Гидроморфизм дерново-подзолистой почвы смешанных культур разных сроков высева

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 631.4: 630*114.68

Калининградский НИИ сельского хозяйства - филиал ФГБНУ «ФНЦ кормопроизводства и агроэкологии имени В. Р. Вильямса»

Гидроморфизм дерново-подзолистой почвы смешанных культур

разных сроков высева

Краснопёров А.Г., Буянкин Н.И., Чекстер Н.Ю.

Одним из реальных путей сохранения и воспроизводства плодородия почвы и создания благоприятных условий среды для возделывания сельскохозяйственных культур является активизация биологических факторов формирования урожая за счет использования органического вещества агрофитоценоза (сидеральных культур, промежуточных культур летнего посева, пожнивных, корневых остатков и др.).

Введение в полевые севообороты яровых и озимых бобовых растений улучшает обеспеченность сельскохозяйственных культур биологическим, не техногенным азотом. При этом минеральные удобрения, особенно азотные, следует вносить в небольших дозах.

Известно, что ключевая роль в формировании и воспроизводстве почвенного плодородия, оптимизации питания растений, защите посевов от фитопатогенов принадлежит почвенным микроорганизмам, основная масса которых является гетеротрофами, т.е. нуждается в готовом органическом веществе [1].

Известно, что основными требованиями к выбору земельного участка под научные стационарные опыты является типичность и однородность в почвенном отношении. На месте закладки стационарного долголетнего опыта рекомендуется детально изучать морфогенетические, агрохимические и гидрологические свойства. Это позволяет вскрыть причины пестроты урожайности и степень влияния гидроморфизма почвы на делянках стационарного опыта [2].

Цель исследований - установление связи физических параметров дерново-подзолистой почвы с урожайностью в летних и смешанных посевах озимых и яровых бобово-злаковых культур.

Условия, материалы и методы

Исследования проводили в 2015-2017 гг. на стационаре опытного поля отдела земледелия ФГБНУ «Калининградский НИИ сельского хозяйства». В физико-географическом аспекте участок находится в пределах Полесской моренной равнины. Абсолютные отметки над уровнем моря - 17-18 м. Почвы осушаются системой закрытого гончарного дренажа. Изучение агрофизических и агрохимических свойств пахотного горизонта (0-20 см) на делянках площадью по 100 м2 с одновидовыми и смешанными посевами озимых и яровых бобово-злаковых культур проводилось в двух четырехпольных и двух пятипольных севооборотах (табл. 1, рис. 1).

Таблица 1. Схема результатечередования культур опытном в опытных севооборотах на стационаре викав 2017 году

Летние посевы проводились с теми же культурами, разница - в сроке посева. Весенние сроки - вторая половина апреля. Летние посевы проводились в первой декаде июля.

В исследованиях сочетали микробиологические, биохимические и агрохимические методы. Анализ почвенных образцов проводили по следующим методикам: рНК определяли потенциометрически, обменный калий и подвижные фосфаты - по Кирсанову (ГОСТ Р 54650-2011), гумус - по Тюрину, гидролитическую кислотность - по Каппену, степень насыщенности основаниями - расчетным методом, обменный алюминий - по Соколову. Все анализы выполнены в 4-кратной повторности. Статистическая обработка данных проведена в Excel по стандартным и рекомендованным методам [3, 4, 5].

Рис. 1. Космический снимок полевого стационара

Полученные данные обработаны статистически и представлены в виде средних арифметических значений за вегетационный период по каждому варианту севооборота.

Результаты и обсуждение

По результатам оценки агрофизических свойств выявлено, что равновесная плотность пахотного горизонта почв неоднородна. Наиболее уплотненной является почва дерново-сильноглееватая легкосуглинистая (ТБ3), находящаяся на пологом склоне и сформировавшаяся подпахотной верховодкой (табл. 2).

Таблица 2. Равновесная плотность почв на опытном участке отдела земледелия под смешанными посевами

В результате проведения анализа агрегатного состава выяснилось, что почвы характеризуются удовлетворительным состоянием по данным сухого рассева. Структура глыбистая. Это следствие применения отвальной вспашки по сырой почве (выше НВ). Процент глыбистой фракции закономерно увеличивается от среднеглееватой почвы ТБ1 к сильноглееватой почве ТБ3. Следовательно, макроструктура почв зависит от степени гидроморфизма [6]. Чем выше период переувлажнения почв, тем более глыбистой становится структура при сухом рассеве (табл. 3).

Таблица 3. Агрегатный состав почвы на полевом стационаре отдела земледелия под летними и смешанными посевами

По данным мокрого просеивания установлено, что водопрочность агрегатов увеличивается с нарастанием степени гидроморфизма. Это результат насыщения почвенного поглотительного комплекса ионами кальция на фоне повышенного содержания гумуса. В условиях интенсивного использования пашни общей закономерностью являлось существенное снижение доли агрономически ценных агрегатов. К наиболее чувствительным компонентам почвенной агрономически ценной структуры можно отнести мезоагрегаты размером в интервале от 2 до 5 мм, отмечалось наиболее заметное уменьшение их относительного содержания (наряду с глыбистыми частицами).

В результате проведенных исследований были установлены закономерности изменения активности почвенных микроорганизмов в почвенных агрегатах различных фракций.

Так, в первом севообороте, характеризующемся наибольшей микробиологической активностью, распределение состава микробного ценоза во фракциях различного размера агрегатов дерново-подзолистой почвы выглядело следующим образом (рис. 2).

Важным компонентом почвенной микробиоты являются микроорганизмы (аммонификаторы), использующие органические формы азота и участвующие в деструкции растительных остатков и отмерших корней растений. Общее фоновое количество аммонификаторов было самое высокое в первом севообороте. Так, в почве залежного участка количество данной группы микроорганизмов варьировало в интервале 8,06-12,9 млн. КОЕ в 1 г почвы.

Рис. 2. Состав микробного ценоза во фракциях различного размера почвенных частиц

При этом максимальное количество аммонификаторов, было характерно для агрегатов с минимальным размером 1-2 мм. Увеличение размера структурных отдельностей вызывает закономерное снижение их активности, причем минимальная активность в почве первого севооборота отмечена в агрегатах размером 3 мм - 7,7 млн. КОЕ, во фракции 5 мм - 8,2 млн. КОЕ. Тренд снижения активности аммонификаторов в зависимости от размера частиц почвенных агрегатов наиболее ярко выражен в пахотном слое почвы (см. рис. 2). Необходимо отметить довольно четкую зависимость увеличения численности микроорганизмов, утилизирующих органические формы азота, от уменьшения размера почвенных частиц. Микроорганизмы, произрастающие на крахмало-аммиачном агаре (КАА) и использующие минеральные формы азота для построения собственных клеток, в своем распределении имели четкую зависимость от размера почвенных частиц и характера агрогенного воздействия. Эта группа микроорганизмов относится к активным иммобилизаторам легкодоступного углерода. Более высокое фоновое их количество (16,2-18,9 млн. КОЕ на 1 г почвы) характерно для самых мелких почвенных частиц. Общей закономерностью является снижение количества микроорганизмов с увеличением размера агрегатов. Так, в почве первого севооборота максимальное снижение численности микроорганизмов с увеличением размера структурных отдельностей составляет до 65%. Подтверждением снижения активности данной группы микроорганизмов является достаточно высокий коэффициент корреляции: - r = -0,91±0,17.

Соотношение КАА:МПА показывает отношение общей численности микроорганизмов, использующих минеральный азот, к общему числу микроорганизмов, разлагающих органическое вещество, отражающее степень участия микрофлоры в процессе трансформации органического вещества почвы [7]. Минерализационные процессы органического вещества наиболее выражены в агрегатах более мелкого размера. Подтверждением этого служит увеличение соотношения микроорганизмов, утилизирующих минеральные формы азота, к количеству микроорганизмов, утилизирующих органические формы азота. Так, соотношение КАА:МПА в первом севообороте составило 1,4.

В почве с различной скоростью протекают процессы минерализации и гумификации растительно-корневых остатков. Наиболее активно минерализационные процессы гумуса протекают в первом севообороте. Их численность варьировала в интервале от 4,5 до 5,7 млн. КОЕ в 1 г почвы (см. рис. 2). Увеличение размера мезоагрегатов вызывает снижение активности минерализаторов гумуса. Это подтверждает высокий коэффициент парной корреляции: г = -0,95±0,11. почвенный микроорганизм лабильный гумус

Важной составляющей почвенного плодородия, связанной с азотным циклом в почве, является активность азотобактера. Наличие аэробной фиксации азота оценивается по встречаемости в почве бактерий рода Azotobacter [8, 9]. В пахотном горизонте почвы выявлено незначительное варьирование количества колоний азотофиксирующих бактерий рода в агрегатах различного размера. Численность их изменялась в пределах 28-73 колоний в 50 г почвы. Необходимо отметить наиболее высокую численность азотобактера в глыбистых частицах (>10 мм) и во фракции 1-2 мм: 65 и 73 колонии в 50 г почвы (рис. 3).

Исследования показали различие биологических процессов, происходящих в почвах всех четырёх севооборотов.

В первом четырехпольном севообороте высокая насыщенность средообразующих культур - безалкалоидные люпины на зерно и зеленую массу, вика кормовая и озимая.

Рис. 3. Состав микробного ценоза во фракциях различного размера почвенных частиц дерново-позолистой почвы

Севооборот второй - пятипольный, из средообразующих культур - люпин, озимая вика и кормовой горох.

Основная культура севооборота - озимая пшеница, предшественник - люпин сидератный на зелёное удобрение. Урожай зелёной массы люпина (до 508,8 ц/га) измельчили и запахали в почву в июле 2016 года. Спустя два месяца посеяли озимую пшеницу, которая активно использовала накопленные в почве продукты питания. Весной, спустя 10 месяцев после запахивания зелёной массы люпина, продолжалось его разложение, на что указывают: коэффициент минерализации 1,67; численность бактерий, использующих минеральный азот - 50 млн./га; органический азот - 30; споровых - 9, активность разложения целлюлозы - 18%.

Это также подтверждают 33 млн./г олиготрофных бактерий, потребляющих углерод на конечной стадии разложения органики, и коэффициент олиготрофности 0,41. Общая биогенность почвы составила 168 млн./г, дыхание почвы - 38 СО2 мг/кг. Наблюдалась активизация нитрифицирующих бактерий, их потенциальное нитратонакопление составило 40,7 мг/100 г. Численность олигонитрофилов, фиксирующих азот из атмосферы, 29 млн./г (рис. 4).

Рис. 4. Коэффициенты, отражающие активность биологических процессов в почвах севооборотов

Активная деятельность полезной почвенной микрофлоры приводила к повышению почвенного плодородия и урожайности. Так, общая урожайность зерна озимой пшеницы сорта Зентос составила 54,7 ц/га.

Севооборот третий - пятипольный, из сидеральных и средообразующих культур - люпин алкалоидный и безалкалоидный, озимая и яровая вика. Основные культуры севооборота - пшеница, тритикале, овес и картофель, предшественники - вико-овсяная смесь на корм, сидеральный люпин на зелёное удобрение.

В момент отбора почвенных образцов наблюдалась начальная стадия минерализации органического вещества. Так, коэффициент минерализации составил 0,94, численность бактерий, использующих минеральный азот, - 16, споровых - 1 млн./г почвы. Наличие олиготрофных бактерий (5 млн./г) и коэффициент олиготрофности (0,16) подтвердили это.

Трансформация органического вещества способствовала потенциальному накоплению азота: 35,2 мг/100 г. Актуальный азот в почве составил 7,7 мг/100 г, активность разложения целлюлозы - 16% (см. табл. 4).

Общая биогенность почвы (58 млн./г) была ниже, чем в остальных севооборотах, соответственно, в 3,6-2,9-1,8 раза. Активное размножение денитрифицирующих бактерий (56 тыс./г почвы) привело к потерям азота.

В процессе роста яровой пшеницы сорта «Дарья» деятельность почвенной микрофлоры продолжалась, снабжая пшеницу питательными веществами, в результате урожай составил 37,2 ц/га.

Таблица 4. Влияние органического вещества на активность микроорганизмов и ферментов, принимающих участие в трансформации гумусовых веществ

Севооборот четвертый - четырехпольный, из средообразующих культур - люпины безалкалоидные на зерно. Основные культуры севооборота - озимая пшеница и картофель, предшественник - люпины.

Люпины на зерно оставляют в поле от 8,4 до 13,2 ц растительных остатков с клубеньковыми бактериями на корнях, благодаря которым почва обогащается органическим веществом и азотом.

Активная деятельность 22 млн./г азотфиксирующих олигонитрофилов, обогативших почву азотом, нитрифицирующих бактерий, накопивших в почве 9,62 мг/100 г нитратов, активность разложения целлюлозы (20%) указывают на повышение плодородия почвы. В результате урожайность ячменя составила 34,4 ц/га.

В почве изучаемых севооборотов наблюдалась трансформация и гумификация органического вещества, в том числе и гумусовых кислот, осуществляемая почвенной микрофлорой. Эти процессы зависели от вида и доз растительных остатков, минеральных удобрений, сроков запахивания органики.

Поскольку в соломе зерновых культур С:N=98:1, в корнях 50:1, а наиболее благоприятное соотношение С:N для развития почвенных микробов, принимающих участие в процессах гумусообразования, составляет 25-30:1, недостаток азота микроорганизмы восполняют за счёт минерализации гумусовых кислот, С:N у которых 10:1.

Наименее устойчивые гумусовые кислоты служат самым доступным источником питания и энергии для микроорганизмов. Отношение Сгк:Сфк, выраженное в процентах, указывает на степень гумификации органики.

Определение гумуса в почве изучаемых севооборотов показало, что его содержание в гумусовом слое дерново-подзолистой среднесуглинистой почвы с мощностью пахотного горизонта 0-30 см составило 2,53-2,67 %.

Лучшим по показателям органического вещества оказался также первый севооборот. В нём, наряду с высокой биологической активностью, увеличилась численность микроорганизмов, принимающих участие в процессах гумификации. Коэффициенты педотрофности (0,41) и гумификации (0,27) указывали на преобладание процесса минерализации над синтезом гумусовых кислот (табл. 4).

Доля лабильного гумуса от общего составила 48,8%, в том числе гуминовой кислоты - 22%. В составе лабильного гумуса гуминовой кислоте принадлежали 45%, фульвокислоте - 55%, степень гумификации органического вещества - 82%, что указывало на повышение плодородия почвы и урожайности основных злаковых культур и картофеля.

Несколько ниже показатели органического вещества были во втором севообороте. В то же время численность педотрофов составила 13, актиномицетов - 4 млн./г, грибов - 69 тыс./г почвы. Коэффициент педотрофности на 5% выше, чем в севообороте I, а коэффициент гумификации на 26% ниже, что показывает преобладание минерализации гумусовых кислот. Так, при содержании гумуса в почве на 4% ниже, чем в севообороте I, количество лабильного гумуса также снизилось на 4%. Доля гуминовой кислоты составила 21 против 22% от общего гумуса и 44% от лабильного. Степень гумификации снизилась до 78%. Урожайность озимой ржи составила 42,7 ц/га (табл. 5).

Таблица 5. Влияние органического вещества на процессы гумификации в севооборотах

Севооборот четвертый по биологической активности и процессам гумификации стоит на третьем месте. Активное использование микроорганизмами гумусовых кислот привело к снижению лабильного гумуса на 4%, доля гуминовой кислоты также уменьшилась на 8%. Увеличение доли фульвокислоты, менее ценной для растений, снижало эффективное плодородие почвы.

Севооборот третий по биологической активности почвы и гумификации органики занял последнее место.

Хотя численность педотрофов была на 21% ниже, чем в вариантах I и 2, коэффициент педотрофности увеличился на 60-68 %. Активизация этих микроорганизмов указывала на минерализацию гумусовых кислот, в результате доля лабильного гумуса снизилась на 4%. Доля гуминовой кислоты в лабильном гумусе составила 38% против 45-44-39 %, увеличив долю фульвокислоты на 7-8 %. Соответственно, снизилась степень гумификации: до 61 против 82-78-64 % (см. табл. 5).

Полученные результаты показали, что трансформация гумусовых веществ, происходящая в почве под влиянием сидеральных и средообразующих культур и их растительных остатков, повышала эффективное плодородие почвы в севооборотах, что сказалось на урожае сельскохозяйственных культур.

Кроме повышения плодородия, зелёные удобрения из высокоалкалоидных люпинов оказывали также оздоравливающее действие на почву. Зелёная масса стимулировала размножение бактерий всех трофических групп. В то же время конкуренция за питательные вещества задерживала размножение грибов по сравнению с бактериями, численность которых снизилась в 500, 435, 308 и 613 раз. Наблюдалось снижение числа конидий Helminthosporium sativum, вызывающих корневую гниль злаковых культур, до 20-30 штук/г почвы против 55-40 в севооборотах без высокоалкалоидных люпинов.

Уменьшение инфекционного потенциала почвы вследствие активизации бактериоценоза снизило заболевание корневой гнилью озимой пшеницы до 15%, ярового ячменя - до 20%, что привело к повышению урожайности. Происходило это не только за счёт поступления в почву дополнительных питательных веществ, но также благодаря улучшению почвенно-микробиологических условий и нормализации её фунгистатического потенциала.

Выводы

Установлена, что макроструктура дерново-подзолистой почвы зависит от степени её гидроморфизма.

Растительные остатки безалкалоидного люпина и зелёная масса высокоалкалоидного люпина, яровой и озимой вики, кормового гороха в качестве органического субстрата стимулировали размножение агрономически полезной микрофлоры, нескольких трофических групп в почвенных агрегатах различного размера (1-2 мм; 2-3 мм; 3-5 мм; 5-10 мм; больше 10 мм). Количество аммонификаторов и иммобилизаторов углерода было больше в мелких фракциях. В мелких фракциях общая биогенность почвы возрастала до 207-58 млн./г, интенсивность дыхания почвы увеличивалась до 42-27 СО2 мг/кг. Размер почвенных агрегатов определяет количество и состав почвенных микроорганизмов, развивающихся в них.

Выявлено, что под влиянием сидеральных и средообразующих культур в летних и смешанных посевах из-за обилия растительных остатков в почве происходила активная трансформация гумусовых веществ.

В почвах изучаемых севооборотов численность микроорганизмов, принимающих участие в трансформации гумусовых кислот, составила: педотрофов - 11-14, актиномицетов - 1-5млн./г, грибов - 31-69 тыс./г почвы.

Низкие коэффициенты педотрофности (0,41-0,69) и гумификации (0,17-0,27) указывают на преобладание процесса минерализации гумусовых кислот над их синтезом.

В севооборотах 3 и 4 наблюдалось уменьшение в лабильном гумусе доли гуминовой кислоты до 38-39 % и возрастание доли менее ценной для растений фульвокислоты до 61-62 %. Степень гумификации органического вещества в изучаемых севооборотах соответствовала 82, 78, 61 и 64 %.

Фитомасса сидератов летних и смешанных посевов, активизируя бактериальную почвенную микрофлору, повышала фунгистазис, снижала инфекционный потенциал и предохраняла растения от поражения фитопатогенами. В результате заболеваемость корневой гнилью озимой пшеницы снизилась до 15%, ярового ячменя до 20%. Урожайность сельскохозяйственных культур в севооборотах достигла 199,6-42,7-35,25- 34,4 ц/га.

Регулируя режим гидроморфизма дерново-подзолистой почвы, можно влиять на количество почвенных микроорганизмов, определяющих интенсивность почвенно-биологических процессов, происходящих в дерново-подзолистой почве, и, как следствие этого, на её плодородие.

Список использованных источников

1. Куркина М.В., Ващейкин А.С., Дедков В.П., Красноперов А.Г. Сравнительный анализ групп микроорганизмов в естественных и антропогенно измененных бурых лесных почвах калининградского полуострова // Вестник Балтийского федерального университета им. И. Канта. Серия: Естественные и медицинские науки. - 2013, № 7. - С. 8-14.

2. Самсонова В.П. Пространственная изменчивость почвенных свойств: на примере дерново-подзолистых почв. - Москва. - 2008. - 160 с.

3. Теппер Е.З., Шильникова В.К., Переверзева Г.И. Практикум по микробиологии. - М. - 2004. -157 с.

4. Методы почвенной микробиологии и биохимии / под ред. Д.Г. Звягинцева. - М.: Изд-во МГУ. - 1991. - 304 с.

5. Полянская Л.М., Горбачева М.А., Милановский Ю.И., Звягинцев Д.Г. Оценка развития микроорганизмов в аэробных и анаэробных условиях в черноземе // Почвоведение. - 2010, № 3. - С. 356-360.

6. Красноперов А.Г., Буянкин Н.И., Анцифирова О.А. Корректировка агротехнологических приемов возделывания бобово-злаковых посевов с учетом гидроморфизма почвы // Зернобобовые и крупяные культуры. - 2017, № 3 (23). - С. 75-81.

7. Турусов В.И., Дронова Н.В. Влияние основной обработки и агрохимикатов на микробиологический состав почвы // Модернизация агротехнологий в адаптивно-ландшафтном земледелии Центрального Черноземья: материалы Всероссийской научно-практической конференции. Каменная Степь, 18-19 июня 2014. - С. 141-144.

8. Гордеева Т.Х., Новоселов С.И. Микрофлора почвы и продуктивность смешанных бобово-злаковых агроценозов // Фундаментальные исследования. - 2014, №11. - С. 99-105.

Аннотация

Установлено, что макроструктура почв зависит от степени гидроморфизма дерново-подзолистой почвы. Так в почвенных агрегатах различного размера (1-2 мм; 2-3 мм; 3-5 мм; 5-10 мм; больше 10 мм) количество аммонификаторов и иммобилизаторов углерода было больше в мелких фракциях. В мелких фракциях общая биогенность почвы возрастала до 207-58 млн/г, интенсивность дыхания почвы увеличивалась до 42-27 СО2 мг/кг. Размер почвенных агрегатов определяет количество и состав почвенных микроорганизмов, развивающихся в них.

Выявлено, что под влиянием сидеральных и средообразующих культур в смешанных культурах разного срока высева из-за обилия растительных остатков в почве происходила активная трансформация гумусовых веществ.

Изучение фракционного состава лабильного гумуса в севооборотах показало увеличение в нём доли гуминовой кислоты, соответственно, до 45-44-39-38 %. В общем гумусе почв гуминовая кислота составила 22-21-18 %, фульвокислота - 27-29 %. Степень гумификации органического вещества в изучаемых севооборотах соответствовала 82, 78, 61 и 64 %.

В севооборотах 3 и 4 наблюдалось уменьшение в лабильном гумусе доли гуминовой кислоты до 38-39 % и возрастание доли менее ценной для растений фульвокислоты: до 61-62 %.

Фитомасса сидератов, активизируя бактериальную почвенную микрофлору, повышала фунгистазис, снижала инфекционный потенциал и предохраняла растения от поражения фитопатогенами. В результате заболеваемость корневой гнилью озимой пшеницы снизилась до 15%, ярового ячменя - до 20%.

Регулируя режим гидроморфизма дерново-подзолистой почвы, можно влиять на количество почвенных микроорганизмов, определяющих интенсивность почвенно-биологических процессов, происходящих в почве, и, как следствие этого, на её плодородие.

Ключевые слова: дерново-подзолистая почва, размеры почвенных агрегатов, микробный ценоз, средообразующие и сидеральные культуры, севооборот, весенние и летние смешанные посевы

Размещено на Allbest.ru