Агроэкологическая оценка биологической активности дерново-подзолистой супесчаной почвы при бессменном возделывании топинамбура и длительном применении различных удобрений

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Калужский филиал РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева

Агроэкологическая оценка биологической активности дерново-подзолистой супесчаной почвы при бессменном возделывании топинамбура и длительном применении различных удобрений - работа выполнена при частичной поддержке грантов Ведущей научной школы НШ-4266.2014.47, Рамочной Программы ЕС № 603542 и Правительства РФ № 11.G34.31.0079.

Сюняев Н.К.

Аннотация

топинамбур удобрение почва

Изучена биологическая активность представительной для Калужской области пахотной дерново-подзолистой супесчаной почвы при бессменном возделывании топинамбура и длительном применении сопоставимых доз минеральных, органических и нетрадиционных органо-минеральных удобрений в виде исходных и обезвоженных осадков городских сточных вод (ОСВ и ООСВ) г. Калуги. Отмечается достоверное повышение интегральных показателей биологической активности пахотного горизонта во всех вариантах применения удобрений с максимальным проявлением в случае органических и органо-минеральных удобрений: до +70% по общему количеству микроорганизмов-аэробов, +90% по общему количеству факультативных анаэробов, +160% по интенсивности дыхания почвы и кратно по активности каталазы и уреазы - относительно контроля. Устойчивое по сезону повышение биологической активности исходно биологически бедной супесчаной дерново-подзолистой почвы сопровождается качественным повышением биологической продуктивности топинамбура и, особенно, урожайности его клубней - до +106% (85 ц/га) при применении стандартных доз ООСВ (10 т/га по СВ раз в 3 года), которые не вызывают агрогенное загрязнение исследованных почв и развитие в них явления фитотоксичности. Полученные на основе обобщения результатов 13-летних агроэкологических исследований выводы позволяют рекомендовать системное применение на бедных пахотных дерново-подзолистых почвах стандартных доз обезвоженных осадков городских сточных вод без риска загрязнения их тяжелыми металлами и с качественным повышением биологической активности почв. Повышенная актуальность сделанных выводов определяется ярко выраженным на основной территории России дефицитом традиционных органических удобрений и необходимостью утилизации ежегодно растущих объемов городских сточных вод.

Ключевые слова: АГРОЭКОЛОГИЯ, АГРОЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА, БИОЛОГИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ ПОЧВЫ, ДЕРНОВО-ПОДЗОЛИСТЫЕ ПОЧВЫ, УДОБРЕНИЯ, ОСАДКИ СТОЧНЫХ ВОД, ФИТОТОКСИЧНОСТЬ ПОЧВЫ, ТОПИНАМБУР

Введение

К основным задачам современной агроэкологии и почвоведения относится агроэкологическая оптимизация землепользования и качества пахотных почв [1-4], к наиболее проблематичным из которых традиционно относятся бедные старопахотные почвы легкого гранулометрического состава. В Центральном регионе России к таким относятся, прежде всего, супесчаные старопахотные дерново-подзолистые почвы, широко распространенные в долинах рек и мещерских низменностях, в частности, Калужской области [5-7], требующие агроэкологического моделирования и проведения многолетних полевых опытов по исследованию условий устойчивого и рентабельного повышения биологической активности и продуктивности с минимальными рисками для экологического состояния и экологических функций почв [8-11].

Уровень биологической активности супесчаных дерново-подзолистых почв, как правило, определяется регулярностью и дозами применяемых на них органических удобрений. На фоне ярко выраженного на основной территории России дефицита традиционных форм органических удобрений и необходимости утилизации ежегодно растущих объемов городских сточных вод чрезвычайно актуально стоят задачи агроэкологических исследований последействия регулярного применения свежих и обезвоженных осадков городских сточных вод (ОСВ и ООСВ) на экологическое состояние и функциональное качество исходно бедных почв легкого гранулометрического состава, отличающихся пониженной устойчивостью к агрогенным и химическим воздействиям.

Для агроэкологического мониторинга и интегральной характеристики биологической активности и качества пахотных почв традиционно используются [12-16] очень чувствительные к антропогенной нагрузке показатели почвенной эмиссии углекислого газа («дыхания почвы»), численность почвенных микроорганизмов-аэробов и факультативных анаэробов, сравнительный анализ интенсивности изменения активности каталазы и уреазы - относительно местного контроля природных или минимально измененных почв [17].

С расширением спектра локально применяемых на бедных почвах легкого гранулометрического состава нетрадиционных органо-минеральных удобрений (создаваемых на основе исходных и обезвоженных осадков сточных вод с повышенным содержанием тяжелых металлов) актуализируются задачи агроэкологической оценки и прогноза изменения биологических свойств почв после неоднократного применения ОСВ и ООСВ - в сравнении с последействием сопоставимых доз минеральных и органических удобрений.

Одной из наиболее перспективных культур для выращивания в условиях повышенных рисков техногенного загрязнения является топинамбур, отличающийся пониженной биологической аккумуляцией нитратов и тяжелых металлов из почвы, а также их активным удалением при глубокой переработке клубней [18]. Топинамбур успешно произрастает на всех типах незасоленных почв. Наилучшими для него являются суглинистые и супесчаные почвы с глубоким окультуренным пахотным горизонтом и хорошим увлажнением. Клубни топинамбура содержат белки, аминокислоты, углеводы (инулин), а также разнообразные витамины, микроэлементы и другие биологически активные вещества, что определяет его ценность в кормопроизводстве и в качестве исходного сырья для диетического питания, пищевой промышленности и создания высокоэффективных лекарственных средств. Цель нашей работы - агроэкологическая оценка интегральной биологической активности старопахотной дерново-подзолистой супесчаной почвы под посевом топинамбура при его бессменном возделывании и длительном применении сопоставимых доз различных удобрений: минеральных, органических и нетрадиционных органо-минеральных - в виде исходных и обезвоженных осадков городских сточных вод (ОСВ и ООСВ) г. Калуги.

Объекты и методы

Основные исследования влияния сопоставимых доз исследуемых удобрений на биологическую активность пахотной легкой дерново-подзолистой почвы под посевом топинамбура проводились в 2013 году на базе Опытного поля Калужского филиала РГАУ-МСХА имени К.А.Тимирязева. Почва участка - дерново-подзолистая супесчаная на водно-ледниковых отложениях, подстилаемых на глубине 40-60 см опесчаненной среднесуглинистой московской мореной.

Наличие водоупора на литологической границе играет благоприятную роль для роста топинамбура и функционирования почвенной микробиоты в летний период, снижая лимитирующую роль экологического фактора сезонного дефицита влаги в верхнем облегченном наносе и ограничивая вынос элементов питания за пределы основной части почвенного профиля. Это обеспечивает хороший фон и для проводимых исследований биологической активности почв, подчеркивая роль основного анализируемого фактора: последействия применяемых удобрений в условиях бессменного выращивания топинамбура.

Почвы характеризуются низким содержанием гумуса в пахотном горизонте (1,10-1,21 %). С глубиной оно резко падает и уже в подпахотном подзолистом горизонте А2 составляет 0,28-0,38 %. Количество поглощенных оснований в пахотном горизонте невысокое (4,2-6,2 мг-экв. на 100 г почвы), в горизонте А2 падает до 3,4-4,8 мг-экв/100 г почвы. Реакция почвенной среды в пахотном горизонте близка к нейтральной (5,7-6,0 рНKCl). Величина гидролитической кислотности в пределах верхнего наноса меньше 1 мг-экв. на 100 г почвы, определяя слабо ненасыщенный характер почвенного поглощающего комплекса [6]. Содержание подвижного фосфора - от повышенного до высокого (120-200 мг/кг), обменного калия - 60-80 мг/кг.

Многолетний опыт имеет следующие варианты с периодическим внесением различных удобрений раз в 3 года: 1 - контроль (без удобрений); 2 - минеральные удобрения (N90P60K120); 3 - навоз (40 т/га); 4 - осадки сточных вод (10т/га ОСВ по сухому веществу - СВ); 5 - обезвоженные осадки сточных вод (10т/га ООСВ по СВ). Опыт проводится с 2001 г. в пяти вариантах с трёхкратной повторностью при размере делянок в 5 м2.

Удобрения вносились по циклам через 3 года, начиная с 2001 года (2004, 2007, 2010 и 2013 гг.). Дозы всех видов удобрений устанавливали по принципу зональной оптимальности для данного вида культуры и почвенного таксона. Минеральные (калий хлористый и суперфосфат двойной) и органические удобрения вносили осенью под вспашку, весной вносили азотные удобрения в виде аммиачной селитры. Применялись осадки сточных вод, выдержанные на иловых площадках ОСК г. Калуги в течение 4-5 лет, имеющие влажность около 90%. Обезвоженные механическим путем осадки сточных вод имели около 70% влажности.

Исследования биологической активности почв проводились в близких к среднемноголетним (для последних лет) погодным условиям 2013 года. Образцы почвы для анализов отбирались с каждой делянки общепринятым способом «конверта». Определение общего количества микроорганизмов (КОЕ) производили способом разведений и высева почвенной суспензии на МПА. Интенсивность дыхания почвы определяли по эмиссии СО2, активность каталазы - по количеству разложившегося пероксида водорода, активность уреазы - по интенсивности выделения аммиака при действии фермента на мочевину, фитотоксичность почвы - методом проращивания тест-растения кресс-салата. Статистическую обработку результатов провели с использованием стандартного пакета Excel.

Результаты и обсуждение

Проведенные исследования показали достоверное влияние вида применяемых удобрений на количество почвенных микроорганизмов - на фоне значительной сезонной динамики численности почвенных аэробов и факультативных анаэробов (табл. 1).

Таблица 1. Общее количество микроорганизмов в пахотном горизонте исследуемых вариантов дерново-подзолистой почвы (2013 г.), КОЕ/1г·105

В начале лета наблюдалось преимущественное развитие аэробных форм. Факультативные анаэробы составляли в общем количестве от 13,7% в контрольной почве до 15,8% в почве, удобренной осадками сточных вод. Наименьший прирост численности микроорганизмов отмечался в варианте с минеральными удобрениями: +25% аэробов относительно контроля. В случае органических удобрений он возрастал до 45%, а ОСВ и ООСВ - до 55-65 %. В случае факультативных анаэробов наблюдалась аналогичная и еще более контрастная картина, подчеркивающая доминирующее влияние вида удобрений в сезонном развитии микроорганизмов и наилучшие условия для их развития в вариантах с осадками сточных вод.

В конце вегетационного периода на фоне резкого (на порядок) снижения общей численности почвенных микроорганизмов отмечается заметное возрастание роли факультативных анаэробов: при их относительном содержании от 34 до 42,9 %. По аэробам заметно (до 1,5 раз) снижается уровень контрастности по основным вариантам. Исключение составляет вариант с применением навоза, в котором сохраняются наиболее благоприятные условия для развития микроорганизмов. С закономерностями летней дифференциации по вариантам опыта общей численности почвенных микроорганизмов хорошо коррелирует интенсивность дыхания почвы (табл. 2), отражающая активность идущих в ней процессов разложения органических веществ.

Таблица 2. Влияние удобрений на интенсивность дыхания исследуемых вариантов пахотной дерново-подзолистой почвы (мг С02/г·мин)

Интенсивность почвенной эмиссии углекислого газа увеличилась на 60-70 % по сравнению с контролем при внесении навоза и минеральных удобрений и в 2,1-2,6 раза - в вариантах опыта с применением в качестве удобрений исходных и обезвоженных осадков городских сточных вод. Это подчеркивает высокую эффективность агроэкологической утилизации ОСВ на исследуемых дерново-подзолистых почвах легкого гранулометрического состава с выраженным литологическим контактом на глубине около 0,5 м.

Наблюдалось также кратное увеличение активности ферментов каталазы и уреазы во всех опытных вариантах по сравнению с почвой без удобрений, максимально выраженное в вариантах с осадками сточных вод (табл. 3). Увеличение активности каталазы аналогично дифференциации вариантов применения удобрений по интенсивности дыхания, что также свидетельствует об усилении окислительного распада субстратов питания микробного населения почвы и повышении её биологической активности. Наибольшая активность уреазы в исследуемых вариантах почв проявляется при внесении обезвоженных осадков сточных вод, что, вероятно, может объясняться наличием в них большого количества мочевины.

Таблица 3. Активность ферментов в пахотном горизонте исследуемых вариантов дерново-подзолистой почвы (мг/г· мин)

Интегральным косвенным показателем (универсальным агроэкологическим биоиндикатором) биологического состояния почв является урожайность сельскохозяйственной культуры, полученная в сопоставимых почвенно-геоморфологических, погодно-климатических и агротехнологических условиях. По результатам многолетних наблюдений, все применяемые в опыте виды удобрений достоверно положительно повлияли на продукционные показатели и величину урожайности зеленой массы и клубней топинамбура (табл. 4).

Таблица 4. Урожайность зеленой массы и клубней топинамбура, ц/га (средние данные за 2001-2013 годы)

НСР05 = 15,2 НСР05 = 12,3

Наибольшее увеличение урожая наблюдалось при внесении органических удобрений и обезвоженных осадков сточных вод, что еще раз подтверждает целесообразность подготовки последних. Двукратное увеличение урожайности клубней топинамбура в варианте с обезвоженным осадком сточных вод свидетельствует о потенциально высокой рентабельности данного варианта утилизации осадка сточных вод. А проведенное исследование фитотоксичности пахотного горизонта исследованных почв методом проращивания семян тест-растения (кресс-салата) на почвенных пластинках и учёт интенсивности первичного роста проростков подтверждают отсутствие выраженных экологических рисков (табл. 5).

Таблица 5. Фитотосичность исследуемой дерново-подзолистой супесчаной почвы с различными вариантами применяемых удобрений

Нетоксичной для проростков тест-растения оказалась почва при внесении всех видов удобрений. Наименьшая токсичность характерна для почвы, удобренной навозом. Слабый рост корней и побегов кресс-салата на почве без внесения удобрений определяется, скорее всего, не фитотоксичностью, а низким плодородием почвы данного варианта.

Таким образом, биологическая активность исследованной легкой дерново-подзолистой почвы, выражающаяся в количестве микробного населения, интенсивности выделения углекислого газа и увеличении эффективности работы некоторых ферментов, заметно возрастает под влиянием как минеральных, так и органических удобрений (навоза и осадков сточных вод). Полученные данные подтверждают результаты ранее проведенных исследований почвы под посевами озимой пшеницы [9].

Однако необходимо обратить внимание и на то, что повышение биологической активности почвы не всегда можно расценивать как результат однозначно положительного влияния удобрений. Известны данные об усилении биологической активности (интенсивности дыхания, азотфиксации, денитрификации) почвы, загрязнённой радионуклидами [19]. Не всегда повышение активности ферментов может оцениваться положительно и с точки зрения состояния организма. В частности, активность каталазы резко возрастает при накоплении пероксида водорода в стрессовых ситуациях и может свидетельствовать о неблагоприятном влиянии супероксидных радикалов на биологические системы. Подобные проявления известны под влиянием загрязнения почвы тяжёлыми металлами [20].

Установленное нами четко выраженное отсутствие фитотоксичности почвы при удобрении её осадками сточных вод может быть объяснено более качественной современной очисткой сточных вод и благоприятным микробиологическим составом самих осадков сточных вод, а также установленным ранее [11] качественным улучшением физико-химических показателей ее агроэкологического состояния.

Выводы

По результатам сравнительно-агроэкологического исследования биологической активности представительной для Калужской области пахотной дерново-подзолистой супесчаной почвы, при бессменном возделывании топинамбура и длительном применении сопоставимых доз минеральных, органических и нетрадиционных органо-минеральных удобрений в виде исходных и обезвоженных осадков городских сточных вод (ОСВ и ООСВ) г. Калуги отмечается достоверное повышение интегральных показателей биологической активности пахотного горизонта во всех вариантах применения удобрений с максимальным проявлением в случае органических и органо-минеральных удобрений: до +70% по общему количеству микроорганизмов-аэробов, +90% - по общему количеству факультативных анаэробов, +160% - по интенсивности дыхания почвы и кратно - по активности каталазы и уреазы относительно контроля.

Устойчивое по сезону повышение биологической активности исходно биологически бедной супесчаной дерново-подзолистой почвы сопровождается качественным повышением биологической продуктивности топинамбура и, особенно, урожайности его клубней: до +106% (85 ц/га) при применении стандартных доз ООСВ (10 т/га по СВ раз в 3 года), которые не вызывают агрогенное загрязнение исследованных почв и развитие в них явления фитотоксичности.

Полученные на основе обобщения результатов 13-летних агроэкологических исследований выводы позволяют рекомендовать системное применение на бедных пахотных дерново-подзолистых почвах легкого гранулометрического состава стандартных доз обезвоженных осадков городских сточных вод без риска загрязнения их тяжелыми металлами и с качественным повышением биологической активности почв.

Список использованных источников

Черногоров А.Л., Чекмарев П.А., Васенев И.И., Гогмачадзе Г.Д. Агроэкологическая оценка земель и оптимизация землепользования - М.: Издательство МГУ. - 2012. - 268 с.

Агроэкология: Методология, экономика, технология / Ред. Черников В.А., Чекерес А.И. - М.: КолосС. - 2004. - 400 с.

IPCC: Climate Change 2013: The Physical Science Basis, Working Group I Contribution to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change / T.F.Stocker, D.Qin, G.-K.Plattner, M.Tignor, S.K.Allen, J.Boschung, A.Nauels, Y.Xia, V.Bex and P.M.Midgley eds. Cambridge: Cambridge University Press, United Kingdom and New York, NY, USA. - 2013. - P. 167-869.

Vasenev I.I. Soil and land-use planning // Task Force: Soil Matters - Solutions under Foots / S. Nortcliff edit. - Catena Verlag: GeoEcology Essays. - 2015. - P. 100-104.

Добровольский Г.В., Урусевская И.С. География почв. - М.: МГУ. - 2004. - 400 с.

Сюняев Х.Х., Сюняева О.И. Агроэкологическое исследование параметров плодородия почв Калужской области. - Калуга. - 2004. - 180 с.

Васенев И.И. Глобальные изменения, функционально-экологический мониторинг и оценка воздействия на окружающую среду // Экологическая стратегия устойчивого развития. Сборник материалов Первого Международного экологического форума в г. Калуге. 10-11 сентября 2015 г. - Калуга: Издательство «Эйдос». - 2015. - С. 28-29.

Easter M., Paustian K,, Killian K., et al. The GEFSOC soil carbon modelling system: A tool for conducting regional-scale soil carbon inventories and assessing the impacts of land use change on soil carbon // Agriculture, Ecosystems and Environment. - 2007. - V. 122: - P. 13-25.

Сюняев Н.К, Малахова С.Д., Сюняева О.И., Тютюнькова М.В. Агроэкология осадков сточных вод г. Калуги. - Калуга: РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева. - 2008. - 150 с.

Schulp C.J.E., Verburg P.H.: Effect of land use history and site factors on spatial variation of soil organic carbon across a physiographic region // Agriculture, Ecosystems and Environment. - 2009. - V. 133: - P. 86-97.

Васенев И.И., Сюняев Н.К., Бадарч Б., Ратников А.Н. Агроэкологическая оценка пролонгированного действия удобрений нового типа при бессменном возделывании топинамбура на дерново-подзолистой супесчаной почве // Агроэкология. - 2015, №2. - С. 36-39.

Мишустин Е.И. Микроорганизмы и продуктивность земледелия. - М.: Наука. - 1972. - С. 192-202.

Карягина Л.А. Микробиологические основы повышения плодородия почв. - Мн.: Наука и техника. - 1983. - 181с.

Звягинцев Д.Г. Почва и микроорганизмы. - М.: МГУ. - 1987. - 256 с.

Методы почвенной микробиологии и биохимии / Под ред. Д.Г. Звягинцева. - М.: МГУ. - 1991. - 304 с.

Vasenev I.I., Vasenev V.I., Valentini R. Agroecological issues of soil carbon pools and GHG fluxes analysis in frame of regional ecological monitoring system RusFluxNet // Агроэкология. - 2014, № 1. - С. 8-12.

Васенев И.И. Почвенные сукцессии. - М.: ЛКИ. - 2008. - 400 с.

Кочнев Н.К., Калиничева М.В. Топинамбур - биоэнергетическая культура XXI века. - М.: Типография «Арес». - 2002. - 250 с.

Цветнова О.Б., Паников С.Н., Степанов А.Л. Биологическая активность почв сосновых фитоценозов Брянского полесья в условиях радиоактивного загрязнения // http://science-bsea.narod.rib/2008/les_2008/cvetnova_bio.htm.

Шестакова Г.А., Лыков И.Н., Зинченко А.А. Некоторые результаты биоиндикационной оценки качества среды обитания на разных уровнях организации живых организмов // Научные труды Калужского педагогического университета им. К.Э.Циолковского, серия: Естественные науки. - Калуга; Изд-во КГПУ им. К.Э.Циолковского. - 2007. - С. 178-183.

Размещено на Allbest.ru