Агрохимия, 2020, № 8, стр. 51-59

ВВЕДЕНИЕ

Почва представляет собой химически и биологически разнообразную, активную многокомпонентную среду. Уровень ее плодородия определяется в значительной степени интенсивностью и направленностью биологических процессов, регулирование которых довольно трудно [1]. Орошаемые сероземы юга Казахстана (типичные, светлые) представляют собой хорошую среду для жизнедеятельности микроорганизмов, количественные и качественные изменения которых тесно связаны с трофическим режимом и с условиями питания растений [2, 3]. Определение микробиологических процессов, оказывающих существенное влияние на рост и развитие растений, а также содержание отдельных питательных элементов в почве, является важной задачей. Решение ее позволит регулировать направленность почвообразовательных процессов в сторону повышения почвенного плодородия и эффективности удобрений [4].

Значительным резервом увеличения урожайности сельскохозяйственных культур, повышения качества продукции, устойчивости к неблагоприятным условиям являются регуляторы роста, которые позволяют получить высококачественную продукцию с минимальными затратами на их производство при одновременном сохранении, улучшении плодородия почв, и без изменения агротехники [5–8].

Например, в настоящее время только в Российской Федерации применяют 91 торговое наименование различных стимуляторов роста растений. Наиболее популярны препараты на основе гиббереллиновых и гуминовых кислот, пара-аминобензойной кислоты, индолилуксусной кислоты, индолил-3-масляной кислоты, пиколиновой кислоты, отличительной чертой которых является способность к стимуляции корнеобразования. Весьма перспективны полифункциональные стимуляторы, как препарат зеребра Агро (на основе коллоидного серебра), препарат мелафен и другие, обладающие широким спектром действия.

В сочетании с традиционными агротехническими приемами применение стимуляторов роста, иммунорегуляторов, активаторов полезной микрофлоры, биоудобрений и др., вносимых в малых или сверхмалых дозах, обеспечивает стимуляцию иммунитета растений, ускорение метаболизма и активацию синтеза белков, улучшает качество готовой продукции при росте урожайности [9, 10].

Таким образом, минеральные и органические удобрения, регуляторы роста растений, пестициды и другие виды антропогенной нагрузки играют роль важного экологического фактора, изменяющего как питательный режим растений, так и микробиологические процессы [11–13]. Сведения о численности и активности жизнедеятельности микроорганизмов в сочетании с определением агрохимических характеристик дают основание для разработки агротехнических приемов по управлению биологическими свойствами почвы, особенно малогумусных, и открывают широкие перспективы управления их плодородием [14–17].

Эффективность использования азотных удобрений невелика: в почве используется до 50% внесенного с удобрениями азота, причем ключевую роль играет также микробная активность – повышение численности денитрификаторов. В результате этого снижается коэффициент использования минеральных азотных удобрений, что может привести к загрязнению атмосферы, а также поверхностных и грунтовых вод [18].

Большое влияние на азотный режим почв оказывают азотфиксирующие бактерии. Свободноживущие азотфиксаторы, которые в почвах довольно широко распространены, вместе с симбиотическими клубеньковыми бактериями усваивают атмосферный азот и играют важную роль в поддержании азотного режима почв. Клубеньковые бактерии в значительной мере обеспечивают азотное питание бобовых культур [19].

Минерализация органических фосфорных соединений, превращения фосфатов алюминия, железа, трехкальциевых фосфатов в почве осуществляются микроорганизмами, так же, как и трансформация серы, железа и других элементов. В почве практически нет процесса, в котором микроорганизмы не принимали бы активного участия.

В связи с вышеизложенным, для орошаемых сероземных малогумусных почв наиболее целесообразным представляется применение биоудобрений, стимуляторов роста растений микробного или растительного происхождения, обладающих высокой агрохимической эффективностью без негативного влияния на структуру микробных сообществ и их активность.

В АО “Институт химических наук им. А.Б. Бектурова” разработана удобрительная композиция с введенным в ее состав стимулятором роста многофункционального действия для обеспечения сельскохозяйственных культур полноценным сбалансированным NP-питанием.

Исходя из вышеизложенного, целью работы было:

– в модельном опыте исследовать влияние удобрительной композиции (УК) на основе аммиачной селитры, фосфоритной муки (Р_ф), хлорофилл-белкового экстракта растения Juniperus на содержание подвижных форм азота, фосфора, калия, а также гумуса в почве, определить численность микроорганизмов эколого-трофических групп (ЭКТГМ) в светлом сероземе;

– в полевом опыте на посевах лука (2016–2018 гг.) изучить влияние удобрительной композиции на содержание подвижных форм азота, фосфора, калия и гумуса в почве; на рост и развитие растений, урожайность культуры, накопление макроэлементов растениями, а также состав микробных сообществ светло-сероземной почвы;

– исследовать эффективность нового ростстимулирующего биопрепарата, состоящего из хлорофилл-белкового экстракта (ХБЭ) растений рода Juniperus и сульфата железа, а также удобрительной композиции на основе фосфоритной муки (28% Р₂О₅), аммиачной селитры и ХБЭ с сульфатом железа.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Для проведения исследования использовали удобрительную композицию, полученную на основе фосфоритной муки Каратау (месторождения Кок-Джон участка Аралтобе), содержащей 28% Р₂О₅, аммиачной селитры (ГОСТ 2–85), хлорофилл-белкового экстракта растения рода Juniperus (know-how ТОО “Хазрат-Али-Акбар”), обогащенного сульфатом железа (ГОСТ 4148–78).

Удобрительную композицию получали при массовом отношении N : Р₂О₅ = 1 : 0.5, N – 23.0 мас. %, Р₂О₅ – 11.7 мас. % и ХБЭ – 0.115 мас. %.

Для проведения модельного опыта использовали светлый серозем, образцы почвы отбирали из пахотного горизонта участка, на котором впоследствии был проведен полевой опыт. Образец включал небольшое количество растительных остатков. Содержание питательных элементов (подвижных форм): N – 21.7, Р₂О₅ – 14.9, K₂О – 210 мг/кг, гумус – 1.02%.

Модельный опыт проводили по схеме, варианты: 1 – контроль (почва без удобрений), 2 – эталон (почва + N₈₈Р₅₀К₃₀ (в виде аммиачной селитры, аммофоса и хлорида калия)), 3 – почва + УК (N₁₀₀Р₅₀+ХБЭ 0.5) + K₃₀, 4 – почва + 0.5УК (N₅₀Р₂₅ + + ХБЭ 0.25)) + K₁₅.

В эталонном варианте количество азота выравнивалось до 100 кг/га за счет азота, содержащегося в аммофосе.

Почву, пропущенную через сито 3 мм, по 2 кг (в пересчете на абсолютно сухую) помещали в пластиковые емкости, оборудованные дренажными трубками, инкубировали в течение 30 сут при температуре 23–25°С и постоянной влажности почвы 17 мас. % (50% ПВ), контроль влажности осуществляли каждые 3-е сут.

Анализ почвы на содержание питательных элементов и гумуса проводили через каждые 10 сут опыта, микробиологические исследования (определение ЭКТГМ) – по истечении 30 сут.

Полевой опыт на светлом сероземе заложен по методикам [20] (табл. 1), варианты: 1 – контроль без удобрений; 2 – удобрения в виде N_aa, АФ и K_х вносили из расчета N100, Р50, K30; 3 – готовую удобрительную композицию (УК) вносили в количестве 435 кг/га из расчета N100, Р50, K30; 4 – УК 217.5 кг/га из расчета N50, Р25, K15. Количество ХБЭ в вариантах 3 и 4 составляло 0.5 и 0.25 кг/га соответственно.

Удобрения и удобрительную композицию вносили следующим образом: 25% – перед поливом в фазе 3–4 настоящих листьев, 40% – в фазе 6–7 настоящих листьев, 35% – в фазе начала образования луковиц. Почва – светлый серозем (Calcisols [21]). Calcisols ранее называли Desert soils. Большинство из них соответствует Calcids (США) и Calcarosols (Австралия). На почвенной карте Мира (FAO–UNESCO, 1971–1981) эти почвы относятся в основном к Xerosols (Сalcic или Haplic) и, в меньшей степени, к Yermosols. Почвообразующие породы в основном аллювиальные, коллювиальные и эоловые отложения богатых основаниями продуктов выветривания. Ландшафты: рельеф – ровный или холмистый; климат – аридный или семиаридный; естественная растительность – редкая, преобладают ксерофитные кустарники и деревья и/или эфемерные злаки и разнотравье. Развитие профиля: у типичных Calcisols формируется палевый (светло-коричневый) верхний горизонт; существенное накопление вторичных карбонатов происходит в пределах 100 см от дневной поверхности.

Среднее содержание питательных элементов (подвижных форм): N – 25.4, Р₂О₅ – 13.2, K₂О – 209 мг/кг, гумус – 1.08%.

Общая площадь делянки опыта составила 720 м², размер учетной делянки – 60 м². Повторность – трехкратная, размещение в один ярус. Была проведена основная вспашка опытного участка, боронование с внесением удобрений, вслед за ним проведено двукратное чизелевание. В течение вегетации проведены 3 ручные прополки. Учеты полевой всхожести, роста и развития растений, урожая проводили по методике полевых опытов [20].

Использовали семена лука сорта Каратал. Свойства сорта: вегетационный период – 75–97 сут, урожайность – 200–440 ц/га, крупность головки – 50–120 г, луковица – плотная, округлая, сухие чешуи – желтые и золотисто-желтые, сочные – белые, вкус у лука полуострый, вызреваемость перед уборкой – 35–100%, лежкость хорошая – 65–80%.

Содержание гумуса определяли по Тюрину, подвижных форм азота – по Корнфилду (в модификации ЦИНАО), общего азота – по Кьельдалю, валовых форм фосфора – по Гинзбург, подвижных форм фосфора и калия – по Мачигину в модификации ЦИНАО (ГОСТ 26205) [22].

Количественный учет отдельных физиологических групп микроорганизмов проводили методом предельных разведений с последующим высевом на различные твердые и жидкие питательные среды [23, 24]: численность азотфиксаторов – на среде Федорова с микроэлементами, фосфатмобилизирующих бактерий – на среде Пиковской, аммонифицирующих микроорганизмов – на мясо-пептонном агаре, олиготрофных микроорганизмов – на почвенном агаре, денитрификаторов – на жидкой среде Гильтая, повторность трехкратная. Численность микроорганизмов выражали в млн КОЕ или млн клеток/г сухой почвы.

Статистический анализ полученных данных проводили с помощью статистических программ “STATISTICA 10.0” и “Office Excel”, с подсчетом стандартного отклонения и доверительного интервала при р = 0.05 [25].

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Результаты определения динамики содержания питательных элементов и гумуса в почве модельного опыта приведены в табл. 2. Установлено, что в контрольной почве без удобрения было стабильное содержание подвижных форм азота (21.65–21.70 мг/кг) и фосфора (14.7–14.9 мг/кг) в течение 30 сут, тогда как в эталонном варианте с удобрениями отмечено некоторое снижение содержания подвижных форм азота, незначительное увеличение содержания подвижного фосфора и снижение содержания гумуса почвы на 0.03%.

В вариантах с применением полной дозы УК и 0.5 УК в течение инкубации выявлено достоверное увеличение содержания подвижных форм азота (на 30-е сут – на 28.2 и 15.8%) и фосфора (на 30-е сут – на 36.1 и 29.9%) при небольшом, но также достоверном (судя по доверительному интервалу) приросте количества гумуса (на 7.8 и 4.9% соответственно).

Изучение количества почвенных микроорганизмов в почве на 30-е сут модельного опыта (табл. 3) показало значительное их увеличение под воздействием удобрений. Например, при внесении азотных и фосфорных удобрений в эталонном варианте отмечен прирост числа азотфиксирующих микроорганизмов на 7.1, фосфатмобилизующих – на 8.3, аммонифицирующих – на 6.7%, тогда как олиготрофов – в 1.5 раза, денитрифицирующих – в 2.5 раза. При внесении УК и 0.5 УК выявлена иная закономерность – установлено значительное увеличение количества азотфиксаторов – в 3.6 и 2.8 раза, фосфатмобилизаторов – в 3.5 и 2.2 раза, аммонификаторов – в 1.6 и 1.2 раза по сравнению с контролем.

Корреляционный анализ позволил установить, что снижение содержания подвижного азота и гумуса в эталонном варианте могло быть связано с увеличением численности денитрификаторов, участвующих в трансформации азота почвы (r = –0.61 и –0.75 соответственно) и олиготрофов, минерализующих гумус, (r = –0.74 и –0.85 соответственно). Тесная прямая корреляция отмечена также между количеством аммонификаторов и содержанием подвижных форм азота, накопленного в почве к концу инкубации. Та же закономерность отмечена при обнаружении связей между числом свободноживущих азотфиксаторов и содержанием подвижного азота. Следует отметить высокую степень зависимости содержания подвижного фосфора и количества фосфатмобилизаторов в почве (r = 0.98).

Исследование агрохимической эффективности УК проводили также в полевом опыте на посевах лука, выращиваемом на светлом сероземе. Показано, что традиционные удобрения и удобрительная композиция с ХБЭ увеличивали всхожесть семян лука по сравнению с контрольным вариантом без удобрений.

Фенологические наблюдения за ростом растений, количеством и сохранностью растений в конце вегетации представлены в табл. 4. Из полученных данных следует, что в варианте с УК высота главного стебля увеличивалась по сравнению с эталоном на 8.9 (25 августа) и 18.6% (25 мая). Количество растений в варианте в конце вегетации также превышало показатели эталонного варианта на 60 тыс. шт./га. Несмотря на снижение дозы удобрений в 2 раза в варианте с 0.5 УК, длина главного стебля растения превышала эталон на 2.8–4.7 см, количество растений на 1 га – на 33 тыс. шт.

Эффективность УК, в состав которой входит ХБЭ, проявлялась также в сохранности растений в конце вегетации. Например, если в контроле показатель составил 82, в эталонном варианте – 86, то в вариантах применения УК и 0.5 УК – 93 и 90%.

Полученные результаты хорошо согласовались с данными урожайности репчатого лука (рис. 1). Установлено, что УК обеспечивала прибавку урожайности 70 ц/га в сравнении с традиционными удобрениями, а при снижении ее нормы на 50% – на 20 ц/га.

Рис. 1.

Урожайность лука репчатого при применении стандартных удобрений и удобрительной композиции, варианты: 1 – контроль без удобрений, 2 – эталон N88Р50К30, 3 – УК + K30, 4 – 0.5 УК + K15.

Биометрические показатели развития растений хорошо согласовались с результатами анализа почвы, свидетельствующими об оптимизации питательного режима при применении удобрительной композиции. Улучшение питания растений отражено в уровне содержания N, Р и K в биомассе растений лука (табл. 5).

Например, в варианте с УК содержание N, Р₂О₅ и K₂О в почве (в пахотном горизонте) в сравнении с эталоном повышалось на 25.1; 44.0 и 3.4% соответственно. При этом установлено увеличение содержания гумуса в почве на 0.06% (на 5.6 и 2.8% по отношению к контрольному и эталонному вариантам).

Агрохимические показатели почвы хорошо согласуются с содержанием макроэлементов в листьях растений лука: применение УК способствовало увеличению в биомассе N на 16.7, Р – на 2.8, K – на 3.6% по отношению к эталонному варианту. Несмотря на снижение дозы удобрительной композиции в 2 раза, в варианте с 0.5 УК также установлено достоверное увеличение количества макроэлементов в листьях: N – на 15.5, Р – на 1.4, K – на 2.7% в сравнении с эталонным вариантом.

Необходимо отметить высокую корреляционную зависимость агрохимических характеристик почвы и содержания NPK в растениях. Содержание азота в почве и в листьях и содержание калия в почве и в листьях имели высокие коэффициенты корреляции – до 0.91, несколько меньше был уровень зависимости содержания доступных форм фосфора в почве и содержания его в растениях – ≈0.8. Кроме того, тесная зависимость обнаружена между урожайностью лука репчатого и содержанием в почве N (r = 0.92), Р (r = 0.74), гумуса (r = 0.74), и несколько меньше содержания K (r = 0.55).

Бактериологический анализ почвы, отобранной в период образования луковиц, установил в вариантах с УК и 0.5 УК повышение численности азотфиксирующих бактерий в 2.3 и 2.2 раза (до 1.12 млн КОЕ/г почвы), фосфатмобилизирующих бактерий – в 2.7 и 2.3 раза (до 1.5 млн/г), аммонифицирующих микроорганизмов – в 2.3 и 2.1 раза (до 1.35 млн КОЕ/г), а также снижение численности олиготрофов в 1.6 и 1.5 раза (до 7.2 млн КОЕ/г) и денитрификаторов – в 2.7 и 2.5 раза (до 5.0 млн КОЕ/г почвы) в сравнении с эталонным вариантом (табл. 6).

Можно констатировать, что в почве с минеральными удобрениями процессы разложения гумусовых соединений (контролируемых олиготрофами) преобладали над процессом микробного синтеза и гумификации, т.е. отмечен сдвиг баланса в сторону минерализации. В эталонном варианте были вероятны также значительные потери азотных соединений под воздействием денитрификаторов. Напротив, входящий в состав удобрительной композиции ХБЭ, обогащенный сульфатом железа, выступал как протектор почвенного органического вещества и минеральных соединений, снижая интенсивность процессов минерализации и увеличивая КПД внесенных удобрений.

Важно, что урожайные данные и агрохимические характеристики почвы под посевами лука имели высокую степень корреляции с численностью микроорганизмов различных ЭТГ (в фазе образования луковиц), участвующих в трансформации макроэлементов в почве (табл. 7).

Таким образом, применение новой удобрительной композиции на основе фосфоритной муки Каратау (месторождения Кок-Джон участка Аралтобе), аммиачной селитры, хлорофилл-белкового экстракта растения рода Juniperus, обогащенного сульфатом железа, позволило обеспечить увеличение урожайности сельскохозяйственных культур, улучшить качество готовой продукции, повысить эффективность минеральных удобрений, снизить их общую потребность и затраты на применение. Следует указать, что снижение химической нагрузки на почву за счет уменьшения дозы удобрений без ущерба для урожайности может способствовать позитивному изменению окружающей среды и повышению плодородия почв.

Причина позитивного эффекта удобрительной композиции состоит в благоприятном воздействии биологически активных соединений, входящих в состав УК (хлорофилл-белковый экстракт можжевельника, а также легкодоступное железо в виде сульфатсоединения), на корневую систему растений. Кроме того, применение полной и 50%-ной дозы удобрительной композиции обеспечило значительное изменение состава микробного сообщества в сторону увеличения числа азотфиксаторов, фосфатмобилизаторов, аммонификаторов и повышения доли этих полезных микроорганизмов в составе микробного комплекса светло-сероземной почвы.

ВЫВОДЫ

1. В модельном опыте со светло-сероземной почвой при внесении как полной, так и половинной дозы удобрительной композиции (УК), установлено достоверное увеличение подвижных форм азота и фосфора (на 15.8–29.9%), а также гумуса (на 4.9–7.8%) по сравнению с контрольным и эталонным вариантами.

2. Внесение азотных и фосфорных удобрений в эталонном варианте привело к небольшому увеличению числа азотфиксирующих, фосфатмобилизующих и аммонифицирующих микроорганизмов, при значительном росте (в 1.5–2.5 раза) числа олиготрофов и денитрификаторов, свидетельствующих об интенсивных потерях за счет минерализации углерода и минерального азота. Напротив, применение удобрительной композиции (УК и 0.5 УК) сформировало благоприятные условия для значительного увеличения азотфиксаторов в 3.6–2.8 раза, фосфатмобилизаторов – в 3.5–2.2 раза, аммонификаторов – в 1.6–1.2 раза, тогда как число олиготрофов и денитрификаторов снижалось или было близким по величине в варианте без удобрений.

3. В полевом опыте использование удобрительной композиции позволило оптимизировать питание растений лука, что выразилось в увеличении числа всходов лука, большей высоте растений (до 18.6% к контролю), сохранности растений в конце вегетации и, главное, количестве урожая. Применение полной и половинной дозы УК позволило получить урожайность лука репчатого 280 и 230 ц/га (что соответственно на 33 и 9% больше эталонного варианта).

4. Применение УК способствовало повышению содержания подвижных форм азота, фосфора и калия в почве пахотного горизонта (на 25.1, 44.0 и 3.4% в сравнении с эталоном) при некотором увеличении содержания гумуса (на 5.6 и 2.8% по отношению к контрольному и эталонному вариантам). Изменение агрохимических характеристик почвы под воздействием УК привело к изменению микробных сообществ в сторону увеличения абсолютного количества бикробиоты, а также доли аммонификаторов, азотфиксаторов и фосфатмобилизаторов, при понижении числа и доли олиготрофов и денитрификаторов.