизован в клетках микроорганизмов, а при более высоком его содержании будет выделяться аммиак. Иммобилизаци-онный азот - наиболее лабильная часть органического азота почвы. Этот азот минерализуется в почве с помощью микроорганизмов, использующих минеральный почвенный азот, и является ближайшим резервом в питании растений.
Заключение. На фоне высокой степени обогащенности микроорганизмами обработка почвы без оборота пласта и сокращение глубины обработки ведут к снижению численности микроорганизмов, усваивающих органический азот в пахотном 0-20 см слое почвы весной на 60,2 %, в период кущения на 21,8-28,8 %, к уборке на 50,1-66,1 %.
При довольно близких и высоких значениях численности микроорганизмов, усваивающих минеральные формы азота в слое почвы 0-20 см, при различных системах основной обработки отмечена дифференциация их распределения по почвенным горизонтам. В слое почвы 0-10 см весной их численность была наиболее высокой при безотвальной и дифференцированной обработке - на 32,5 и 7,1% выше, чем по вспашке. В слое почвы 10-20 см их количество по безотвальной и мелкой обработкам снижалась по сравнению с вариантом вспашки на 18,3 и 6,5 %. К уборке эта закономерность сохранялась.
Преимущественно мелкие и безотвальные обработки в дифференцированной системе обработки снижали величину соотношения численности микроорганизмов, усваивающих органический азот, к минеральному, что свидетельствует о снижении плодородия почвы при использовании этих обработок. Для преодоления отмеченных отрицательных явлений в системах основной обработки темно-серой лесной почвы необходима периодическая вспашка.
Литература
1. Мишустин Е.Н. Ассоциация почвенных микроорганизмов. - М.: Наука, 1975. - С. 18-33.
2. Моргун Ф.Т., Шикула Н.К. Почвозащитное бесплужное земледелие. - М.: Колос, 1984. - 277 с.
3. Кирюшин В.И., Данилова А.А. Биологическая активность выщелоченного чернозема Приобья в связи с интенсификацией возделывания зерновых культур // Агрохимия. - 1990. - № 9. -С. 79-86.
4. Власенко А.Н. Научные основы минимализации основной обработки почвы в лесостепи Западной Сибири. - Новосибирск, 1994. - С. 48-49.
5. Основные микробиологические и биохимические методы исследования почвы: метод. рекомендации / Ю.М. Возняковская [и др.]. - Л., 1987. - 47 с.
6. Звягинцев Д.Г. Методы почвенной микробиологии и биохимии. - М.: Изд-во МГУ, 1991. - 304 с.
