Агрохимия, 2020, № 1, стр. 3-8

ВВЕДЕНИЕ

Положительное влияние на баланс почвенного органического вещества (ПОВ) оказывают органические и минеральные удобрения, многолетние травы в структуре севооборота, обработка почвы и другие агротехнические приемы [1–3]. Для выявления ответной реакции почвенной микрофлоры на антропогенное воздействие на почву используют комплекс экофизиологических показателей активности микробоценоза: базальное дыхание (БД), субстрат-индуцированное дыхание (СИД), интенсивность азотфиксации. Верхний горизонт почвы, в котором расположена основная масса корней растений, характеризуется наибольшей биологической активностью. При определении краткосрочной динамики С_орг, диагностики состояния почвенного органического вещества и оценки эффективности мероприятий по воспроизводству ПОВ следует измерять не столько валовое количество С_орг, сколько его содержание в химически лабильных и биологически активных пулах и фракциях. Биологически активный пул ПОВ со временем оборачиваемости от <3 до 10 лет ответственен за реализацию большинства физических, химических, биологических, экологических и агрономических функций органического вещества (ОВ) в почве [4, 5].

Важнейшим источником поступления азота в почву служит биологический, фиксируемый микроорганизмами азот атмосферы, составляющий более половины общего количества этого элемента, поступающего в почву из разных источников. Последействие разных систем удобрения на биологическую азотфиксацию изучали в работе [6]. Наибольший уровень азотфиксирующей и денитрифицирующей активности и положительный баланс биологического азота обеспечили почвы фонов, сформированных с участием органических удобрений. Наличие растений повысило активность этих процессов и снизило долю закиси азота в потерях за счет денитрификации. При внесении минеральных азотных удобрений баланс биологического азота был отрицательным.

Цель работы – изучить влияние длительного применения возрастающих доз полного минерального удобрения на экофизиологические показатели активности микробоценоза дерново-подзолистой тяжелосуглинистой почвы Предуралья.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Полевой стационарный опыт по изучению влияния различных доз минеральных удобрений на качество ПОВ и урожайность полевых культур заложен в 1978 г. на опытном поле Пермского НИИСХ ПФИЦ УрО РАН на дерново-подзолистой почве со следующими характеристиками (слой 0–20 см): рН_KCI 5.6, гидролитическая кислотность – 2.0, обменная – 0.025, сумма поглощенных оснований – 21.0 мг-экв/100 г почвы, содержание органического углерода – 1.23%, подвижных форм фосфора – 175, обменного калия– 203 мг/кг почвы (по Кирсанову). Варианты опыта включали 6 уровней минерального питания: N0Р0K0, N30Р30K30, N60Р60K60, N90Р90K90, N120Р120K120, N150Р150K150. Минеральные удобрения вносили под зерновые культуры и картофель, в посеве клевера изучали последействие. В опыте использовали N_aa, P_сд и K_х. Известь вносили перед закладкой опыта в дозе по 1.0 Н_г. Органические удобрения в опыте не использовали. Севооборот – 8-польный со следующим чередованием культур: чистый пар – озимая рожь – картофель – пшеница – клевер 1-го года пользования – клевер 2-го года пользования – ячмень – овес. Общая площадь делянки 120 м², учетная – 76.4 м². Опыт заложен в двукратной повторности, размещение вариантов рендомизированное. Почвенные образцы для исследования отбирали ручным буром в конце 5-й ротации севооборота после уборки овса с 2-х несмежных повторений в слое 0–20 см почвы в 3-х точках с каждой делянки. Содержание органического углерода в почве определяли методом бихроматного окисления, общий азот – по Кьельдалю, углерод, экстрагируемый горячей водой (С_эгв), – 0.1 н. раствором NаОН, 0.1 М Na₄P₂O₇ при рН 7.0 – по методу [7]. Параметры гумусовой системы оценивали по уточненной системе показателей [8].

Субстрат-индуцированное дыхание (СИД) почвы оценивали по скорости начального максимального дыхания микроорганизмов после обогащения почвы дополнительным источником углерода и энергии (глюкозой). Во флаконы помещали навеску почвы (1 г) и прединкубировали в течение 3 ч при 22°С. После проветривания во флаконы добавляли 0.4 мл 4%-ного раствора глюкозы и инкубировали при 22°С в течение 3–4 ч. Концентрацию СО₂ определяли на хроматографе Chrom 5 на колонке длиной 1.8 м, внутренним диаметром 3 мм с наполнителем Porapak N. В качестве детектора использовали катарометр. Повторность измерений трехкратная. Субстрат-индуцированное дыхание почвы оценивали по скорости начального максимального дыхания микроорганизмов после обогащения почвы глюкозой. Углерод микробной биомассы рассчитывали по формуле:

С_микр (мкг С/г почвы) = СИД (мкг СО₂/г/ч) × × 40.04 + 0.37. Показатели почвенного дыхания выражали в мкг СО₂/г почвы/ч. Микробный метаболический коэффициент рассчитывали как отношение скорости базального дыхания к величине микробной биомассы: БД : С_микр = qCO₂ (мкг С-СО₂ : (мг С_микр/ч)). Углерод микробной биомассы рассчитывали по формуле: С_микр (мкг С/г почвы) = СИД (мкг СО₂/г сухой почвы/ч) × × 40.04 + 0.37 [9, 10].

Для определения активности азотфиксации применяли классический ацетиленовый метод. Во флаконы помещали навеску почвы (1 г), вносили 0.5 объема раствором 2%-ной глюкозы, закрывали флакон и замещали оставшийся объем воздуха ацетиленом. Далее инкубировали при 28°С в течение 24 ч. Количественные измерения этилена проводили на хроматографе Chrom 5. Потенциальную активность азотфиксации выражали в мкг этилена/кг почвы/ч [11]. Измерения С_орг, СИД, БД, азотфиксации проводили в индивидуальных образцах в шестикратной повторности. Статистическую обработку результатов проводили с помощью программы Microsoft Excel 2007.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Минерализуемый пул органического вещества пахотных почв рассматривается как совокупность растительных остатков, микробной биомассы и подвижного гумуса. Поступление органического углерода в виде корневых и пожнивных остатков в 8-польном севообороте с 2-мя полями клевера при внесении минеральных удобрений в дозах N90Р90K90–N150Р150K150 привело к восстановлению исходного содержания углерода в почве (1.23%) (табл. 1). В варианте N150Р150K150 установлено повышение содержания общего (N_общ), легкогидролизуемого (N_лг) и минерального азота (N_мин) в сравнении с контролем в 1.58, 2.29 и 5.35 раза. При многолетнем изучении состава гумуса дерново-подзолистой почвы при возрастающих дозах NPK было отмечено изменение его состава и повышение степени гумификации органического вещества на минеральном фоне питания, что позволило обосновать возможность применения показателей фракционного состава гумусовых кислот при оценке направленности и интенсивности трансформации органического вещества. При внесении удобрений больше N90Р90K90 отмечено увеличение показателя С_ГК : С_ФК до 0.94–0.98.

Длительное воздействие минеральных удобрений повлияло прежде всего на активную часть органического вещества почвы, которая непосредственно участвует в круговороте углерода в процессе возделывания сельскохозяйственных культур [5, 12]. Внесение в почву возрастающих доз NPK привело к увеличению содержания углерода, экстрагируемого горячей водой с 168 мг/кг почвы в контрольном варианте до 303 мг/кг в варианте N150Р150K150. Содержание подвижной фракции углерода изменялось от 0.26 до 0.37% к массе почвы. Доля лабильного органического вещества к массе почвы составляла 0.26–0.47%, что было характерно для дерново-подзолистых почв [13]. Минеральные удобрения способствовали повышению подвижности органического вещества. Установлена тесная корреляционная связь между содержанием экстрагируемых компонентов ОВ и общего углерода в почве: r = 0.94–0.96 (P ≤ 0.05).

Важным показателем динамики свойств пахотных почв является их микробиологическая активность, которая меняется гораздо быстрее, чем содержание общего углерода. Углерод микробной биомассы – важный параметр во многих экологических исследованиях, т.к. является функциональной частью почвенного органического вещества. Показано, что величина микробной биомассы – более чувствительный параметр к изменениям окружающей среды, чем, например, содержание органического вещества в почве. В зависимости от дозы NPK, содержание С_орг (табл. 2) менялось от 104 до 125 мг/г почвы. При внесении минеральных удобрений в дозах N30Р30K30–N150Р150K150 отмечено увеличение содержания С_орг на 1.7–20.0% относительно варианта без удобрений.

Содержание углерода микробной биомассы варьировало в вариантах опыта от 290 до 366 мкг/г почвы. Эти величины характерны для дерново-подзолистых почв [14, 15]. Величина С_микр в значительной степени зависела от приемов землепользования. В исследованной почве она была больше в удобренных вариантах. Доля углерода микробной биомассы в составе органического углерода почвы – важный показатель качества органического вещества. Он характеризует состояние и разнообразие микробоценоза, а также степень его зрелости [16]. Минимальное соотношение С_микр : С_орг определено при дозе N90Р90K90 и было равно 2.71. Наиболее благоприятные условия для развития почвенных микробиоценозов были выявлены в вариантах N60Р60K60 и N150Р150K150, где содержание микробной биомассы составляло 2.92 и 2.96% от С_орг и превышало показатель контроля в 1.26 и 1.22 раза соответственно. По-видимому, количество поступавших растительных остатков в почву в этих вариантах было достаточным для компенсации потребностей микроорганизмов в углероде. Микробный метаболический коэффициент (qCO₂) количественно описывает физиологический статус микробного сообщества и чувствителен к нарушениям в почве, по его величине можно прогнозировать продолжительность и глубину нарушений в почвенных экосистемах [17, 18]. Высокая величина qCO₂ характерна для молодых и сильно нарушенных экосистем, более низкая – для старых или стабильных экосистем. Высокий qCO₂ связан также с большей скоростью отмирания микробной биомассы. Наиболее высокое удельное дыхание микробной биомассы было зафиксировано в контроле, показатель qCO₂ соответствовал 0.985 мкг С-СО₂/мг С_микр/ч (табл. 2). Улучшение функционирования микробоценоза почвы наблюдали при применении N60Р60K60–N150Р150K150, где показатели qCO₂ соответствовали 0.647 и 0.724 мкг С-СО₂/мг С_микр/ч.

Важнейшим показателем, определяющим интенсивность минерализации органического вещества почвы при внесении удобрений, являются скорость продуцирования углекислого газа (табл. 3). Базальное дыхание (БД) почвенной микрофлоры характеризует доступность органического углерода в почве, отражает интенсивность минерализации органических веществ. В исследованной дерново-подзолистой почве скорость БД при внесении минеральных удобрений в сравнении с контролем (2.86 мкг С-СО₂/г/ч) во всех вариантах снижалась. Минимальные показатели БД были получены при применении N60Р60K60 и N120Р120K120 и соответствовали 2.30 мкг С-СО₂/г/ч. Микроорганизмы исследованных почв обладали высокой активностью к использованию легкогидролизуемого источника углерода (глюкозы), по скорости потребления которой судят об их потенциальной биохимической активности. Скорость СИД увеличилась при внесении минеральных удобрений в возрастающих дозах. Максимальную величину СИД (9.12) зафиксировали при применении N150Р150K150, что превышало СИД в контроле в 1.26 раза.

Коэффициент микробного дыхания (QR) считается интегральным показателем, позволяющим оценивать экологическое состояние почв. Его величина дает представление о запасах питательных веществ в почве, устойчивости системы микробного сообщества, отражает степень антропогенного или климатического воздействия на почвенные ценозы [19, 20]. Величины QR могут быть ранжированы к антропогенным воздействиям. Чем меньше показатель QR, тем меньше выявляется нарушений в качественном и количественном составе почвенной биоты. Оптимальные показатели QR находятся в пределах от 0.1 до 0.2 (0.3) и характерны для естественных биоценозов при оптимальных климатических условиях [17, 20–22]. В контрольном варианте N0Р0K0 показатель QR соответствовал 0.395, что свидетельствовало о средней степени нарушения устойчивости микробного сообщества почвы. В вариантах с минеральными удобрениями отмечено снижение этого показателя, минимальные показатели QR были зафиксированы при N60Р60K60 и N120Р120K120 и соответствовали 0.26 (слабая нарушенность устойчивости микробоценоза).

Важный процесс, характеризующий интенсивность биологических процессов в почве – азотфиксация. В природных биоценозах азот не является лимитирующим их продуктивность фактором, поскольку все звенья биогеохимического цикла сбалансированы. В агроэкосистемах он сильно нарушен из-за регулярных обработок почвы, севооборотов и выноса значительного количества азота урожаем [23]. Показано, что азотфиксирующая активность микробных сообществ дерново-подзолистой почвы возрастала с увеличением доз минеральных удобрений от 32.1 в варианте без удобрений до 68.7 мкг C₂H₄/кг/ч в вариантах N30Р30K30–N90Р90K90. Тенденция к снижению биологической фиксации азота была зафиксирована при применении N120Р120K120 и N150Р150K150, где азотфиксирующая активность соответствовала 57.1 и 53.1 мкг C₂H₄ кг/ч/, т.е. на 17 и 23% меньше, чем при N90Р90K90. Вероятно, что снижение азотфиксирующей активности микроорганизмов при высоких дозах минеральных удобрений связано с изменением кислотно-щелочных условий почвенного раствора (рН 4.8–4.5), возрастанием содержания легкогидролизуемого и минерального азота (в 4–5 раз больше контроля). Наличие в севообороте 2-х полей клевера также могло изменить в почве соотношение несимбиотических и симбиотических азотфиксирующих бактерий. Бобовые культуры, выращиваемые на фоне применения высоких доз азотных удобрений, как правило, снижают способность к симбиотической азотфиксации [24].

ВЫВОДЫ

1. Применение минеральных удобрений в дозах NPK 90–150 кг д.в./га привело к сохранению исходного содержания углерода (1.23%) в дерново-подзолистой тяжелосуглинистой почве, повысило подвижность органического вещества: содержание углерода водной вытяжки с 168 мг/кг почвы в контрольном варианте до 303 мг/кг в варианте применения N150Р150K150. Содержание подвижной фракции углерода, извлекаемого 0.1 М NaOH, изменялось от 0.26 до 0.37%, доля лабильного органического вещества к массе почвы составила 0.26–0.47%. Отмечено увеличение содержания общего, легкогидролизуемого и минерального азота в сравнении с контролем в 1.58, 2.29 и 5.35 раза соответственно.

2. Содержание углерода микробной биомассы варьировало в вариантах опыта от 290 до 366 мкг/г почвы. Наиболее благоприятные условия для развития почвенных микробиоценозов были выявлены в варианте применения N60P60K60, где содержание микробной биомассы составляло 2.96% от С_орг и превышало показатель контроля в 1.26 раза. По величине базального и субстрат-индуцированного дыхания изученные варианты почвы длительного стационарного опыта были аналогичны естественным дерново-подзолистым почвам. При внесении NPK в возрастающих дозах отмечена тенденция уменьшения почвенного базального дыхания (БД) на 17–24%, увеличения субстрат-индуцированного дыхания (СИД) на 17–26% относительно неудобренной почвы. Наиболее высокое удельное дыхание микробной биомассы было зафиксировано в контроле, показатель qCO₂ соответствовал 0.985 мкг С-СО₂/мг С_микр/ч. В вариантах с применением минеральных удобрений отмечено снижение показателя QR, выявлена слабая нарушенность устойчивости микробоценоза, минимальная его величина была зафиксирована при применении N60Р60K60 и N120Р120K120 и составила 0.26.