Агрохимия, 2020, № 9, стр. 8-17

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Для выполнения исследования по изучению содержания углерода микробной биомассы и целлюлозолитической активности чернозема типичного был заложен полевой мелкоделяночный опыт (2006–2009 гг.), расположенный на опытном поле Курского федерального аграрного научного центра в Медвенском р-не Курской обл. на водораздельном плато. Почвенный покров участка представлен черноземом типичным малогумусным тяжелосуглинистым на карбонатном лессовидном суглинке. Содержание гумуса – 5.34–5.56%, обменно-поглощенного кальция – 26.0–28.6 мг-экв/100 г почвы. Реакция среды – нейтральная или близкая к нейтральной: рН$_{{{{{\text{Н}}}_{{\text{2}}}}{\text{О}}}}$ составил 6.6–7.5, рН_KCl – 6.1–7.2, гидролитическая кислотность – 0.42–1.94 мг-экв/100 г почвы.

Анализ биологических показателей был проведен в севообороте сахарная свекла – ячмень – горох – озимая пшеница на фоне внесения побочной продукции с различными дозами минеральных удобрений и извести. Полнофакторная схема опыта включала 3 уровня доз извести (0, 1, 2) и 4 уровня доз минеральных удобрений (0, 1, 2, 3). Те же дозы минеральных удобрений и извести изучали параллельно и на фоне внесения растительных остатков. Одинарная доза минеральных удобрений под сахарную свеклу – N90Р90К90, ячмень и озимую пшеницу – N40Р40К40, горох – Р40К40, одинарная доза извести – 0.15 т/га. Количество использованной на удобрение побочной продукции (соломы и ботвы) строго дозировали: сухое органическое вещество – 2 т/га (солома 3 т/га + ботва 15 т/га). Таким образом, сочетанию с одинарными и двойными дозами извести соответствовали соотношения 50 : 10 и 100 : 20 кг извести на 1 т соломы/ботвы. Общая площадь делянок – 20 м², учетная для культур сплошного сева – 11 м², для сахарной свеклы – 5.4 м², повторность четырехкратная, размещение делянок систематическое. Минеральные удобрения и известь вносили вручную.

Представленную схему опыта осуществляли на фоне основной обработки почвы – вспашки, для озимой пшеницы – поверхностной обработки, совмещенной с предпосевной. Побочную продукцию заделывали на глубину основной обработки почвы только после поверхностного компостирования на поле по технологии, разработанной в нашем центре [20].

Для выполнения поставленных задач были проведены полевые и лабораторно-аналитические исследования с использованием различных методов анализа. Образцы почв на определение микробной биомассы (МБ) отбирали на глубине пахотного слоя (0–20 см) в 2 срока: в период вегетации культур севооборота и в период их уборки. Для проведения анализа целлюлозолитической активности почвы на глубине пахотного слоя были заложены образцы хлопчатобумажной ткани, предварительно взвешенные и подготовленные в соответствии с методикой. Закладку полотен производили в 2 срока: после посева культур и перед уборкой культур с экспозицией 1 мес. Представлены средние результаты данного показателя.

Лабораторно-аналитические исследования проводили по общепринятым рекомендованным методикам: определение микробной биомассы (МБ) в свежих почвенных образцах – регидратационным методом [21], целлюлозлитической активности почвы (ЦА) – по степени разложения хлопчатобумажной ткани (РТ) [22].

Экспериментальные данные обработаны методами дисперсионного и корреляционно-регрессионного анализов с использованием программных средств Microsoft office EXCEL, STATISTIKA, STATGRAF.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Микробная биомасса почвы является интегральной характеристикой качества почвы [23]. Изменения микробной биомассы почвы важны для заблаговременного прогнозирования влияния различных агротехнологий на содержание органического вещества. При относительно невысокой доле углерода микробной биомассы в общем содержании почвенного органического вещества (1–6%), она является источником формирования гумусовых веществ, поэтому может служить важным параметром, характеризующим биологическое состояние почв [24].

Установлено, что для поддержания стабильного и более высокого уровня биологических показателей почвы необходимо регулярное внесение соломы зерновых и зернобобовых культур в сочетании со средними дозами минеральных удобрений [25]. Согласно данным [26], поступление растительных остатков в почву сопровождалось ростом микробной биомассы в среднем на 30–65%. В исследовании [27] содержание микробной биомассы (МБ) при внесении соломы озимой пшеницы было в 1.2 раза больше контроля без удобрений. В работе [24] отмечено, что если минеральные удобрения вносили без соломы, то они не оказывали положительного влияния на содержание углерода МБ.

Показано, что использование соломы злаковых культур под сахарную свеклу совместно с различными дозами минеральных удобрений и известняковой муки обеспечило накопление наибольшего количества микробной биомассы во все сроки наблюдений при внесении низкой дозы извести (50 кг/т соломы) как отдельно, так и совместно со средней дозой минеральных удобрений N90Р90К90 (табл. 1).

В вариантах с внесением повышенных (N180Р180К180) и высоких (N270Р270К270) доз минеральных удобрений количество МБ снижалось не только на фоне без внесения извести, но и при ее внесении в дозе и 50 и 100 кг/т соломы. При применении максимальной дозы азотного удобрения отмечено уменьшение эффективности использования микроорганизмами питательного субстрата в условиях несбалансированного питания, что снижало рост запасов углерода биомассы [28]. Это свидетельствовало о том, что при интенсификации процесса поверхностного компостирования соломы озимой пшеницы необходимо создавать благоприятные условия для развития микроорганизмов, участвующих в процессе трансформации энергии органического вещества, ограничиваясь средними дозами минеральных удобрений с низкой дозой извести.

Содержание микробной биомассы при использовании ботвы сахарной свеклы под ячменем было больше во всех вариантах внесения минеральных удобрений и извести, чем в тех же вариантах, но без внесения ботвы сахарной свеклы (на 40–240 мг/кг почвы или на 5–33% на фоне извести и на 3–17% на фоне без извести).

На активность микробиологических процессов влияют агрометеорологические условия вегетационного периода, особенно влагообеспеченность почвы [29]. Если учесть, что вегетационный период был жарким и сухим, то к уборке ячменя количество МБ в почве заметно уменьшилось и на фоне внесения растительных остатков с известью (с 728–967 до 393–528 мг/кг), и на фоне без внесения извести (с 697–884 до 333–499 мг/кг). Но закономерность оставалась той же: при внесении ботвы сахарной свеклы содержание МБ практически во всех удобренных вариантах с известью было больше на 11–21%, без внесения извести – на 10–14% по сравнению с фоном без растительных остатков. Это свидетельствовало о полезном влиянии растительных остатков на микроорганизмы почвы, несмотря на значительную антропогенную нагрузку (применение сельскохозяйственной техники и минеральных удобрений).

Результаты исследования [30] показали, что в период вегетации растений (с начала июня до начала августа) происходило закономерное увеличение содержания углерода микробной биомассы в слое 0–10 см почвы в среднем во всех вариантах опыта с 202 до 853 кг С/га в зернотравяном севообороте при внесении минеральных удобрений. Величина содержания МБ в период созревания гороха и его уборки свидетельствовала (табл. 1), что интенсивность накопления МБ при поверхностной заделке соломы ячменя была значительно больше во всех вариантах внесения минеральных удобрений и извести, чем без внесения соломы. Это превышение в период созревания гороха было максимальным при поверхностном компостировании соломы с фосфорно-калийными удобрениями в дозе Р40K40 совместно с известью в дозе 50 кг/т соломы (74 и 77% соответственно).

В период уборки гороха максимальное содержание МБ было при внесении полного минерального, фосфорно-калийного удобрения без извести и превышало фон без соломы на 59–74%. В остальных вариантах внесения удобрений и извести увеличение микробной биомассы менялось, но было достоверным. В период уборки отмечено практически одинаковое содержание микробной биомассы во всех вариантах применения фосфорно-калийных удобрений и обеих доз извести с соломой ячменя (616–685 и 693–655 мг/кг почвы).

В период вегетации озимой пшеницы после гороха содержание МБ после применения растительных остатков, минеральных удобрений и извести в отдельных вариантах было более низким, чем в вариантах внесения минеральных удобрений и извести без соломы (варианты 4, 5, 8, 10, 12). При этом снижение содержания МБ было неодинаковым и изменялось от 14 до 71 мг/кг (от 2 до 9%), и какой-либо закономерности выявить не удалось, что могло быть связано с резкими изменениями погоды (изменения температуры воздуха составляли до 20°С в отсутствии осадков).

Но к периоду уборки накопление МБ стабилизировалось, улучшились условия увлажнения, и солома гороха стала энергетическим материалом для микробиоты, что и отразилось на содержании микробной биомассы. При применении соломы гороха содержание микробной биомассы стало больше во всех вариантах внесения минеральных удобрений и извести по сравнению с фоном без соломы. В опыте [25] с внесением соломы наблюдали увеличение содержания углерода микробной биомассы до 6.2–6.5%, что было обусловлено более высокой обеспеченностью почвы легкоразлагаемыми биологически доступными фракциями органического вещества после применения соломы зерновых и зернобобовых культур севооборота на удобрение и свидетельствовало об иммобилизации углерода.

Для формирования урожая озимой пшеницы, вероятно, большое влияние оказало содержание микробной биомассы в период вегетации культуры. Поэтому и урожайность озимой пшеницы в вариантах внесения минеральных удобрений и соломы гороха с известью в дозе 100 кг/т была несколько больше, чем в тех же вариантах применения минеральных удобрений и извести без соломы.

На основе экспериментального материала было установлено, что содержание МБ в черноземе под разными культурами и в разные сроки (в среднем в опыте) подчинялось следующим закономерностям: 1 – величины содержания МБ под культурами в целом зависели от качества внесенных под них растительных остатков (соломы ячменя – С : N = 90, гороха – С : N = 22 и озимой пшеницы – С : N = 100) [31], 2 – содержание МБ в период уборки культур и его различия между сроками отбора зависели от погодных условий учетного периода, оцененные в данном случае гидротермическим коэффициентом по Селянинову. Например, в засушливых условиях вегетационного периода ячменя (ГТК = 0.95) отмечено снижение микробной биомассы к уборке культуры в 2 раза (рис. 1).

Рис. 1.

Различия МБ почвы под культурами севооборота в зависимости от сроков отбора проб и гидротермических условий.

Характер влияния агротехнических факторов (внесения растительных остатков, извести и минеральных удобрений) на содержание микробной биомассы в почве был одинаковым для зерновых культур зернопропашного севооборота. При поверхностной заделке побочной продукции наблюдали увеличение содержания МБ в течение вегетации культур в среднем на 50 мг/кг (8%), при уборке – на 100 мг/кг (19%) по сравнению с фоном без поверхностной заделки растительных остатков.

Сочетание известкования с минеральными удобрениями повышало МБ во время вегетации культур на 100 мг/кг (15%), как на фоне внесения побочной продукции на удобрение, так и без него. В период уборки культур положительный эффект от сочетания известкования с минеральными удобрениями, как при заделке растительных остатков, так и без нее, показатель МБ составил 200 мг/кг (увеличение на 40–50%). При этом характер нелинейной зависимости указывал на то, что при поверхностном компостировании растительных остатков (ПК РО) повышенные дозы минеральных удобрений не показали депрессирующего действия на МБ, как в случае без внесения растительных остатков [32] (рис. 2).

Рис. 2.

Зависимость содержания микробной биомассы почвы (МБ, мг/кг) в посевах зерновых культур от минеральных удобрений, известкования и поверхностного компостирования растительных остатков (ПК РО) в периоды вегетации и уборки культур севооборота.

Данные, полученные при дисперсионном анализе, показали, что под посевами ячменя, гороха и озимой пшеницы наибольший эффект в варьирование содержания микробной биомассы в почве оказал срок отбора (44%), а влияние культуры и удобрений было примерно равным (27 и 29% соответственно) (рис. 3).

Рис. 3.

Доля вклада агрогенных факторов в варьирование содержания микробной биомассы в черноземе типичном.

Добавкой азота часто стимулируют минерализацию в достаточной степени доступных соединений углерода растительных остатков, бедных азотом, с широким отношением С : N, таких как например, целлюлоза, в то же время разложение лигнина замедляется из-за подавления активности некоторых лигнинлитических микроорганизмов в присутствии неорганического азота [14]. Поэтому важным в регулировании биологического процесса является изучение интенсивности целлюлозоразлагающей способности почвы в зависимости от величины доз примененных минеральных удобрений.

Рис. 4.

Зависимость степени разложения ткани в почве от доз извести и минеральных удобрений при поверхностном компостировании растительных остатков и без него.

Рис. 5.

Доля вклада агрогенных факторов в варьирование содержания микробной биомассы в черноземе типичном (для зерновых культур) в зависимости от сроков отбора проб.

Биологическая активность почвы под сахарной свеклой, определенная методом аппликаций, как и содержание микробной биомассы, была максимальной при внесении низкой дозы извести как с минеральными удобрениями в средней дозе (NРК)90, так и без них.

При использовании ботвы сахарной свеклы под ячмень биологическая активность почвы также была больше практически при применении всех доз минеральных удобрений и извести по сравнению с фоном без ботвы. Интенсивность разложения хлопчатобумажной ткани при заделке ботвы сахарной свеклы составила 0.33–0.48%/сут, без ботвы – 0.18–0.36%/сут в зависимости от доз минеральных удобрений и извести.

Более высокая биологическая активность почвы при использовании растительных остатков в качестве органических удобрений в основном и позволила получить более высокую урожайность зерна ячменя при поверхностном компостировании ботвы сахарной свеклы.

Целлюлозолитическая активность почвы под посевом гороха при использовании соломы ячменя так же, как и под посевом ячменя была больше во всех вариантах применения минеральных (фосфорно-калийных) удобрений и извести по сравнению с такими же вариантами без соломы ячменя и по степени разложения хлопчатобумажной ткани характеризовалась как сильная [33]. В тех же вариантах применения минеральных удобрений и извести, но без заделки соломы ячменя, биологическая активность почвы характеризовалась как средняя. Показатель целлюлозолитической активности при поверхностном компостировании соломы в основном составил 50.9–72.4, без соломы – 41.1–47.3%.

Интенсивность разложения хлопчатобумажной ткани в вариантах поверхностного компостирования соломы ячменя составляла 0.75–1.42%/сут, без соломы – 0.55–1.13%/сут в зависимости от доз фосфорно-калийных удобрений и извести, и была больше на фоне компостирования соломы в 1.2–1.4 раза.

В отличие от предыдущих культур биологическая активность почвы под озимой пшеницей была слабой (целлюлозолитическая активность за период вегетации была <30%) во всех вариантах применения удобрений и извести и с соломой гороха, и без нее. Но все же при использовании соломы гороха она была больше во всех вариантах, за исключением вариантов с внесением высокой дозы удобрений с известью в дозе 100 кг/т, где интенсивность разложения ткани была равной и при применении соломы, и без соломы, что составило 0.30 и 0.31%/сут соответственно.

Самая высокая степень биологической активности в период вегетации отмечена в вариантах внесения соломы гороха с минеральными удобрениями в средней дозе (NРK)40 в сочетании с известью в обеих дозах. Интенсивность разложения хлопчатобумажной ткани в этом случае составила 0.40 и 0.39%/сут и была больше, чем в соответствующих вариантах без соломы на 0.08–0.10% (на 25 и 35%) соответственно.

Активность целлюлозоразрушающих микроорганизмов, определяемая степенью разложения хлопчатобумажной ткани, в нашем опыте без растительных остатков варьировала в различно удобренных вариантах от 21 до 37%, на фоне ПК РО – от 37 до 49%. В среднем при применении растительных остатков степень разложения ткани возрастала на 15% (табл. 2), что было обусловлено более благоприятными условиями для питания, активной жизни и размножения микроорганизмов [34].

В варианте применения соломы в комбинации с минеральными удобрениями наблюдали увеличение целлюлозоразлагающей способности в 1.4 и 2.2 раза по сравнению с вариантами удобрений и без удобрений соответственно [25]. Применение системы удобрения с использованием соломы [35] привело к увеличению микробиологической активности почвы, что позволило увеличить степень разложения льняного полотна на 6.1% по сравнению с контролем. По результатам статистической обработки выявлена тесная связь интенсивности разложения ткани в поверхностном слое почвы от исследованных факторов (r = 0.86).

В целом в опыте степень разложения хлопчатобумажной ткани (РТ, %) повышалась от одинарных доз извести как при внесении растительных остатков, так и без них. Характер действия минеральных удобрений был различным: без растительных остатков наблюдали повышение целлюлозолитической активности, при ПК РО минеральные удобрения вызывали некоторое ее снижение (рис. 4).

При оценке использованных агротехнических приемов на содержание и варьирование МБ в черноземе под зерновыми культурами было установлено, что в период вегетации культур наибольший эффект имели минеральные удобрения, к периоду уборки – известкование и растительные остатки (рис. 5). Наибольшая доля вклада в варьировании целлюлозолитической активности была у побочной продукции – 80% (табл. 3).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Внесение побочной продукции с минеральными удобрениями снимало отрицательное влияние повышенных и высоких доз минеральных удобрений на показатели биологического качества почвы: возрастало содержание микробной биомассы в среднем на 8–19% в зависимости от доз минеральных удобрений, увеличивалась целлюлозолитическая активность почвы на 15%, при этом средние дозы удобрений способствовали некоторому росту биологической активности, а высокие дозы минеральных удобрений имели депрессирующий эффект.

2. Поверхностное компостирование растительных остатков предыдущей культуры севооборота способствовало максимальному улучшению биологических свойств почвы (увеличению содержания микробной массы, интенсивности целлюлозолитической активности) только при внесении средних доз (N170Р210К210 за севооборот) минеральных удобрений в сочетании с низкой дозой извести (50 кг/т соломы и 10 кг/т ботвы).