Агрохимия, 2019, № 6, стр. 64-71

ВВЕДЕНИЕ

Использование соломы зерновых культур в настоящее время может быть одним из способов сохранения и поддержания почвенного плодородия, т.к. она является наиболее доступным органическим удобрением. Кроме того, в производственных условиях на полях, где соблюдают зернопаропропашной севооборот, наименее энергозатратным может быть использование 2-х видов соломы в количестве, которое остается после уборки.

В зависимости от местных условий время разложения соломы зависит от типа почвы, ее физических, химических и биологических свойств, климатических условий, а также от вида и состава запахиваемого растительного материала [1, 2].

Структура и состав органических остатков, а также соотношение в них углерода к азоту влияют на интенсивность их последующего превращения. Ускоренная минерализация и быстрое возникновение в почвах дефицита свежего органического вещества усиливает микробиологическую нагрузку на гумус как источник питания, что приводит к более интенсивному его разложению и снижению плодородия [3].

В составе соломы озимой пшеницы и ячменя соотношение углерода к азоту очень широкое и составляет 70–80 : 1, это замедляет скорость ее разложения [4]. Поэтому на начальных этапах ее деструкции происходит значительное биологическое закрепление азота, и возделываемые растения испытывают дефицит этого элемента [5, 6]. Для компенсации потерь азота в процессе трансформации соломы необходимо дополнительное внесение азотного удобрения, а также внедрение способов, ускоряющих процесс разложения растительного материала [2, 7]. При соблюдении этих рекомендаций почва обогащается органическим веществом и в ней активизируются мобилизационные процессы [8].

Цель работы – оценка активности процессов трансформации соломы двух видов зерновых культур в паровом звене зернопаропропашного севооборота под влиянием дополнительных компонентов и формирования эффективного и потенциального плодородия.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

В 2001 г. в лаборатории эколого-микробиологических исследований почв Всероссийского научно-исследовательского института сахарной свеклы и сахара им. А.Л. Мазлумова из чернозема выщелоченного был выделен аборигенный штамм целлюлозолитического микромицета (Humicola fuscoatra ВНИИСС 016). Лабораторные и полевые исследования показали его положительное влияние на скорость разложения соломы: у соломы озимой пшеницы она увеличилась на 50, у соломы ячменя – на 56% [9, 10].

В 2010 г. на опытном поле ВНИИСС был заложен многолетний стационарный полевой опыт с запашкой соломы озимой пшеницы и ячменя в зернопаропропашном севообороте с чередованием культур: пар–озимая пшеница–сахарная свекла–ячмень. Почва опытного участка – чернозем типичный тяжелосуглинистый малогумусный на покровных лессовидных суглинках. Севооборот представляет собой паровое звено зернопаропропашного севооборота с чередованием культур: пар–озимая пшеница–сахарная свекла–ячмень – наиболее распространенный 4-польный севооборот в Центрально-Черноземном регионе. Каждый год в 2-х полях севооборота вносили солому озимой пшеницы и ячменя. Солому озимой пшеницы и ячменя вносили по схеме, представленной в табл. 1. Опыт был начат в 2010 году, севооборот развернут и в пространстве, и во времени.

Общая площадь полевого опыта составила 1210 м², площадь делянки – 75.6 м². Повторность опыта четырехкратная. Доза внесения соломы – 4–5 т/га (при запашке соломы после уборки зерновых культур из расчета их средней урожайности). Дополнительные компоненты (целлюлозолитический микромицет, минеральное удобрение и питательную добавку) вносили вручную непосредственно перед вспашкой. В качестве удобрения, содержащего азот, была использована АФК из расчета 40 кг д.в./га. В качестве питательной добавки (ПД) применяли патоку, которая была использована при разведении 1 : 1000. Расход рабочей жидкости – 200 л/га. Целлюлозолитический микромицет вносили на делянки в виде инокулюма (344 тыс. КОЕ/м²), предварительное компостирование проводили согласно методу инфицирования почвы [9, 10].

Схема опыта, варианты: 1 – контроль (без внесения соломы), 2 – солома озимой пшеницы и ячменя (в соответствии с севооборотом), 3 – солома + минеральное удобрение (солома + N), 4 – солома + минеральное удобрение + Humicola fuscoatra ВНИИСС 016 + патока (солома + N + + H. fuscoatra + ПД).

В ранее проведенных исследованиях [11] были учтены все факторы, влияющие на скорость разложения соломы. В опытах, включавших все варианты взаимодействия соломы, целлюдозолитического микромицета и патоки, было установлено, что для наилучшего освоения трудноразлагаемого субстрата целлюлозолитическому микромицету необходимо дополнительное питание, в качестве которого можно использовать патоку, кроме того, без дополнительного азота процесс разложения соломы может затянуться. На основании этих исследований при закладке стационарного многолетнего опыта были выбраны только 4 наиболее контрастных варианта, которые отражали влияние микромицета H. fuscoatra, азота и ПД (патоки) на процесс разложения соломы. При этом были учтены экономические показатели проведения опыта, т.е. при снижении затрат получить максимум информации.

Почвенные образцы отбирали в посевах сахарной свеклы в мае, июле, сентябре с глубины 0‒15 см. В них был проведен учет численности микроорганизмов различных физиологических, таксономических и эколого-трофических групп методом высева почвенной суспензии разной степени разведения на элективные питательные среды. Целлюлозолитические микроорганизмы выделяли на среде Виноградского. Автохтонную группировку определяли на нитритном агаре (НА), зимогенную микрофлору – расчетным методом по сумме аммонификаторов (на среде МПА) и иммобилизаторов азота (на среде КАА), количество диазотрофов – на среде Эшби [12, 13].

В лабораторных условиях в образцах почвы также было определено общее содержание гумуса по методу Тюрина, содержание щелочногидролизуемого азота (N_щг) – по методу Корнфилда [14].

Технология возделывания сахарной свеклы – общепринятая для ЦЧР. Высевали сахарную свеклу гибрида Рамоза. Культуру убирали поделяночно вручную с последующим подсчетом и взвешиванием корнеплодов, их сахаристость определяли на автоматической линии VENEMA [15].

Обработку полученных данных проводили методом дисперсионного анализа и с использованием пакета программ Microsoft Excel.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Влагообеспеченность вегетационного периода какой-либо территории можно охарактеризовать гидротермическим коэффициентом (ГТК) по Селянинову [16]. Наблюдения метеостанции ВНИИСС им. А.Л. Мазлумова за количеством осадков и температурой воздуха показали, что в течение 5-ти лет проведения полевого опыта гидротермические условия менялись в достаточно широких пределах (табл. 2). В 2013 г. ГТК составил 1.6, что характеризовало условия вегетационного периода (с апреля по сентябрь) как влажные. ГТК за вегетационный период 2014 г. составил 0.78. Экстремальными по соотношению влажности и температур в этом году были июль и сентябрь (ГТК 0.05 и 0.08 соответственно). В связи с неблагоприятными погодными условиями была получена самая низкая урожайность озимой пшеницы за последние несколько лет. С 2015 по 2017 гг. ГТК варьировал от 1.33 до 1.83, т.е. в эти годы складывались условия достаточного увлажнения.

Внесение соломы увеличивает содержание энергетического материала для микроорганизмов, что способствует более активной деятельности почвенной микрофлоры и обогащению ее видового состава. В процессе микробиологического разложения органических удобрений в почве формируется значительное количество самых разнообразных промежуточных продуктов их распада, которые используются в новообразовании гумусовых веществ [17, 18].

В процессе формирования гумусовых соединений принимает участие зимогенная группа микроорганизмов, она поставляет материалы (продукты полураспада органических веществ), из которых синтезируются молекулы гумуса, а также ферменты, катализирующие синтез образующихся молекул [19]. При запашке соломы в почву поступает значительное количество органических веществ, которые служат субстратом для жизнедеятельности зимогенной микрофлоры.

Деструкцию гумуса активизирует автохтонная микрофлора. Представители этой группы способны обеспечить себя минимумом питательных веществ даже в самых неблагоприятных почвенных условиях, в частности, они могут использовать такое стойкое органическое соединение, как гумус [20]. Соотношение численностей этих двух групп микроорганизмов может показать направленность процесса гумификации в сторону синтеза или распада гумусовых веществ.

Результаты исследования показали, что в 2013 г. соотношение зимогенной и автохтонной микрофлоры в почве составило 6.22, внесение соломы и соломы с различными компонентами снизило его до 3.58–4.42 (рис. 1). В 2014 г. складывались экстремальные погодные условия, в результате чего развитие обеих групп микроорганизмов сдерживалось, а их соотношение увеличивалось в ряду: контроль (0.38) – солома (0.35) – солома + N (0.50) – солома + N + Humicola fuscoatra (0.59).

Рис. 1.

Соотношение зимогенной и автохтонной микрофлоры в агроценозе сахарной свеклы.

В 2015 и 2016 гг. была зафиксирована однонаправленная динамика, при которой ингибирующий эффект на зимогенную микрофлору оказывало внесение соломы: численность этих микроорганизмов снижалась, а отношение их к автохтонной группе составляло соответственно 3.34 и 3.28. Добавление минерального удобрения к соломе восстановило соотношение зимогенной и автохтонной микрофлоры до уровня контроля. Целлюлозолитический микромицет способствовал усилению гумификационных процессов, а соотношение этих групп микроорганизмов выросло в 2015 и 2016 гг. соответственно до 4.82–4.95 в пользу зимогенной микрофлоры.

В процессе разложения соломы происходит упорядоченный и направленный процесс изменения микробного сообщества, обусловленный специализацией функций микроорганизмов. В первую очередь разлагаются наиболее доступные компоненты соломы, а именно: пентозаны, простые сахара, белки. Вслед за разложением пектиновых веществ начинается интенсивное разложение целлюлозы и близких к ней соединений, появляются типичные целлюлозоразрушающие микроорганизмы [21].

В ходе проведенного исследования было установлено, что их численность в 2013 г. составила 2.82 млн КОЕ/г абсолютно сухой почвы (а.с.п.), использование соломы и соломы с минеральным азотом задерживало рост их количества (рис. 2). Запашка соломы с Humicola fuscoatra способствовала появлению тенденции к повышению численности этой группы микроорганизмов до 3.12 млн КОЕ.

Рис. 2.

Численность целлюлозоразрушающих микроорганизмов в агроценозе сахарной свеклы (НСР₀₅ = 0.84).

В 2014 г. было отмечено общее снижение численности целлюлозолитических микроорганизмов в почве. В контроле их стало меньше в 1.6 раза, при запашке соломы – в 1.5, соломы и N – в 1.9, соломы и Humicola fuscoatra – в 1.4 раза относительно прошлого года в связи с неблагоприятными засушливыми условиями, сложившимися в этот период.

Использование соломы и соломы с азотом на протяжении 2015 и 2016 гг. несколько снижало количество целлюлозоразрушающих микроорганизмов, которое менялось в пределах ошибки опыта. В 2017 г. при запашке соломы с азотом наметился рост численности этой группы микроорганизмов, однако он не превысил наименьшую существенную разницу. Использование H. fuscoatra в 2013 г. способствовало повышению численности целлюлозолитических микроорганизмов: в 2015, 2016 и 2017 гг. прослежен достоверный рост их количества соответственно на 0.88, 1.00, 1.83 млн КОЕ/г а.с.п.

Увеличение числа целлюлозоразрушающих микроорганизмов, которые требуют дополнительного азота, указывало на то, что микробиологические процессы были направлены на увеличение азотфиксирующей способности почв, которую косвенно выявили по наличию в почве диазотрофов и накоплению щелочногидролизуемого азота.

При деструкции соломы в почве накапливались продукты разложения целлюлозы (низкомолекулярные углеводы), которые являются энергетической основой и источником углерода для жизнедеятельности диазотрофов. Было установлено, что численность диазотрофов во влажном 2013 г. составила 2.05 млн КОЕ/г а.с.п. (рис. 3). Использование с соломой азота снизило этот показатель до 0.99 млн КОЕ/г а.с.п.

Рис. 3.

Численность диазотрофов в агроценозе сахарной свеклы (НСР₀₅ = 0.66).

В засушливом 2014 г. количество диазотрофов в почве снизилось: в контроле – до 0.80, при запашке соломы – до 0.49, при внесении соломы с азотом – до 0.73 млн КОЕ/г а.с.п. В этих условиях H. fuscoatra способствовал сдерживанию сокращения численности диазотрофов в почве, которая составила 1.20 млн КОЕ/г а.с.п. Это объясняется ускорением разложения соломы и накоплением в почве низкомолекулярных соединений углерода, которые диазотрофы эффективно использовали в осенне-зимний период при достаточном содержании влаги. В 2015 г. (влажном) численность диазотрофов выросла как в контроле, так и после запашки просто соломы и при использовании дополнительных компонентов. В 2016 г., несмотря на оптимальные условия по количеству осадков и суммы эффективных температур, существенных изменений численности диазотрофов не выявлено. Сохранение в 2017 г. температурно-влажностных условий на уровне предыдущего года способствовало росту численности микроорганизмов, фиксирующих азот, при запашке соломы с азотом и H. fuscoatra и с другими дополнительными компонентами.

В целом за 5 лет наблюдений выявлено, что запашка соломы с минеральным азотом и целлюлозолитическим микромицетом (H. fuscoatra) увеличивала численность азотфиксирующих микроорганизмов на 27% относительно контроля и на 30 и 37% относительно вариантов внесения соломы и соломы с азотом соответственно. Увеличение численности диазотрофов непосредственно сказывалось на накоплении доступных для растений форм соединений азота.

В агрономическом отношении большой интерес представляет определение в почве фракции щелочногидролизуемого азота по Корнфилду. Она является наиболее ценной среди форм азота, т.к. по ее запасам можно судить о потенциальном содержании этого элемента в доступном для растений состоянии, что имеет значение для характеристики уровня плодородия. Определение именно этой формы дает возможность учесть часть минерального азота и ближайшие резервы усваиваемых аминосахаров, амидов и моноаминокислот. Если минеральные формы характеризуют текущий запас усваиваемого азота, то щелочногидролизуемый азот дает представление о мобильных органических соединениях, используемых растениями в течение всего вегетационного периода [22, 23].

Было установлено, что уже в 1-й год наблюдений накопление азота происходило при внесении соломы с целлюлозолитическим микромицетом (рис. 4). Негативного влияния внесения соломы выявлено не было: содержание N_щг в почве превышало контроль на 22%.

Рис. 4.

Динамика содержания щелочногидролизуемого азота в почве под сахарной свеклой (НСР₀₅ = 2.5).

Внесение минерального азота с соломой способствовало достоверному снижению содержания этой формы почвенного азота. Оно было меньше на 8.6 мг/кг, чем при запашке одной соломы. Микромицет H. fuscoatra оказывал положительное влияние на скорость трансформации трудноразлагаемых соединений соломы, в результате чего в почве появились соединения, необходимые для питания растений, в том числе и щелочногидролизуемый азот: его содержание превысило контроль в 1.6 раза, варианты с внесением соломы – в 1.3, соломы + N – в 1.4 раза.

В 2014 г. содержание щелочногидролизуемого азота снизилось до 52.3 мг/кг, однако положительное действие микромицета прослеживалось даже в такой неблагоприятный по климатическим условиям сезон. Содержание его в почве превышало контроль на 11.4 мг/кг, вариант с внесением соломы – на 9.6, соломы и минерального удобрения – на 8.9 мг/кг.

В каждый из последующих 3-х лет такая динамика сохранялась: воздействие целлюлозолитического микромицета способствовало накоплению щелочногидролизуемого азота в почве, содержание которого в 2015, 2016 и 2017 гг. было больше, чем в контроле, соответственно на 24, 26 и 13%.

Почвенная микрофлора осуществляет процесс образования гумусовых веществ, который происходит на ранних стадиях трансформации растительных остатков. Внесение соломы увеличивает содержание энергетического материала для микроорганизмов, что способствует более активной деятельности почвенной микрофлоры и обогащению ее видового состава. В процессе микробиологического разложения органических удобрений в почве формируется значительное количество самых разнообразных промежуточных продуктов их распада, которые используются в новообразовании гумусовых веществ [23, 24].

В соответствии с изменениями в микробиологических процессах трансформации соломы менялось и формирование гумусного состояния почвы. Установлено, что запашка соломы как органического удобрения способствовала накоплению гумусовых веществ в почве на протяжении 5‑ти лет исследования: содержание гумуса увеличилось в 2013 г. на 0.20% (абсолютных), в 2014 г. – на 0.23, в 2015 г. – на 0.05, в 2016 г. – на 0.02, в 2017 г. – на 0.15%, что находилось в пределах наименьшей существенной разницы, а значит, наметилась лишь тенденция к улучшению гумусного состояния почвы (рис. 5).

Рис. 5.

Динамика содержания гумуса в почве под сахарной свеклой (НСР₀₅ = 0.25).

Такая же закономерность прослежена и при запашке соломы с минеральным удобрением. Наилучший эффект получен при дополнительном внесении с соломой целлюлозолитического микромицета H. fuscoatra: превышение содержания гумуса в сравнении с контролем составило в 2013 г. 0.26, в 2014 г. – 0.30 и в 2017 г. – 0.42%. Достаточно сложно проследить изменения в таком стабильном показателе как гумус на данном временнóм этапе, поэтому отмечают только тенденцию к улучшению гумусного состояния почвы.

Высокая активность микрофлоры, вовлекающей в круговорот азот, который затем становится доступным растениям, способствует наилучшему росту и развитию культурных растений, что характеризует интегральный показатель эффективности приема – урожайность (табл. 3).

Запашка соломы способствовала либо снижению урожайности (в 2016 и 2017 гг.), либо сохранению ее на уровне контроля. В течение 5-ти лет в соответствии с накоплением щелочногидролизуемого азота и повышением содержания гумуса в почве наблюдали рост урожайности корнеплодов сахарной свеклы при использовании H. fuscoatra и других компонентов: в 2013 г. – на 5.5 т/га, в 2014 г. – на 10.6, в 2015 г. – на 11.0, в 2016 г. – на 7.3, в 2017 г. – на 12.0 т/га.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Солома зерновых культур, как показало исследование, может быть использована в качестве органического удобрения. При этом введение аборигенного штамма целлюлозолитического микромицета и дополнительных компонентов в систему способствовало ускорению разложения соломы. Это один из способов оптимизации микробного сообщества почвы и повышения ее эффективного плодородия.

В ходе исследования, проведенного в многолетнем полевом опыте, было установлено, что благодаря запашке в почву соломы и дополнительных компонентов активизировалось развитие зимогенной микрофлоры, а также целлюлозолитических микроорганизмов и диазотрофов. В результате в почве накапливались необходимые для питания растений соединения азота. Вследствие улучшения азотного питания была отмечена прибавка биологической урожайности сахарной свеклы в среднем за 5 лет наблюдений: в сравнении с контролем – на 9.6, с использованием одной соломы – на 9.3, соломы с азотным удобрением – на 7.3 т/га.