Функциональная зависимость микробоценоза дерново-подзолистых почв от кислотного режима

Размещено на http://www.allbest.ru/

«ВНИИ Агроэкоинформ»

Рассмотрено изменение биологической активности дерново-подзолистых суглинистых и супесчаных почв при разном уровне их окультуренности с выделением значения кислотного режима. Выявлена корреляционная связь между элементами кислотности и показателями биологической активности почвы. Рассмотрены приемы технологии внесения извести и продолжительность ее положительного влияния на микробоценоз разных по гранулометрическому составу дерново-подзолистых почв.

Ключевые слова: дерново-подзолистая почва, биологическое плодородие, микробоценоз, кислотность почвы, известкование, помол, дозы, корреляционные отношения, ферментативная активность, видовой состав.

Системы земледелия периодически меняют свои ориентиры и приоритеты в зависимости от складывающихся организационных принципов ведения сельского хозяйства, технико-энергетического обеспечения, возможностей использования средств химизации, уровня финансовых ресурсов. В настоящее время повышенное внимание обращено на совершенствование биологической (экологической, органической) системы земледелия, основанной на более полном использовании естественных источников плодородия почв, в числе которых обогащение почвы органическим веществом и повышение эффекта микробной мобилизации запасных веществ почвы и азота воздуха.

В теорию и практику биологизации земледелия большой вклад внес выдающийся почвенный микробиолог академик Е.Н. Мишустин. Им и научными коллективами под его руководством были разработаны проблемы зональных особенностей микробоценозов, как основа дифференцированно направленной активизации их полезной деятельности, фундаментально рассмотрена азотфиксация в почвенной среде, осуществляемая диазотрофами /1, 2, 3, 4, 5/. Одной из особенностей научной деятельности Е.Н. Мишустина была практическая направленность исследований в сельскохозяйственное производство, в результате которой с позиции почвенной микробиологии обосновывались новые принципы и приемы по обработке почвы, внесению удобрений, чередованию культур, в конечном итоге, повышающих плодородие почвы и продуктивность растений /6, 7, 8, 9/. Все это нашло свое определение как биотехнология почв. Неотъемлемой частью его деятельности была широкая популяризация в стране и за рубежом научных разработок по более полному использованию микробиологического потенциала в сельском хозяйстве. Памяти Евгения Николаевича Мишустина и посвящена настоящая статья. почва дерновый суглинистый

Одним из основополагающих научных положений Е.Н. Мишустина являлась необходимость повышения биологической активности почв, так как «… между засоленностью почвы микробами («биогенностью») и ее полезными сельскохозяйственными качествами имеется прямая зависимость /1, с. 7/. Эта зависимость определяется причинно-следственными связями между функционированием микробоценоза и окультуренностью почвы. Подтверждение этому положению дает и наше обобщающее исследование данных в полевых опытах, в котором относительная биологическая активность в почве более окультуренных делянок была выше на дерново-подзолистых суглинистых почвах на 33-221% в 71% случаев и на супесчаных - на 25-86% в 83% случаев (здесь и далее микробиологические данные автора в опытах НИИСХ ЦРНЗ). Так, по данным одного из этих опытов с удобрениями на 6-й год на делянках проявилась дифференциация почвы по окультуренности. С ее повышением, как свидетельствовали микробиологические данные по 13 показателям, происходила интенсификация N-, Р-, С- циклов. На трех делянках урожайность (кукуруза - зеленая масса, ц/га), содержание фосфора (Р₂О₅, мг/100 г), оценка показателей биологической активности (%), соответственно, были: 233, 316, 440; 7,5, 12,0, 17,5; 100, 157, 221. Более высокая биологическая активность достигалась за счет большей численности микроорганизмов (на МПА, КАА; нитрификаторов, фосформинерализующих и др.) и повышенной биохимической активности почвы (нитрификационная способность, фосфотазная, уреазная, инвертазная, целлюлозоразлагающая активности).

Увеличение же численности и активности полезных микроорганизмов приводит к возрастанию производительной способности почвы, ее окультуренности. Так, в вегетационном опыте (песчаная культура с источником фосфора - нуклеиновой кислотой) бактеризация фосформинерализующими микроорганизмами увеличила продуктивность овса на 25% и повысила содержание Р₂О₅ (%): в зерне с 0,380 до 0,450, в соломе с 0,056 до 0,082, в корнях с 0,070 до 0,105.

В наших исследованиях достижение уровня окультуренности дерново-подзолистых почв, обеспечивающего высокий микробиологический фон (численность микроорганизмов на МПА - 4-7, на КАА - 8-12, нитрификаторов - 0,1-0,3 млн/га, нитрификационная способность - 650-1000 N-NO₃ мг/кг, выделение почвой СО₂ - 90-120 мг/кг за 24 часа), создавало благоприятные условия для возделывания озимой пшеницы с урожайностью 50-70, яровых зерновых - 45-55, картофеля - 250-300, сена многолетних трав - 50-70 ц/га.

Активизация микробоценоза дерново-подзолистых почв связана с изменением свойств среды их обитания - почвы: обогащением органическим веществом, понижением кислотности, повышением содержания подвижного фосфора и, в меньшей степени, обменного калия (соответственно, до уровня, близкого к 30 и 15 мг/100 г почвы), запасов продуктивной влаги, общей порозности.

Влияние кислотности дерново-подзолистых суглинистых почв на микробное сообщество можно наблюдать в многолетних полевых опытах на делянках с разной кислотностью почвы, но близких по другим агрохимическим показателям. Так, при сравнении биологической активности почвы трех делянок на 4-й год опыта с удобрениями на сеяных сенокосах (рН, соответственно, - 4,72; 5,85; 6,15) она повышалась с понижением кислотности почвы, и при рН 6,15 из учитываемых 10 показателей были самыми высокими численность нитрификаторов, актиномицетов, выделение почвой СО₂, нитрификационная способность, активность уреазы и фосфатазы.

Однако каждый полевой опыт является частным случаем. Сопоставление полученных данных по 12 многолетним полевым опытам при сравнении между собой биологической активности почвы двух делянок с разной кислотностью в каждом опыте свидетельствовало, что в почве с пониженной кислотностью в половине исследуемых случаев общая относительная биологическая активность была выше на 20-90%. В других случаях разница была несущественной (увеличение на 3-16%). Из учитываемых шести групп микроорганизмов наиболее стабильной была реакция нитрификаторов: в 10 случаях их численность была выше на менее кислой почве. Подобное с микроорганизмами на МПА проявилось в 6 случаях. Численность других микроорганизмов различалась слабо. Среди биохимических показателей с улучшением кислотности почвы в 9 случаях повышалась нитрификационная способность и в 6 - фосфатазная и уреазная активность (но последняя и уменьшалась в 3-х).

Более точные связи между показателями биологической активности и кислотного режима почвы можно установить методами корреляционно-регрессивного анализа. В таблице 1 в качестве примера приведены некоторые корреляционные отношения между микробиологическими показателями и четырьмя кислотными (рН, гидролитическая кислотность - Hr, сумма обменных оснований - S, степень насыщенности почв основаниями - V), полученные в полевом опыте с послойной заделкой удобрений. В условиях этого опыта достоверные тесные связи со всеми показателями кислотности почвы проявили нитрификаторы, аммонификаторы (на МПА), нитрификационная способность и, с отдельными из них, - микромицеты, уреазная и фосфатазная активность, выделение почвой СО₂. Не обнаружили связи целлюлозоразлагающие аэробы и маслянокислые бактерии. Хорошую связь с кислотностью почвы проявили антиномицеты и микроорганизмы, ассимилирующие минеральный азот (на КАА), учитываемые в другой год.

Таблица 1. Корреляционные отношения между биологической активностью и кислотностью дерново-подзолистой суглинистой почвы в опыте с удобрениями (n=12)

* r - коэффициент корреляции

t - уровень вероятности: х-t_0,95, хх-t_0,99, ххх-t_0,999.

Таким образом, дерново-подзолистые суглинистые почвы с лучшим кислотным режимом имеют более высокую численность нитрифицирующих микроорганзмов и нитрификационную способность почвы. Также выше, но в ограниченном числе случаев, общая относительная биологическая активность почвы, численность микроорганизмов на МПА и КАА, актиномицетов, фосфатазная и уреазная активность, выделение почвой СО₂. В целом более тесная связь у кислотности почвы проявляется с биохимической активностью, чем с численностью микроорганизмов.

В дерново-подзолистых супесчаных почвах связь микробоценоза с кислотностью проявляется не всегда. Сравнение в полевых опытах показателей биологической активности почвы в каждой из четырех пар опытных делянок, различающихся по величине рН, не выявило каких-либо устойчивых различий в зависимости от кислотности почвы, не различалась и общая относительная биологическая активность почвы (разница в каждой паре составляла 3, 1, 7, 6%). Из учитываемых микроорганизмов лишь численность микроорганизмов на МПА и КАА была выше в половине случаев при лучшем кислотном режиме, а из биохимических показателей при этом были несколько ниже активность инвертазы и уреазы.

В двух многолетних полевых опытах на 7-й год были получены разные результаты корреляционных связей между показателями кислотности (pH, Hr, S) и микробиологическими показателями. В первом опыте из 15 микробиологических показателей большинство не было связано с кислотностью почвы. Лишь нитрификационная способность коррелировала со всеми кислотными показателями. Также обнаруживались связи численности микроорганизмов на КАА с рН и S, уреазной активности с S.

Однако во втором опыте из 13 учитываемых микробиологических показателей более половины были коррелятивно связаны с показателями кислотности почвы (табл. 2). Причем тесные связи со всеми показателями кислотности обнаружились у нитрификационной способности, уреазной активности и численности микромицетов. У отдельных кислотных показателей проявилась связь с численностью актиномицетов, микроорганизмов на МПА и КАА, «дыханием» почвы, активностью фосфатазы.

Таким образом, из приведенных данных становится очевидным, что на дерново-подзолистых почвах устойчивых связей между микробиологическими и кислотными показателями выявить не удалось. Все же можно полагать, с определенной долей осторожности, что с улучшением кислотности в супесчаной почве возрастает нитрификационная способность, а также численность микроорганизмов на МПА и КАА.

Следует отметить, что при корреляционных анализах несколько чаще на дерново-подзолистых почвах связи микробиологических показателей проявлялись с суммой обменных оснований, чем с рН и гидролитической кислотностью. Так, в трех опытах из 32 сопоставлений отдельных микробиологических показателей с тремя кислотными корреляционные связи удалось установить с S - 20, Hr - 16, рН - 15 раз, причем в 11 случаях они были полными, т.е. со всеми тремя кислотными показателями. Но только с нитрификационной способностью они проявились во всех трех опытах и с численностью микромицетов - в двух. У биохимических показателей в сравнении с численностью микроорганизмов связи с кислотностью проявлялись преимущественно с более высокими уровнями вероятности (t_0,99 и t_0,999) и коэффициентами корреляции (r на суглинках 0,67-0,93, на супесях 0,52-0,92).

Таблица 2. Корреляционные отношения между биологической активностью и кислотностью дерново-подзолистой супесчаной почвы в многолетнем опыте с удобрениями (n = 23)

Итак, в дерново-подзолистых почвах, близких по основным агрохимическим свойствам, но различающихся по кислотности, проявляются определенные различия в численности и активности населяющих их микроорганизмов. Для менее кислых почв в большинстве случаев характерна более высокая нитрификационная способность, а также большая численность аммонификаторов и микроорганизмов, ассимилирующих минеральный азот. При этом наблюдаются существенные различия в зависимости от гранулометрического состава почвы. На суглинистых почвах, кроме отмеченного, увеличивается численность нитрификаторов, фосфатазная и уреазная активность, общая суммарная биологическая активность. Все отмеченные на супесчаных почвах связи менее определены, чем выявленные на суглинистых почвах.

Е.Н. Мишустин неоднократно обращал внимание на необходимость улучшения кислотного режима дерново-подзолистых почв, как обязательного условия оптимизации состояния их микробного сообщества и тем самым более полного использования биологического потенциала почв /3, 5, 8, 10/. Снижение кислотности почвы в практическом земледелии проводится путем известкования, после которого в почве, как отмечал Е.Н. Мишустин, резко изменяется соотношение отдельных групп микроорганизмов и активизируется деятельность ряда их видов, имеющих важное значение для улучшения почвенного плодородия: повышаются общая биогенность, численность бактерий, актиномицетов, интенсивно размножаются нитрификаторы, появляются микроорганизмы, свойственные высокоплодородным почвам - Azotobacter, Bacillus megaterium, целлюлозные микробактерии и вибрионы. Происходит улучшение роста бобовых растений и образование у них клубеньков.

И если общее положительное влияние известкования на микробное сообщество установлено, то его реакция на технологические особенности известкования, причем применительно к определенным регионам Нечерноземной зоны, требует уточнения. Для центральных районов этой зоны исследовалось влияние на биологическую активность дерново-подзолистой почвы тонины помола извести, сочетания известкования с внесением минеральных удобрений, способов внесения и длительность действия извести.

При сравнении влияния извести тонкого и грубого помола выявилось, что на следующий год после известкования в первом случае при дозе из расчета 0,5 г.к. биологическая активность дерново-подзолистой легкосуглинистой почвы была несколько выше (табл. 3). Тонина помола при больших дозах извести (2 г.к.) не влияла на почвенные микроорганизмы. Следует отметить, что увеличение дозы извести в данном случае не имело, в целом, преимущества в активизации микрофлоры в сравнении с небольшой дозой, кроме повышения нитрификационной способности. Развитие микромицетов в это опыте слабо связано с качеством помола и дозой извести.

Таблица 3. Влияние различных помолов и доз извести на биологическую активность дерново-подзолистой суглинистой почвы (среднее за вегетацию)

Примечание: т.п. - тонкий помол, г.п. - грубый помол.

Известкование может вносить существенные изменения во влияние агротехнических приемов на развитие микроорганизмов. Так, в частности, влияние минеральных удобрений на микрофлору изменяется после известкования. Разовое внесение минеральных удобрений (N₁₂₀P₁₂₀K₁₂₀) на кислой почве (рН 4,8) уменьшило численность почти всех учитываемых групп микроорганизмов, понизило нитрификационную способность, выделение почвой СО₂ и не повлияло на активность почвенных ферментов. При внесении минеральных удобрений на произвесткованном фоне в почве также было меньше микроорганизмов, чем в произвесткованной почве, однако интенсивность «дыхания» почвы не уменьшилась, а нитрификационная способность и ферментативная активность почвы возросли. Эта же особенность повторилась и в другом опыте, в котором аналогичную дозу минеральных удобрений вносили по фону извести тонкого помола. Общий относительный уровень биологической активности снижался в ряду: известкование - известкование и минеральные удобрения - без известкования и минеральных удобрений - минеральные удобрения.

Прикладное значение имеет установление длительности положительного действия известкования на микробное сообщество почв. Кислотность почвы, доведенная известкованием до оптимальной, постепенно повышается вследствие применения кислых азотных удобрений и обеднения почвы кальцием и магнием. Появляется необходимость повторного известкования. Одним из критериев этого можно считать изменение биологической активности почвы.

В трех опытах (исходные рН почвы 4,5; 5,0; 4,0) известкование, проведенное из расчета по полной гидролитической кислотности, оказавшее положительное влияние в слое почвы 0-20 см на численность и активность микроорганизмов в первые годы, сохраняло его и на 6-й год: в произвесткованной почве, как правило, были выше численность аммонификаторов, нитрификаторов, микроорганизмов ассимилирующих минеральный азот и фосформинерализующих, была выше фосфатазная и уреазная активность почвы, устойчиво оставалась повышенной нитрификационная способность (в 3,6; 9 и 2,2 раза выше, чем в контроле). Урожайность зеленой массы кукурузы на произвесткованной почве была выше в опытах на 45; 19; 45%.

В одном из этих опытов исследования были продолжены на 7 и 8 годы. Приведенные в таблице 4 данные свидетельствуют, что относительная суммарная биологическая активность произвесткованной почвы была выше, соответственно, на 68 и 35% за счет более высокой численности микроорганизмов, улучшающих азотный и фосфорный режим почвы, нитрификационной способности и уреазной активности.

В этом же опыте исследовали и подпахотный слой почвы (24-30 см). В варианте с известью на 6, 7, 8 годы опыта в этом слое суммарная оценка показателей биологической активности была выше, чем в неизвесткованной почве, соответственно, на 124; 16; 69%.

Таблица 4. Биологическая активность дерново-подзолистой суглинистой почвы через 7 и 8 лет после известкования (в среднем за вегетацию)

Исследование влияния известкования на биологическую активность дерново-подзолистой супесчаной почвы проводили в полевом опыте (начальный рН 5,3) с вариантами: без извести, известкование в 1, 2, 4 - кратных дозах. Продолжительность опыта - 8 лет, в течение которых было проведено 32 анализа по 11 показателям: численность микроорганизмов на МПА, КАА, нитрификаторы, денитрификаторы, актиномицеты, микромицеты, нитрификационная способность, активность уреазы, фосфатазы, инвертазы, выделение почвой СО₂.

В таблице 5 в качестве примеров приведены наиболее показательные из полученных в опыте результатов: относительные значения нитрификационной способности и общей биологической активности почвы. Известкование в однократной дозе устойчиво повысило нитрификационную способность, хотя два последних года ее уровень был невысок. При двукратной дозе извести еще больше возросла нитрификационная способность почвы, повысились численность нитрификаторов и микроорганизмов на КАА.

В последние 4-5 лет опыта отмечено возрастание активности фосфатазы и снижение уреазы. Самой высокой нитрификационная способность в опыте была при четырехкратной дозе извести. При этом повышались и численность микроорганизмов на КАА, нитрификаторов и выделение почвой СО₂. В последние 3-4 года отмечалось также возрастание численности микроорганизмов на МПА, фосфатазной активности, уменьшение активности инвертазы и в тенденции - уреазы.

Таблица 5. Влияние известкования на относительные величины биологической активности и нутрификационной способности дерново-подзолистой супесчаной почвы (%)

* наибольшая величина по 4 вариантам принята за 100

**наименьшая сумма относительных величин 11 показателей по 4 вариантам принята за 100

Дополнительные показатели, определяемые в отдельные периоды опыта, свидетельствовали о положительном влиянии извести на деятельность свободноживущих азотфиксаторов, активность протеазы, а при максимальной дозе извести и на накопление в почве аминокислот и сокращение численности токсичных микроорганизмов (аппликационный период). ОВП стал более благоприятным для растений и аэробных микроорганизмов.

Помимо основного известкования кислых почв, полезно и дополнительное внесение извести, предназначенное для нейтрализации подкисляющего действия некоторых минеральных удобрений. Микробиологические исследования на дерново-подзолистой супесчаной почве были проведены на 8-й год опыта, в котором на произвескованном и прокомпостированном фоне в ротацию севооборота ежегодно вносили минеральные удобрения, на нейтрализацию кислотности которых давалась дополнительно известь сразу или по частям ежегодно.

Применение минеральных удобрений без дополнительной извести повысило в почве численность микромицетов и денитрификаторов, а повышение активности уреазы и инвертазы при снижении нитрификационной способности свидетельствовало о понижении интенсивности минерализационных процессов. Дополнительная известь стимулировала развитие микроорганизмов МПА, КАА, актиномицетов, интенсифицировала минерализационные процессы (повысилась нитрификационная способность, понизилась активность инвертазы). Проявилось некоторое преимущество разового внесения всей дополнительной извести: повышались общая биологическая активность, нитрификационная способность, фосфатазная активность, понижалась численность денитрификаторов. Выявленные особенности проявились и в подпахотном слое (27-40 см).

Изменения, происходящие с микробоценозом почвы после известкования, могут касаться и его качественного состава, который также является показателем окультуренности почвы и происходящих в ней микробиологических процессов. Как отмечал Е.Н. Мишустин, внешняя среда может резко менять видовой состав почвенных микроорганизмов и не отразиться на количественном составе физиологических групп. Однако в связи с тем, «что диагностика до вида, даже всех обычных сапрофитов почвы, невозможна» /11, с. 331/, он считал целесообразным выявление индикаторных микроорганизмов, по которым можно характеризовать изменение состояния почвы. Е.Н. Мишустин с сотрудниками /12, 13/ отмечали, что индикаторными культурами могут служить Bac. cereus, Bac. mycoides, Bac. idosus, а признаками хорошей окультуренности дерново-подзолистых почв является присутствие Bac. subtilis, Bac. mesentericus, наличие большого числа Bac. megaterium и в целом повышенное содержание спорообразующих бактерий, а также микобактерий. В наших исследованиях после известкования качественные изменения в составе микрофлоры свидетельствовали об интенсификации процессов первичного освоения органического вещества (Achromobacter, Pseudomonas), улучшения азотного режима почвы (Nitrobacter, Azotobacter, Clostridium pasterianum), повышения общего уровня окультуренности почвы (Bac. mesentericus, Bac. megaterium, Bac. subtilis).

Таким образом, известкование кислых дерново-подзолистых почв оказывает продолжительное активизирующее действие на почвенную микрофлору и чаще на аммонификаторы, нитрификаторы, микроорганизмы, выявляемые на КАА, нитрификационную способность, активность фосфатазы. Известь, как правило, слабо влияет на выделение почвой СО₂ и снижает на супесях активность уреазы, инвертазы, но также и численность токсичных микроорганизмов. Более широкое исследование на супесчаных почвах показало, что после известкования повышались активность целлюлозоразлагающих микроорганизмов, нитрогеназы, протеазы, содержание аминокислот. Положительное действие извести, внесенной из расчета по 1 г.к., на микробоценоз продолжалось не менее 8 лет. На суглинистых почвах известь тонкого помола в несколько большей степени активизирует микрофлору, чем известь грубого помола, но лишь в малых дозах. На супесчаных почвах положительное влияние извести в дозах из расчета 1-4 г.к. может продолжаться при максимальной дозе до двух 7-8 летних ротаций севооборотов. Внесение дополнительной извести для нейтрализации кислотности минеральных удобрений повышает биологическую активность почвы, особенно при внесении извести сразу в начале ротации севооборота, а не по частям ежегодно.

Список использованных источников

1. Мишустин Е.Н. Биологические пути повышения эффективного плодородия почв // Микроорганизмы и эффективное плодородие почв / Тр. ин-та микробиологии АН СССР. М.: Изд. АН СССР, 1961. Вып. 11. С. 3-16.

2. Мишустин Е.Н. Ценозы почвенных микроорганизмов // Почвенные организмы как компоненты биогеоценоза. М.: Наука, 1984. С. 5-24.

3. Мишустин Е.Н. Географический фактор, почвенные типы и их микробное население // Микрофлора почв северной и средней части СССР. М.: Наука, 1966. С. 3-23.

4. Мишустин Е.Н., Шильников В.К. Биологическая фиксация атмосферного азота. М.: Наука, 1968. 531 с.

5. Мишустин Е.Н., Емцев В.Т. Почвенные азотфиксирующие бактерии рода Clostridium. М.: Наука, 1974. 251 с.

6. Мишустин Е.Н. Удобрения и почвенно-микробиологические процессы // Агрономическая микробиология. Л.: Колос, Ленинградское отделение, 1976. С. 191-203.

7. Мишустин Е.Н. Обработка почвы и ее эффективное плодородие // Изучение влияния обработки почвы на микробиологические процессы / Тр. ин-та микробиологии АН СССР. Изд.: АН СССР, 1960. Вып. 7. С. 3-23.

8. Мишустин Е.Н. Микроорганизмы и продуктивность земледелия. М.: Наука, 1972, 343 с.

9. Мишустин Е.Н. Ерофеев Н.С. Природа токсических соединений разлагающейся в почве соломы // Микробиология, 1966 - 35, № 1. С. 150-154.

10. Мишустин Е.Н., Семенович М.И. Почвенная кислотность как фактор, определяющий появление в почве неактивного азотобактера // Микробиология, 1939. Т. 8. Вып. 1. С. 19-32.

11. Мишустин Е.Н, Емцев В.Т. Микробиология. М.: Агропромиздат, 1987. 368 с.

12. Мишустин Е.Н., Мирзова В.А. Спорообразующие бактерии в почвах Советского Союза. Изв. АН СССР, сер. биол., 1965. № 5. С. 682-691.

13. Мишустин Е.Н., Мирзова В.А., Еникеева М.Г. Микрофлора подзолистых и дерново-подзолистых почв // Микрофлора почв северной и средней части СССР. М.: Наука, 1966. С. 54-96.

Размещено на Allbest.ru