Биологическая активность дерново-подзолистой почвы в длительном опыте с различными агротехническими приемами
- Авторы: Ковалевская Н.П.1, Завьялова Н.Е.2, Шаравин Д.Ю.1, Фомин Д.С.2
-
Учреждения:
- Институт экологии и генетики микроорганизмов Пермского федерального исследовательского центра УрО РАН
- Пермский научно-исследовательский институт сельского хозяйства Пермского федерального исследовательского центра УрО РАН
- Выпуск: № 3 (2019)
- Страницы: 38-41
- Раздел: Почвоведение
- URL: https://journals.eco-vector.com/2500-2627/article/view/14300
- DOI: https://doi.org/10.31857/S2500-26272019338-41
- ID: 14300
Цитировать
Полный текст
Аннотация
В длительном стационарном опыте изучено влияние севооборотов с разной насыщенностью бобовыми культурами, бессменных посевов озимой ржи и ячменя, бессменного чистого пара на эколого-физиологическое состояние микробного сообщества дерново-подзолистой тяжелосуглинистой почвы. Определены показатели биологической активности почвы (потенциальная интенсивность эмиссии СO2, удельная скорость дыхания микробной биомассы, метаболический коэффициент, азотфиксация). Показано, что лучшее гумусовое состояние почвы и существенное увеличение содержания в ней общего азота обеспечивают органическое удобрение (навоз) в севообороте с 28,6% бобовых культур. Установлено, что доля микробной биомассы Смикр в составе органического вещества дерново-подзолистой тяжелосуглинистой почвы составляет 1,50-3,24%. Внесение минерального удобрения приводит к незначительному снижению содержания углерода микробной биомассы и увеличению лабильного органического углерода. Уменьшение метаболической активности микробных сообществ отмечено во всех вариантах длительного опыта независимо от агротехнического приема. Многолетнее интенсивное возделывание сельскохозяйственных культур бессменно или в севообороте нарушает устойчивость почвенного микробоценоза в условиях Предуралья.
Полный текст
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 Смикр/Сорг. 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 qCO2 при 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.
Об авторах
Н. П. Ковалевская
Институт экологии и генетики микроорганизмов Пермского федерального исследовательского центра УрО РАН
Автор, ответственный за переписку.
Email: nina_kov@mail.ru
кандидат биологических наук
Россия, 614081, Пермь, ул. Голева, 13Н. Е. Завьялова
Пермский научно-исследовательский институт сельского хозяйства Пермского федерального исследовательского центра УрО РАН
Email: nezavyalova@gmail.com
доктор биологических наук
Россия, 614532, Пермский край, с. Лобаново, ул. Культуры, 12Д. Ю. Шаравин
Институт экологии и генетики микроорганизмов Пермского федерального исследовательского центра УрО РАН
Email: nina_kov@mail.ru
кандидат биологических наук
Россия, 614081, Пермь, ул. Голева, 13Д. С. Фомин
Пермский научно-исследовательский институт сельского хозяйства Пермского федерального исследовательского центра УрО РАН
Email: nina_kov@mail.ru
кандидат сельскохозяйственных наук
Россия, 614532, Пермский край, с. Лобаново, ул. Культуры, 12Список литературы
- 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.
- Дроздов И.А., Тюлин В.А., Сутягин В.П. Минеральные и органические удобрения адаптивных севооборотов Верхневолжья // Успехи современного естествознания. – 2017. – № 12. – С.45–49.
- 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.
- 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.
- 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.
- Золкина Е.И. Влияние длительного применения систем удобрения на баланс элементов питания в зернопропашном севообороте // Агрохимический вестник. – 2017. – №6. – С.67-70.
- Никитишен В.И., Личко В.И. Баланс азота в агроэкосистемах на серых лесных почвах при длительном внесении удобрений // Почвоведение. – 2008. – № 4. – С.481–493.
- 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.
- Постников П.А. Продуктивность севооборотов при использовании приемов биологизации // Аграрный вестник Урала. – 2015. – № 6 (136). – С.20–23.
- 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.
- 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.
- Кудеяров В.Н., Курганова И.Н. Дыхание почв России. Анализ базы данных многолетнего мониторинга. Общая оценка // Почвоведение. – 2005. – № 9. – С.1112–1121.
- Агрохимические методы исследования почв. – М.: Наука, 1975. – 656 с.
- Шконде Э.И., Королева И.Е. О природе и подвижности почвенного азота // Агрохимия. – 1964. – № 10. – С.17-35.
- 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.
- 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.
- 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.