Агрохимия, 2022, № 4, стр. 60-64

ВВЕДЕНИЕ

Обработка почвы – одна из наиболее затратных операций в технологии выращивания культур. В современных агротехнологиях на обработку почвы приходится до 40% энергетических затрат и порядка 25% трудовых [1–4]. В настоящее время в современном земледелии значительное распространение получают экономичные энергосберегающие технологии обработки почвы. Востребованность минимизации обработки почвы обусловлена ростом цен на энергоносители и необходимостью снижения затрат на производство сельскохозяйственной продукции. Поэтому в последние годы в науке и производстве возрастает интерес к минимизации обработки почвы, вплоть до перехода на систему No-till – прямому посеву. При этом разноречивость существующей научной информации, касающейся эффективности минимизации обработки почвы и особенно использования прямого сева, усиливает остроту проблемы и является актуальным вопросом современного земледелия [5–10].

Исследователи практически во всех почвенно-климатических зонах отмечали, что при минимизации обработки почвы и особенно при прямом посеве создается дефицит минерального азота, усиливается дифференциация пахотного слоя по содержанию подвижного фосфора, возрастает пестицидная нагрузка, негативно влияющая на биогенность почвы и экологическую ситуацию в агроландшафтах [11–16].

По мнению многих исследователей, биологическая активность почвы является одним из чувствительных показателей, характеризующих изменения плодородия почв и их экологического состояния, т.к. микроорганизмы наряду с активным участием в формировании плодородия исключительно чутко реагируют на изменения, происходящие в почвенной среде [17–22].

Поскольку микробиота почвы активно реагирует на изменения, происходящие в почвенной среде, поэтому изучение и оценка показателей микробиологической активности почвы позволяют на начальных этапах изучения агротехнических приемов установить направленность почвенных процессов, и мониторинг изменений почвенной микрофлоры является актуальным и практически значимым.

Цель работы – изучение динамики и направленности развития микроорганизмов, связанных с циклом азота (нитрифицирующих бактерий и азотобактера) при минимизации обработки почвы и прямом севе.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Исследование проводили в Воронежском ФАНЦ им. В.В. Докучаева в стационарном опыте по поиску наиболее рациональных приемов и систем обработки почвы в севообороте, обеспечивающих сохранение плодородия почвы и высокую продуктивность сельскохозяйственных культур.

Опыт заложен на черноземе обыкновенном среднегумусном тяжелосуглинистом, с благоприятными физическими и агрохимическими характеристиками слоя 0–30 см: содержание гумуса (по Тюрину в модификации Симакова, ГОСТ 2613-91) – 6.48%, общего азота (по Гинзбург) – 0.36%, общего фосфора (по Гинзбург и Щегловой) – 0.35%, общего калия (по Ожигову) – 1.85%, азота гидролизуемого (по Тюрину и Кононовой) – 61.2 мг/кг почвы, суммы поглощенных оснований (ГОСТ 27821-88) – 66.4 мг/кг почвы, рН_KCl 6.99, гидролитическая кислотность – 0.57 мг-экв/100 г почвы.

Мониторинговые наблюдения за изменением микробиологической активности почвы проводили на протяжении 7-ми лет с 2014 по 2020 г. в вариантах обработки почвы в севообороте: традиционная обработка почвы – вспашка на глубину 20–22 см (контроль), поверхностная обработкa на глубину 6–8 см и нулевая обработка почвы – прямой посев. Приемы обработки почвы изучали в севообороте: горох – озимая пшеница – кукуруза на зерно – ячмень – однолетние травы – озимая пшеница – подсолнечник – ячмень.

Изучение изменения микробоценоза почвы проводили в рамках выполнения госзадания. Для анализов отбирали репрезентативные смешанные почвенные образцы в каждом варианте из слоя 0–20 см. Учет численности групп микроорганизмов проводили классическим методом посева на агаризованные элективные питательные среды различного состава по методике Теппер [23] в свежеотобранных образцах, хранившихся не более 24 ч при температуре 5°С. Численность нитрифицирующих бактерий учитывали на выщелоченном агаре с аммонийно-магниевой солью фосфорной кислоты, азотобактер – на почвенных пластинах.

Обработку экспериментальных данных проводили дисперсионным методом математического анализа с использованием программного обеспечения ПК Microsoft Office Excel 2016.

Метеорологические условия в годы проведения исследования различались между собой по температурному режиму и количеству выпавших осадков, но в среднем за годы опыта были близкими к типичным для юго-востока ЦЧР, что позволило достаточно объективно оценить действие изученных факторов.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Изучили динамику развития наиболее важных в агрономическом отношении групп микроорганизмов, связанных с циклом азота, – нитрифицирующих бактерий и азотобактера.

Физиологические особенности различных видов нитрифицирующих бактерий и их отношение к различным факторам внешней среды позволили считать, что азотный режим и плодородие почвы определяются развитием этих микроорганизмов, т.к. они принимают активное участие в мобилизации азота в почве, окисляя аммиачные соли до солей азотной кислоты, являющихся компонентами минерального питания растений.

Нитрифицирующие бактерии весьма чувствительны к среде обитания – водному, воздушному, питательному и тепловому режимам, содержанию в почве органического вещества [24–26]. Поскольку окисление аммиака в азотистую, а затем в азотную кислоту происходит при участии молекулярного кислорода, изменение физических свойств почвы и особенно аэрации оказывает хотя и опосредованное, но существенное влияние на интенсивность развития нитрифицирующих бактерий.

Полученные результаты показали, что интенсивность развития данной группы микроорганизмов зависела от гидротермических условий вегетационного периода, высеянной культуры и обработки почвы (рис. 1). На фоне значительных амплитудных изменений нитрификационной активности почвы по годам, обусловленной прежде всего различиями агрометеорологических условий лет проведения исследований и сменой культур севооборотного агроценоза, действие изученных приемов обработки почвы проявлялось в виде тенденции. В почвенно-климатических условиях юго-востока ЦЧЗ более высокая влагообеспеченность вегетационного периода снижала интенсивность развития нитрифицирующих бактерий в почве, о чем свидетельствовала направленность связи при расчете коэффициента корреляции. При этом в почве пашни коэффициент корреляции между гидротермическим коэффициентом периода вегетации и активностью нитрифицирующих бактерий составлял r = –0.85, при поверхностной обработке почвы – r = –0.42, при нулевой обработке связь была наименее тесной – r = –0.32.

Рис. 1.

Развитие нитрифицирующих бактерий в слое 0–20 см почвы при различных приемах и системах обработки почвы в севообороте.

Влияние изученных обработок почвы на нитрификационную активность чернозема обыкновенного проявлялось в виде тенденции. Среднегодовая численность нитрифицирующих микроорганизмов мало различалась в вариантах обработок почвы и находилась в пределах 381–395 КОЕ/г абсолютно сухой почвы и незначительно изменялась со временем использования минимизации обработки почвы, о чем свидетельствовали линии тренда и уравнения регрессии. Это было обусловлено хорошими агрофизическими свойствами почвы, на которой проводили исследование.

Наиболее стабильно нитрификационные процессы проходили в обрабатываемой почве, для которой коэффициент вариации этого признака составил V = 10.5–9.2%, тогда как при нулевой обработке развитие нитрифицирующих бактерий в большей мере было подвержено влиянию внешней среды, погодных условий и происходило менее устойчиво, в этом случае коэффициент вариации составил V = 13%.

Анализ динамики изменения нитрификационной активности чернозема во времени, т.е. с учетом нарастающего эффекта действия обработки почвы, показал, что в начале перехода на поверхностную и нулевую обработки в первые 4 года наблюдали большие изменения в развитии нитрифицирующих бактерий, а начиная с 5-го года интенсивность развития этой группы микроорганизмов в меньшей степени зависела от обработки почвы, а в большей мере определялась гидротермическими условиями периода вегетации и агроценозом.

Важным показателем плодородия почвы и благоприятного течения биологических процессов в ней является интенсивность развития азотофиксирующих бактерий. Особое значение среди них принадлежит роду Azotobacter, т.к. эти бактерии способны усваивать молекулярный азот непосредственно из воздуха, переводя его в доступные формы для других живых организмов. Азотобактер отрицательно реагирует на ухудшение ценных агрономических свойств почвы, особенно чувствителен к недостатку влаги. Активное развитие этой группы микроорганизмов в почве является одним из показателей уровня ее плодородия и экологического благосостояния [27, 28].

Результаты исследований и статистическая обработка данных развития азотобактера показала, что гидротермические условия вегетационного периода оказывали незначительное влияние на развитие этой группы микроорганизмов в почве (рис. 2). Корреляционная зависимость между численностью азотобактера и гидротермическим коэффициентом была обратной и очень слабой. Коэффициент корреляции имел величину r = –0.16 в варианте вспашки и –0.07 – при нулевой обработке. При поверхностной обработке связь между гидротермическим коэффициентом вегетационного периода и развитием азотобактера была прямой и слабой: r = 0.23.

Рис. 2.

Развитие колоний азотобактера в слое 0–20 см при применении различных приемов и систем обработки почвы в севообороте.

Влияние изученных приемов минимизации обработки почвы на развитие азотобактера проявлялось как снижение активности микроорганизма, усиливавшейся с продолжительностью использования обработки. За годы исследования максимальное количество азотобактера было в варианте вспашки и составляло 426,79 КОЕ/50 г почвы, минимальное – при отказе от обработки почвы – 395 КОЕ/50 г почвы. Численность азотобактера при поверхностной обработке чернозема обыкновенного занимала промежуточное положение и составляла 417 КОЕ/50 г почвы. Наиболее стабильно развитие азотобактера в черноземе обыкновенном происходило в варианте вспашки. Коэффициент вариации численности азотобактера по годам при вспашке составил V = 13.4, при поверхностной обработке – 22.5, тогда как при нулевой обработке этот показатель был равен 30.4%.

При этом наиболее сильная связь между содержанием нитратного азота в почве и интенсивностью развития азотобактера была при нулевой обработке – r = 0.66. В обрабатываемой почве азотобактер меньше влиял на обеспеченность почвы нитратным азотом. Связь между этими показателями была менее значимой, коэффициент корреляции находился в пределах 0.41–0.45. При этом коэффициент корреляции между количеством нитрифицирующих бактерий и обеспеченностью почвы нитратным азотом был максимальным при вспашке – r = 0.54, что свидетельствовало об оптимизации условий для развития нитрифицирующих бактерий применения в варианте этой обработки почвы.

В динамике развития азотобактера при минимизации обработки чернозема обыкновенного отмечена обратная закономерность по сравнению с развитием нитрифицирующих бактерий. В первые годы опыта интенсивность развития колоний азотобактера мало различалась в зависимости от способа обработки. В последующем, начиная с 4-го года систематического применения поверхностной обработки почвы и прямого сева, стала явно просматриваться тенденция к снижению численности колоний азотобактера в варианте нулевой обработки почвы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, мониторинг развития групп микроорганизмов, связанных с циклом азота в черноземе обыкновенном, при минимизации обработки почвы в зернопропашном севообороте показал, что в почвенно-климатических условиях юго-востока ЦЧР прослежен общий тренд на снижение активности этих микроорганизмов, с нарастающим эффектом при усилении минимизации обработки почвы. Наиболее значительная депрессия микробиологических процессов, как развития нитрифицирующих бактерий, так и колоний азотобактера, была отмечена в варианте без обработки почвы – при прямом посеве.