Biological activity of sod-podzolic soils in the long term experiment with different agrotechnical methods

Cover Page

Abstract


The effect of long-term application of grain-fallow-plow crop rotation with various legume densities, permanent cultivation of winter rye and barley, continuous bare fallow on the ecological and physiological state of the microbial community of sod-podzolic heavy loam soil was investigated. Biological activity indexes of soil microbiocenoses such as potential intensity of СО2 emission, microbial biomass gross respiration rate, metabolic coefficient, nitrogen fixation were assessed. It has been shown that the best humus state of soil and significant increase in the total nitrogen content provides the introduction of organic fertilizer (manure) in the “Crop rotation of 28,6% of legumes”. The ratio of the microbial biomass in sod-podzolic heavy loam soil organic matter varies from 1,50 to 3,24%. Application of mineral fertilizers leads to insignificant decrease in the carbon content of microbial biomass and raising of labile organic carbon. The decrease of metabolic activity in microbial communities has been determined in all variants of long-term study regardless of agrotechnical techniques. It has been established that permanent intensive cultivation of crops either with or without crop rotation leads to stability interference of the Cis-Urals soil microbiocenosis.


Full Text

Важное направление в решении проблемы сохранения и воспроизводства плодородия почвы, улучшения экологической обстановки и формирования высокой продуктивности сельскохозяйственных культур – оптимизация применения агрохимических средств [1]. Систематическое внесение органических и минеральных удобрений, выращивание многолетних бобовых трав способствуют повышению исходного уровня окультуренности дерново-подзолистой почвы, что обеспечивает устойчивую урожайность полевых культур при снижении степени деградации почвы до экологических нормативов [2]. Большой интерес представляют результаты многолетних исследований по трансформации и деградации гумуса в дерново-подзолистой почве в длительных стационарных опытах [3–5]. В них учтены многолетнее внесение по ротациям севооборота различных питательных элементов с удобрениями и вынос их с урожаем [6].

Распашка и сельскохозяйственное использование почвы сопровождаются изменением интенсивности и направленности микробиологических процессов, резко меняется состав микробного сообщества, усиливаются минерализационные процессы, уменьшается содержание органического вещества и общего азота в почве. Для воспроизводства почвенного плодородия все большее значение приобретают севообороты с бездефицитным балансом азота, возможностью продуцирования биологических азотсодержащих соединений и повышенным углеродным питанием почвы [7]. Увеличение продуктивности пашни и сохранение плодородия пахотных земель осуществляются за счет активизации биологических ресурсов. Возврат питательных веществ в почву происходит в процессе ежегодного поступления свежего органического вещества, активизации почвенной микрофлоры [8]. Обогащение почвы симбиотическим азотом в зависимости от вида многолетних бобовых трав, уровня ее удобренности и погодных условий составляет 175-258 кг/га и более [9]. Основным показателем почвенного плодородия служит микробиологическая активность почвы. Запас гумуса – стабильный признак, обусловленный сочетанием целого комплекса почвенных свойств и генетическими особенностями почвы. Значения потенциальной интенсивности выделения диоксида углерода и запаса микробной биомассы характеризуют физиологическую активность почвенной гетеротрофной микробиоты и являются ее количественными показателями [10].

 

Табл. 1. Агрохимические показатели дерново-подзолистой почвы при различном землепользовании

Фактор А – Тип землепользования

рНKCl

Гумус,

%

Сгк:Сфк

Азот

общ,%

N тг,

мг/кг

Nлг,

мг/кг

Nmin,

мг/кг

          Без минеральных удобрений

 

    Севооборот  (28,6% бобовых)  + навоз

5,46

2,53

0,76

1729

564

217

8,9

     Севооборот (0% бобовых)

5,19

1,89

0,72

1295

423

205

6,7

     Севооборот ( 42,9% бобовых)

4,90

1,90

0,78

1428

507

247

8,7

     Ячмень

5,14

1,88

0,72

1442

423

217

7,9

     Озимая рожь

5,10

1,81

0,70

1441

448

227

7,1

     Залежь

4,84

2,35

0,96

1554

553

300

5,2

     Чистый пар

 

4,99

1,34

0,55

980

396

175

7,0

NPK

 

     Севооборот   (28,6% бобовых) + навоз

5,33

2,51

0,78

2058

591

284

10,8

     Севооборот (0% бобовых)

5,05

1,93

0,72

1281

419

222

7,0

     Севооборот (42,9% бобовых)

5,04

1,92

0,79

1449

560

258

9,2

     Ячмень

5,01

1,77

0,76

1624

557

279

7,3

     Озимая рожь

5,12

1,83

0,76

1449

568

230

6,8

Главных

эффектов

фактора А

0,06

0,12

 

296

Fф<Fт

Fф<Fт

Fф<Fт

фактора В и взаимодействия АВ

0,05

Fф<Fт

 

Fф<Fт

47,93

Fф<Fт

Fф<Fт

Частных

различий

I порядка

0,08

0,18

 

419

160,18

67,36

1,6

II порядка

0,14

0,13

 

149

107,18

43,78

2,7

 

Вовлечение почв в систему землепользования приводит к усилению процессов минерализации органического вещества, уменьшению количества гумуса, увеличению содержания углекислоты в атмосфере [11]. По динамике и скорости продуцирования углекислоты можно не только судить о напряженности биологических процессов, но и оценить потери органического вещества вследствие развития процессов минерализации [12]. Сравнительные данные, полученные в условиях агроценозов и ненарушенных земель, дают возможность выявить характер изменений, вызываемых антропогенными воздействиями.

Цель настоящей работы – изучение изменений биологической активности микробоценозов дерново-подзолистой тяжелосуглинистой почвы в многолетнем залежном и пахотном состоянии.

Методика. Полевые исследования проводили на базе длительного стационара, заложенного в 1977 г. Почва опытного участка – дерново-мелкоподзолистая тяжелосуглинистая. Ее агрохимическая характеристика при закладке опыта: содержание гумуса – 1,9%, подвижного P2O5 и обменного K2O (по Кирсанову) – соответственно 174 и 158 мг/кг, рНKCl 4,8, Нг – 4,5 и S – 21,2 ммоль/100 г.

Варианты опыта: 1 – чистый пар бессменно; 2 – ячмень бессменно; 3 – озимая рожь бессменно; 4 – севооборот (0% бобовых): ячмень –  озимая рожь – яровая пшеница – ячмень – овес; 5 – севооборот (28,6% бобовых) + навоз: унавоженный чистый пар – озимая рожь – пшеница яровая + клевер – клевер 1 г.п. – клевер 2 г.п. – ячмень – овес; 6 – севооборот (42,9% бобовых): сидеральный пар (клевер 1 г.п.) – озимая рожь – пшеница яровая + клевер – клевер 1 г.п. – клевер 2 г.п. – ячмень – овес + клевер; 7 – залежь.

Минеральные удобрения N60P30K60 вносили перед посевом под культивацию в форме аммиачной селитры, простого суперфосфата и хлористого калия. Органические удобрения (подстилочный навоз) применяли в типичном севообороте (28,6% бобовых + навоз) в паровом поле фоном 42 т/га из расчета 6 т/га пашни севооборота. Повторность опыта – 3-кратная, размещение вариантов последовательное, методом расщепленных делянок. Фракционно-групповой состав гумуса определяли по методу Пономаревой-Плотниковой [13], фракции азота – по методу Королевой, Шконде [14].

 

Табл. 2. Биологические показатели состояния микробного сообщества пахотного слоя дерново-подзолистой почвы

 

Вариант

Сорг., %

БД, мкг СО2-С/ г ч

СИД, мкг СО2-С / г ч

QR

Азотфиксация,

мкг C2H4 /кг ч

Без минеральных удобрений

Озимая рожь

1,05

1,94±0,23

3,93±0,41

0,494

33,08±2,25

Ячмень

1,09

2,07±0,19

5,50±0,28

0,376

15,54±1,74

Севооборот

(0% бобовых)

1,10

2,12±0,17

4,71±0,48

0,450

18,70±4,35

Севооборот

(28,6% бобовых) + навоз

1,47

2,84±0,26

7,89±0,38

0,360

44,10±7,20

Севооборот

(42,9% бобовых)

1,10

2,66±0,32

6,41±0,78

0,415

35,64±5,56

Чистый пар

0,78

1,66±0,30

4,87±0,51

0,341

11,53±2,38

Залежь

1,36

4,73±0,89

10,98±0,90

0,431

16,04±4,59

NPK

Озимая рожь

1,06

2,11±0,44

5,31±0,39

0,397

7,52±1,50

Ячмень

1,03

2,55±0,21

5,66±0,62

0,451

44,15±6,52

Севооборот

(0% бобовых)

1,11

2,12±0,29

5,20±0,56

0,408

16,04±2,30

Севооборот

(28,6% бобовых) + навоз

1,46

2,70±0,39

8,30±0,36

0,325

34,33±5,67

Севооборот

(42,9% бобовых)

1,11

2,51±0,40

5,12±0,39

0,490

3,51±2,30

 

Величину базального дыхания (БД) и субстрат-индуцированного дыхания (СИД) определяли согласно методике Ананьевой [15]. Показатели почвенного дыхания выражали в мкг СО2/г почвы ч. Содержание углерода микробной биомассы (Cмик) рассчитывали как VСИД мкл СО2/г почвы/ч 40,04+0,37, относительный коэффициент микробного дыхания (QR) – как отношение абсолютной величины БД к СИД (VБД/VСИД). Для определения активности азотфиксации применяли ацетиленовый метод. Потенциальную активность азотфиксации выражали в мкг этилена/кг почвы ч [16]. Повторность измерений – 3-кратная. Статистическая обработка данных проведена в программе Excel 2007.

Результаты и обсуждение. В типичном для Предуралья 7-польном севообороте с двумя полями клевера и насыщенностью навозом 6 т/га за счет совокупного взаимодействия биоресурсов возделываемых бобовых и зерновых культур содержание гумуса увеличилось на 33% от исходного уровня. Бессменное парование почвы в течение 40 лет привело к обеднению почвы гумусом и азотом: потеря гумуса составила 30% от его содержания в почве при закладке опыта. Глубина гумификации органического вещества (Сгк:Сфк) изменялась от 0,55 в бессменном пару до 0,96 в залежи. Анализ данных по содержанию гумуса в образцах почвы разных вариантов (табл. 1) показал, что он достоверно уменьшался в ряду: севооборот (28,6% бобовых) + навоз > залежь > севооборот (0% бобовых) = севооборот (42,9% бобовых) > ячмень > озимая рожь > чистый пар.

Азотный фонд дерново-подзолистой почвы длительного стационарного опыта представлен на 43-57% негидролизуемыми и на 28-40% трудногидролизуемыми формами азота. Длительное применение полного минерального удобрения (NPK) привело к увеличению количества гидролизуемых форм азота, а также абсолютного содержания легкогидролизуемой фракции. В севообороте с двумя полями клевера, внесением навоза и минеральных удобрений отмечено максимальное накопление доступных для растений фракций азота. Бессменное парование и возделывание культур в зерновом севообороте истощало почву. Различные приемы землепользования не изменили соотношение фракций в составе азота, характерное для дерново-подзолистых почв Предуралья [17].

Дыхательная активность или базальное дыхание (БД) дерново-подзолистой тяжелосуглинистой почвы (слой 0-20 см) в зависимости от вида землепользования снижалась в ряду: залежь > севооборот (28,6% бобовых) + навоз > севооборот (42,9% бобовых) > севооборот (0% бобовых) > ячмень > озимая рожь > чистый пар (табл. 2). Эмиссия CO2 из залежной почвы была выше в 2,85 раза, чем на участке бессменного чистого пара. Дополнительное внесение минерального удобрения N60P30K60 снижало уровень углекислого газа в севообороте с различным содержанием бобовых культур на 4-5% и повышало БД в вариантах с бессменным возделыванием озимой ржи и ячменя соответственно на 32 и 2%. Кроме участка залежи самые высокие показатели СИД выявлены в севообороте с 28,6% бобовых + навоз без NPK – 7,89 мкг СО2-С /г ч и при внесении минерального удобрения – 8,30 мкг СО2-С /г ч. Азотфиксирующая активность почвенной микрофлоры в севообороте (28,6% бобовых) + навоз была выше на 20%, чем в севообороте (42,9% бобовых) (табл. 2). При внесении N60P30K60 происходило подавление функциональной активности азотфиксирующих бактерий на 22% в севообороте с 28,6% бобовых + навоз + NPK и на 90% в севообороте с 42,9% бобовых + NPK.

Содержание углерода микробной биомассы Смикр – чувствительный индикатор качества органического вещества почвы и динамики его изменений. Показатели Смикр в почве без NPK варьировали от 157,78 мкг/г в варианте с бессменным возделыванием озимой ржи до 439,98 мкг/г на залежи (табл. 3). Доля Смикр в составе органического вещества дерново-подзолистой тяжелосуглинистой почвы составляла 1,50-3,24%. Во всех исследуемых почвах при разном типе землепользования соотношение Смикрорг. было ниже 2,3%, что свидетельствует о потере органического углерода. Высокие значения метаболического коэффициента qCO2 связаны с большой скоростью отмирания микробной биомассы почв, что в свою очередь связано с ухудшением функционирования их микробного сообщества. В вариантах бессменная озимая рожь и севооборот (42,9% бобовых)+NPK получены наибольшие значения qCOпри внесении удобрений (табл. 3).

 

Табл. 3. Удельное микробное дыхание (qCO2) и доля микробного углерода (Смикр) в содержании общего (Сорг) и лабильного (Слаб) органического углерода (извлекаемого раствором пирофосфата натрия) дерново-подзолистой почвы при различном землепользовании

 

Вариант

Смикр, мкг/г

qCO2, мкг СО2-С /мг Смик /ч

Смикр/ Сорг.,, %

Смикр/ Слаб, Na2P2O7,%

Без минеральных удобрений

Озимая рожь

157,78

2,30

1,50

8,30

Ячмень

220,43

1,76

2,02

10,50

Севооборот

(0% бобовых)

188,72

2,11

1,72

8,58

Севооборот

(28,6% бобовых) + навоз

316,14

1,68

2,15

12,65

Севооборот

(42,9% бобовых)

257,10

1,93

2,34

11,69

Чистый пар

195,53

1,59

2,51

11,50

Залежь

439,98

2,01

3,24

14,67

 NPK

Озимая рожь

212,79

2,25

2,00

10,64

Ячмень

226,00

1,74

2,20

9,46

Севооборот

(0% бобовых)

209,34

1,90

1,89

7,48

Севооборот

(28,6% бобовых) + навоз

332,59

1,52

2,28

13,86

Севооборот

(42,9% бобовых)

205,15

2,30

1,85

9,77

 

Количественная оценка нарушений микробного сообщества на основе коэффициента микробного дыхания QR также показала нарушение устойчивости микробного сообщества во всех вариантах. Полученные значения QR варьировали от 0,325 до 0,494 и соответствовали средней степени устойчивости микробиоценозов (табл. 2).

Таким образом, многолетнее интенсивное возделывание сельскохозяйственных культур бессменно или в севообороте негативно влияло на устойчивость микробного сообщества дерново-подзолистых тяжелосуглинистых почв. Активность почвенных микробоценозов в большей степени зависела от общего пула органического углерода. Перевод пахотной почвы в залежную способствовал накоплению органического вещества в верхнем слое, что вызывало усиление дыхательной активности почв и увеличение в них пула микробного углерода. Снижение метаболической активности микробных сообществ отмечено во всех вариантах длительного опыта независимо от агротехнического приема. Дополнительное внесение минеральных удобрений N60P30K60 в севообороты с бобовыми культурами приводило к подавлению азотфиксирующей активности микробоценозов.

About the authors

N. P. Kovalevskaya

Institute of Ecology and Genetics of Microorganisms, Ural Branch

Author for correspondence.
Email: nina_kov@mail.ru

Russian Federation, 614081, Perm, ul. Goleva, 13

candidate of biological sciences

N. E. Zavyalova

Perm Agricultural Institute, Ural Branch, Russian Academy of Sciences

Email: nezavyalova@gmail.com

Russian Federation, 614532, Perm Krai, Lobanovo, ul. Kultury, 12

doctor of biological sciences

D. Yu. Sharavin

Institute of Ecology and Genetics of Microorganisms, Ural Branch

Email: nina_kov@mail.ru

Russian Federation, 614081, Perm, ul. Goleva, 13

candidate of biological sciences

D. S. Fomin

Perm Agricultural Institute, Ural Branch, Russian Academy of Sciences

Email: nina_kov@mail.ru

Russian Federation, 614532, Perm Krai, Lobanovo, ul. Kultury, 12

candidate of agricultural sciences

References

  1. Овчинникова М.Ф., Гомонова Н.Ф., Минеев Г.В. Содержание, состав, подвижность гумусовых веществ дерново-подзолистой почвы и уровень ее биопродуктивности при длительном применении агрохимических средств // Доклады Россельхозакадемии. – 2003. – №5. – С.22-25.
  2. Дроздов И.А., Тюлин В.А., Сутягин В.П. Минеральные и органические удобрения адаптивных севооборотов Верхневолжья // Успехи современного естествознания. – 2017. – № 12. – С.45–49.
  3. Овчинникова М.Ф., Гомонова Н.Ф., Минеев В.Г. Специфичность состава и свойств гумусовых веществ в дерново-подзолистых почвах разной степени окультуренности // Доклады Россельхозакадемии. – 2006. – №8. – С.27-31.
  4. Гомонова Н.Ф., Минеев В.Г. Динамика гумусного состояния и азотного режима дерново-подзолистой среднесуглинистой почвы при длительном применении удобрений // Агрохимия. – 2012. – №6. – С.23-31.
  5. Русакова И.В. Влияние соломы зерновых и зернобобовых культур на содержание углерода, агрохимические свойства и баланс элементов питания в дерново-подзолистой почве // Агрохимический вестник. – 2015. – №6. – С.6-10.
  6. Золкина Е.И. Влияние длительного применения систем удобрения на баланс элементов питания в зернопропашном севообороте // Агрохимический вестник. – 2017. – №6. – С.67-70.
  7. Никитишен В.И., Личко В.И. Баланс азота в агроэкосистемах на серых лесных почвах при длительном внесении удобрений // Почвоведение. – 2008. – № 4. – С.481–493.
  8. Дубенок Н.Н., Бородычев В.В., Лытов М.Н., Пахомов Д.А. Формирование бездефицитного баланса азота в почве при возделывании бобовых культур // Агрохимический вестник. – 2007. – № 5. – С.9–11.
  9. Постников П.А. Продуктивность севооборотов при использовании приемов биологизации // Аграрный вестник Урала. – 2015. – № 6 (136). – С.20–23.
  10. Горобцова О.Н., Улигова Т.С., Темботов Р.Х., Хакунова Е.М. Оценка уровня биологической активности агрогенных и естественных черноземов Кабардино-Балкарии // Почвоведение. – 2017. – №5. – С.614-623.
  11. Заварзин Г.А., Кудеяров В.Н. Почва как главный источник углекислоты и резервуар органического углерода на территории России // Вестник РАН. – 2006. – Т. 76. – № 1. – С.14–29.
  12. Кудеяров В.Н., Курганова И.Н. Дыхание почв России. Анализ базы данных многолетнего мониторинга. Общая оценка // Почвоведение. – 2005. – № 9. – С.1112–1121.
  13. Агрохимические методы исследования почв. – М.: Наука, 1975. – 656 с.
  14. Шконде Э.И., Королева И.Е. О природе и подвижности почвенного азота // Агрохимия. – 1964. – № 10. – С.17-35.
  15. Ананьева Н.Д., Сусьян Е.А., Гавриленко Е.Г. Особенности определения углерода микробной биомассы почвы методом субстрат-индуцированного дыхания // Почвоведение. – 2011. – № 11. – С.1327–1333.
  16. Эмер Н.Р., Семёнов А.М., Зелёнов В.В., Зинякова Н.Б., Костина Н.В., Голиченков М.В. Ежесуточная динамика численности и активности азотфиксирующих бактерий на участках залежной и интенсивно возделываемой почвы // Почвоведение. – 2014. – № 8. – С.963–970.
  17. Завьялова Н.Е., Косолапова А.И., Сторожева А.Н. Влияние возрастающих доз полного минерального удобрения на органическое вещество и азотный режим дерново-подзолистой почвы Предуралья // Агрохимия. – 2014. – №6. - С.20-28.

Statistics

Views

Abstract - 190

PDF (Russian) - 90

Cited-By


PlumX

Refbacks

  • There are currently no refbacks.

Copyright (c) 2019 Russian academy of sciences

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies