Биологическая активность почвы как показатель эффективного плодородия при различных способах обработки почвы и видах удобрений

В статье рассматриваются вопросы биологической активности почвы в зависимости от  различных способов  обработки почвы и вносимых удобрений. 

Введение

Многочисленные исследования указывают на тесную взаимосвязь между интенсивностью биологических процессов, составом и  численностью микроорганизмов, а также содержанием органического вещества и биогенных элементов в почве. Почвенные микроорганизмы обладают мощным ферментативным аппаратом, выполняют многообразные функции в кругообороте всех биогенных элементов, участвуют в почвообразовании и поддержании почвенного плодородия. Поэтому биологическую активность почвы в этом случае следует рассматривать как одну из важнейших характеристик интенсивности микробиологических процессов.

По данным Н. Д. Ананьевой, Т. В. Балаян [1, 2], любое воздействие на почву значительно изменяет характер биологических процессов, протекающих в ней.

На биологическую активность почвы оказывают значительное влияние способы обработки и внесение различных видов удобрительных средств.

Внесение в почву удобрений не только улучшает питание растений, но и изменяет условия существования почвенных микроорганизмов, которые также нуждаются в минеральных элементах. На одном гектаре окультуренной почвы сухая масса микроорганизмов может достигать 6-9 ц. Поэтому в определенных условиях микрофлора почвы может выступать в роли конкурента растениям за доступные формы питательных веществ. Прямая конкуренция наиболее вероятна при низких концентрациях элементов питания в среде. Возможно, с фактором конкуренции связано то, что применение минеральных удобрений более эффективно на почвах с низкой биологической активностью. В то же время в литературе содержатся данные, свидетельствующие о положительном действии микрофлоры на поглощение ионов. Сообщается, что в присутствии микроорганизмов увеличивается количество железа, транспортируемого в побег проростков ячменя.

При благоприятных климатических условиях количество микроорганизмов и их активность после удобрения почвы значительно возрастают. Усиливается распад гумуса, а вследствие этого увеличивается мобилизация азота, фосфора и других элементов. Микроорганизмы почвы и ризосферы являются продуцентами витаминов, ферментов, антибиотиков и других физиологически активных веществ, а корневая система растений способна их усваивать.

Одной из острых проблем в аграрном секторе является ухудшение экологического состояния пахотных земель, загрязнение сельскохозяйственных угодий токсическими веществами, снижение почвенного плодородия вследствие резкого уменьшения объема применения органических и минеральных удобрений.  Ингибируется жизнедеятельность большинства микроорганизмов, включая их ферментативную активность. Рекомендуется вносить оптимальные дозы органических удобрений, что повышает биохимическую и микробиологическую активность почв, быстрее снижает количество остаточной нефти и других поллютантов по сравнению с внесением одних минеральных удобрений.

Обработка почвы, удобрения оказывают существенное влияние на качественный и количественный состав микрофлоры, поскольку микроорганизмы являются исключительно чуткими реагентами на изменения в окружающей среде. Величина биомассы микроорганизмов – важный показатель, определяющий как интенсивность круговорота веществ в экосистеме, так и направленность почвообразовательного процесса.

Наибольшая суммарная микробная биомасса наблюдается в лесной почве (19,5 т/га), а наименьшая – в почве поля (6,5 т/га). Огородная почва занимает промежуточное положение по запасам микробной биомассы и составляет 10,5 т/га.

В структуре микробной биомассы доминируют грибы, причем, в почвах лесной и огородной преобладает биомасса мицелия грибов, а в почве пахотной – биомасса спор.

Внесение навоза и минеральных удобрений повышает общее содержание микробной биомассы, а известкование снижает общее содержание микроорганизмов и грибного мицелия [3, 7].

Интенсивность гумусообразования тесно связана с жизнедеятельностью этих микроорганизмов и максимальна в лесных почвах. Уменьшение количества  и биомассы грибов в пахотных почвах, обусловленное изменением условий почвенной среды, является одной из важнейших причин уменьшения содержания гумуса и утраты почвой структуры, так как основное цементирующее звено – гуминовые кислоты – образуются при значительном участии грибов [3]. Авторами изучалось изменение численности основных групп почвенных микроорганизмов при различных способах обработки почвы и системах удобрений в севообороте [4, 5, 6].

Объекты и методы исследований

Полевые опыты проводились по общепринятым методикам [8] на опытном поле Гродненского государственного аграрного университета. Почва дерново-подзолистая супесчаная, подстилаемая с глубины 40–60 см моренным суглинком. Агрохимическая характеристика была следующая: гумус – 1,94 %; Р2О5 – 396 мг/кг; К2О – 129 мг/кг; рНКCl – 6,27; сумма поглощенных оснований – 16,2 м-экв. на 100 г почвы.

На фоне различных способов обработки почвы (вспашка, дискование) изучали эффективность различных видов органических и минеральных удобрений. Размер делянки – 80 м2. Повторность опыта – четырехкратная.

В ходе исследований использовались следующие удобрения: органические – подстилочный навоз; минеральные – мочевина, двойной суперфосфат, хлористый калий; ассоциативные – азотобактерин.

Среди биологических индикаторов, характеризующих различные аспекты состояния почвенной биоты, ведущее место занимают почвенные микроорганизмы вследствие своей высокой лабильности, исключительно четкой способности реагировать на изменения, происходящие в почве. В настоящее время механизмы функционирования микробных сообществ в почвах выяснены еще не достаточно и требуют детализации количественно-качественных характеристик биогенности почв. Известно, что именно они обеспечивают стабильную устойчивость и продуктивность биогеоценозов.

Для определения численности микроорганизмов в почве применяли метод учета их на твердых питательных средах. Почву отбирали в 10 местах с каждой делянки. После тщательного перемешивания, удаления корешков и других посторонних включений отбирали средний образец в 10 г и переносили в колбу с 90 мл стерильной водопроводной воды. Взбалтывали 15 минут. Готовили разведения 1:100 для посева грибов на среду Чапека, 1:1000 – актиномицетов на крахмало-аммиачный агар (КАА) и 1:10 000 – бактерий на мясо-пептонный агар (МПА).

Высевали по 0,05 мл соответствующего разведения на две параллельные чашки. Учет бактерий проводили через двое суток, актиномицетов и грибов – через 7 суток. На КАА учитывали кроме актиномицетов и другие группы бактерий, усваивающие минеральный азот, на среде Чапека – дрожжи.

Численность микроорганизмов в значительной степени определяется метеорологическими условиями, но четкая корреляционная зависимость между ними выявляется в том случае, если один из этих факторов является лимитирующим (например, дефицит влаги). В засушливое летнее время, когда почва испытывает недостаток влаги, последняя выступает как основной экологический фактор, и все показатели  почвы, независимо от фитоценотической разновидности, становятся очень сходными по всему комплексу микробиологических процессов. К осени, когда почва достаточно увлажнена, снова проявляются различия между почвами под разными растениями. Тайсон и Поуп установили, что термальный стресс, выражающийся в резком отклонении температурных условий от оптимальных, к которым были адаптированы популяции гетеротрофных бактерий, может приводить к количественным изменениям численности на уровне временного угнетения жизнедеятельности.

Результаты и обсуждение

Анализ результатов микробиологических исследований, показал, что в июле (в период засухи) численность всех групп микроорганизмов невысокая. Увеличение численности бактерий на фоне вспашки отмечается в вариантах РК + ас. уд. и навоз. Во всех остальных вариантах численность бактерий ниже по сравнению с контролем. На фоне дискования незначительное увеличение численности отмечено в вариантах NРК + ас. уд., навоз + ас. уд., навоз + NРК + ас. уд., а также чистый NРК и навоз. В вариантах РК + ас. уд. и навоз + NРК данный показатель ниже контрольного (рис. 1, 2). Однако в целом значительных изменений в численности бактерий по вариантам опыта не наблюдалось. В августе численность бактерий уменьшается практически на всех вариантах за исключением вариантов с ассоциативными удобрениями (навоз + NРК + ас. уд., навоз + ас. уд., NРК + ас. уд., РК + ас. уд.).

         Численность бактерий в почве, пелюшко-овес + райграс (вспашка)

Рисунок 1. – Численность бактерий в почве, пелюшко-овес + райграс (вспашка)

 Численность бактерий в почве, пелюшко-овес + райграс (дискование)

Рисунок 2. – Численность бактерий в почве, пелюшко-овес + райграс (дискование) 

Рассматривая группу актиномицетов (рис. 3, 4), можно сказать о резком снижении их численности. В июле количество актиномицетов на фоне вспашки составило 133– 346 тыс./г, на фоне дискования – 53–280 тыс./г. В августе, через месяц после уборки пелюшко-овса и райграса, отмечается резкое увеличение численности актиномицетов по всем вариантам. Особенно выделяются варианты NРК, навоз + NРК, навоз + NРК + ас. уд., а на фоне вспашки еще РК + ас. уд., NРК + ас. уд., навоз + ас. уд.

  Численность актиномицетов в почве, пелюшко-овес + райграс (вспашка)

Рисунок 3. – Численность актиномицетов в почве, пелюшко-овес + райграс (вспашка)

 Численность актиномицетов в почве, пелюшко-овес + райграс (дискование)

Рисунок 4. – Численность актиномицетов в почве, пелюшко-овес + райграс (дискование)

Численность грибов, аналогично другим группам микроорганизмов, определялась влиянием температуры и влажности в данный период. Если на фоне дискования можно проследить антагонистическое влияние ассоциативных удобрений (происходит снижение численности грибов в вариантах РК + ас. уд., NРК + ас. уд., навоз + ас. уд., навоз + NРК + ас. уд.), то на фоне вспашки наблюдается обратный эффект (рис. 5, 6).

Численность грибов в августе значительно увеличивается на вариантах с ассоциативными удобрениями. Внесение навоза с минеральными и ассоциативными удобрениями также способствовало увеличению их численности. Однако на контрольном варианте и варианте с навозом отмечается снижение численности грибов по сравнению с июлем.

Резюмируя вышесказанное, можно предположить, что в результате резкого отклонения температуры и влажности от оптимальных параметров данный микробный комплекс в июле находился в зоне стресса, то есть наблюдались количественные изменения численности и временное угнетение жизнедеятельности микроорганизмов, что сказалось на урожайности пелюшко-овса и райграса однолетнего.

Нарушение цикла в развитии отдельных групп микроорганизмов в  течение 30 дней при любых стрессовых ситуациях расценивается как нормальное, естественное явление. Если микробиологическая деятельность (численность и видовой состав) восстанавливается в течение 60 суток, то реакция микробиоценоза  считается обратимой, и необратимой, если ингибирование отдельных форм микроорганизмов более чем на 50 % сохраняется до конца вегетационного периода.

Восстановление за 30 дней произошло на вариантах с внесением ассоциативных удобрений. Бактерии обладали наибольшей чувствительностью к неблагоприятным условиям, а грибы – наибольшей устойчивостью. Самому сильному стрессу подверглись микроорганизмы в вариантах: контрольный (без удобрений) и с чистым навозом. Здесь в августе еще отмечалось снижение численности бактерий и грибов.

Численность грибов в почве, пелюшко-овес + райграс (вспашка)

Рисунок 5. – Численность грибов в почве, пелюшко-овес + райграс (вспашка)

 Численность грибов в почве, пелюшко-овес + райграс (дискование)

Рисунок 6. – Численность грибов в почве, пелюшко-овес + райграс (дискование)

Анализируя в целом результаты исследований по состоянию почвенной биоты, следует отметить, что антропогенное воздействие посредством удобрений, способов обработки оказывает значительное воздействие на биологические процессы.

Внесение навоза, а также комплексное внесение минеральных и органических удобрений создает оптимальные условия для жизнедеятельности целлюлозоразлагающих микроорганизмов, значительно увеличивает численность всех групп микроорганизмов.

Выявлено положительное влияние ассоциативных удобрений на комплекс биологических показателей почвы, устойчивость микробных сообществ к стрессу, вызванному неблагоприятными погодными условиями (дефицит влаги).

Видовой и количественный состав микроорганизмов не является постоянной величиной и может колебаться в значительных пределах. На этот показатель влияет целый ряд факторов, в том числе и агротехнических (удобрения, обработка почвы) (табл. 1).

Количество микроорганизмов в почве было различно и в течение вегетации. Так, максимальное содержание бактерий было во второй половине лета (июль), а наименьшее количество отмечалось весной (апрель). Примерно такая же динамика сезонного колебания численности была по актиномицетам и плесневым грибам.

Применение безотвальной обработки почвы имело преимущество перед вспашкой в повышении количества бактерий (6,6 %) и плесневых грибов (20,1 %) при всех системах удобрений. Содержание актиномицетов по безотвальной обработке, наоборот, было ниже (в среднем, на 14,5 %). Самое высокое количество микроорганизмов наблюдалось в почве целинного аналога (рис. 7).

Содержание  микроорганизмов  в почве

 Влияние способов основной обработки почвы на количество микроорганизмов, млн шт./1 г воздушно-сухой почвы (в среднем за вегетацию)

Рисунок 7. – Влияние способов основной обработки почвы на количество микроорганизмов, млн шт./1 г воздушно-сухой почвы (в среднем за вегетацию)

Таблица 1 Взаимосвязь удобрений и способов обработки почвы с численностью бактерий и урожайностью ячменя

 Взаимосвязь удобрений и способов обработки почвы с численностью бактерий и урожайностью ячменя

Исследования авторов подтверждают выводы многих специалистов, что в пахотных почвах происходит снижение содержания микроскопических грибов, что является одним из наиболее значимых нарушений почвенной биоты. Грибы являются основным разрушителем органического вещества (85 % органического вещества почвы разлагается совместным влиянием грибов и бактерий), и уменьшение их количества и биомассы в пахотных почвах – одна из главных причин уменьшения  содержания гумуса в пахотных почвах, утраты почвой структуры, так как основным цементирующим звеном ее являются гуминовые кислоты, которые образуются также при значительном участии грибов.

Выявлена взаимосвязь удобрений и способов обработки почвы с численностью бактерий и урожайностью ячменя и клевера 2-го года пользования. На фоне внесения минеральных удобрений численность бактерий по вспашке и дискованию отличалась незначительно, и продуктивность ячменя на этом фоне по вспашке была выше на 3,1– 9,3 %. На органо-минеральном фоне численность бактерий при бесплужной обработке превышала их численность по вспашке на 25–71 %, и урожайность ячменя также была выше на 5,1–9,4 % при обработке почвы без оборота пласта.

Примерно такая же закономерность сохраняется при рассмотрении взаимосвязей удобрений и способов обработки почвы с численностью бактерий и урожайностью клевера 2-го года пользования. Урожайность клевера на органоминеральном фоне была выше при дисковании на 3,4–7,0 %, а численность бактерий – на 2,9–41,0 % по сравнению со вспашкой (табл. 3). 

Таблица  3  – Взаимосвязь    удобрений  и  способов  обработки  почвы  с численностью бактерий и урожайностью клевера

 Взаимосвязь    удобрений  и  способов  обработки  почвы  с численностью бактерий и урожайностью клевера

Заключение

В результате проведенных исследований и обобщения данных других авторов

установлено снижение численности плесневых грибов на всех вариантах опыта в севообороте при обработке почвы с оборотом пласта (на 2,6–42,0 %) по сравнению с обработкой почвы без оборота пласта.

Уменьшение содержания микроскопических грибов является одним из наиболее серьезных нарушений в составе почвенной биоты.

Грибы – основные разрушители органического вещества и главные агенты процесса гумусообразования, так как основное цементирующее звено – гуминовые кислоты – образуются при значительном участии грибов. Это приводит к быстрой минерализации гумуса, изменению физической структуры почвы, снижению ее плодородия в целом и нарушению круговорота веществ. Особенно если учесть, что биомасса грибов составляет 85–90 % от суммарной биомассы микроорганизмов,  а длина грибного мицелия достигает 600–900 м/г почвы. При вспашке грибы из мицелиальной формы переходят в споровую, тем самым нарушается связь литосферы с фитоценозами, которая осуществлялась через мицелий грибов.

Таким образом, следует сделать вывод, что вспашка эффективна только при применении минеральных удобрений.

Если в почве достаточно свежего органического вещества, то в этом случае рыхление почвы более эффективно, чем вспашка.

Этими данными, по-видимому, можно объяснить неоднозначность выводов многих исследователей относительно эффективности обработки почвы с оборотом пласта и без оборота.

 

Литература 

  1. Ананьева, Н. Д. Микробиологическая оценка почв в связи с самоочищением от пестицидов и устойчивостью к антропогенным воздействиям / Н.Д. Ананьева : автореф. дис. … на соиск. учен. степ. д-ра биол. наук [Институт физ.-хим.и биол. проблем почвоведения РАН]. – М.,
  2. Балаян, Т. В. Биологическая активность дерновоподзолистой почвы и урожай сельскохозяйственных культур/ Т.В. Балаян // Почвоведение. – 1993. – №
  3. Берестецкий, О. А. Влияние растительных остатков на почвенно- микробиологические процессы в полях севооборота / О. А. Берестецкий, Ю. М. Возняковская // Роль микроорганизмов в с.-х. производстве. – 1983. – Т.
  4. Валько, В. П. Особенности биотехнологического земледелия / В. П. Валько, А. В. Щур – Минск : БГАТУ, 2011. – 196 с.
  5. Валько, В. П. Сельскому     хозяйству     –     биогеоценотическую    основу     /В. П. Валько // Наука – производству : материалы 2-й Междунар. конф. – Гродно, 1998.
  6. Валько, В. П. Влияние удобрений и способов обработки почвы на численность и групповой состав микробных сообществ в дерново-подзолистой супесчаной почве / В. П. Валько // Междунар. аграр. журн. – 2001. – №
  7. Гончаров, Н. Ф. Способы использования и биологическая активность почвы / Н. Ф. Гончаров, А. В. Попов, Н. Г. Митина // Совершенствование технологических средств и технологий возделывания с.-х. культур : материалы науч.-практ. конф., Курск, 1–4 февраля – Курск, 1995.
  8. Доспехов, Б. А. Методика полевого опыта (c основами статистической обработки результатов исследований) / Б.А. Доспехов. – 5-е изд., доп. и перераб. – М. : Агропромиздат, 1985.
Год: 2014
Город: Алматы