CC BY
11DOI:10.24412/2225-2584-2022-4-4-8 УДК 631.445.25(470. 314/317)
МИКРОБНЫЕ КОМПЛЕКСЫ И ИХ ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ ПРИ ПРИМЕНЕНИИ ОРГАНИЧЕСКИХ УДОБРЕНИЙ НА СЕРОЙ ЛЕСНОЙ
ПОЧВЕ ВЕРХНЕВОЛЖЬЯ
И.Н. АВТОНОМОВА, младший научный сотрудник,
М.К. ЗИНЧЕНКО, кандидат биологических наук, ведущий научный сотрудник, (e-mail:[email protected]),
И.М. ЩУКИН, кандидат биологических наук, (e-mail: [email protected])
Верхневолжский федеральный аграрный научный центр
ул. Центральная, д. 3, п. Новый, Суздальский р-н, Владимирская обл., 601261, Российская Федерация
Резюме. Представлены материалы по изменению биологических показателей серых лесных почв в условиях длительного применения органических и органоминеральных удобрений. Оценено влияние доз подстилочного навоза (40, 60 и 80 т/га) на структуру и активность микробиоценоза серой лесной среднесуглинистой почвы агроландшафтов. Исследования проводились на базе Верхневолжского ФАНЦ в период 2014-2020 гг. в стационарном опыте по усовершенствованию адаптивно - ландшафтных систем земледелия. Использование средних доз минеральных удобрений (40-60 кг д.в./га) и 40 т/га подстилочного навоза на интенсивном фоне способствовало увеличению суммарного количества основных эколого- трофических групп микроорганизмов свыше 23 млн. КОЕ/1 г почвы. Отмечен тренд снижения этого показателя на фонах с увеличением уровня их интенсивности (60 и 80 т/га навоза). Максимальный процент актиномицетов (30,8%) относительно суммы микроорганизмов отмечен на нулевом фоне (навоз 40 т/га один раз за ротацию 6-ти польного севооборота). С возрастанием доз органических удобрений отмечается увеличение процентного содержания олигонитрофильной группировки в составе микрофлоры, что указывает на значительное присутствие фиксированного диазотрофами азота. Средние значения коэффициента минерализации (Км) близки к 1, что характеризует низкую степень минерализационных процессов в почве изучаемых вариантов. Самые высокие значения коэффициента трансформации органического вещества (Кт) получены на интенсивном фоне -13,65, также как и коэффициента гумусонакопления (Кг) - 0,96. При такой системе удобрений структура микробиоценоза обеспечивает активность микробиологических и биохимических процессов, достаточную для трансформации корне - пожнивных остатков в органическое вещество почвы и поддержания устойчивого равновесия в данной экосистеме.
Ключевые слова: органические удобрения, микробиоценоз, серая лесная почва, эколого- трофические группы микроорганизмов, микробиологические индексы, фоны интенсификации.
Для цитирования: Автономова И.Н., Зинченко М.К., Щукин И.М. Микробные комплексы и их функционирование при применении органических удобрений на серой лесной почве Верхневолжья // Владимирский земледелец. 2022. №4. С. 4-8. DOI:10.24412/2225-2584-2022-4-4-8.
Активизация биологических процессов в почве под действием различных систем удобрения, обработок почвы, севооборотов приводит к интенсификации мобилизационных процессов и повышению их потенциального плодородия. Применение удобрений
не только улучшает питательный режим растений, но и преобразует среду обитания микроорганизмов, участвующих в превращении органических и минеральных веществ в почве. Академик В.Г. Минеев [1] подчеркивал, что микроорганизмы - это наиболее энергичная и подвижная часть почвы - ее живая плазма. Они определяют течение большинства процессов в почве и во многом влияют на характер питания растений.
Как правило, при возрастающем уровне антропогенной нагрузки отмечается ускорение биологического круговорота веществ и повышение биологической активности почв, которое может сопровождаться усиленной минерализацией органического вещества и приводить к развитию процессов деградации плодородия в дерново - подзолистых и серых лесных почвах Нечерноземной зоны [2-6].
При внесении органических удобрений, в частности навоза, в почву попадает дополнительное количество не только клетчатки и макроэлементов, но и микроэлементов, также способствующих расселению и влияющих на микробный пул почвы. Разработка принципов и практических мер, направленных на охрану живой природы на уровне агросистем предполагает эффективное и экологически безопасное использование органических удобрений в системе адаптивно - ландшафтного земледелия.
В связи с этим целью данной работы было исследовать влияние различных доз навоза на биологическую активность серой лесной почвы агроландшафтов Верхневолжья.
Условия, материалы и методы. В 2014-2020 гг. в стационарном полевом опыте Верхневолжского ФАНЦ проводили исследования по изучению воздействия различных доз органических удобрений (навоза) на микробиологические свойства серой лесной почвы. Объектом исследований являлась серая лесная среднесуглинистая почва стационарного полевого опыта по изучению и усовершенствованию адаптивно-ландшафтных систем земледелия в зоне Владимирского ополья. Исследования проводились на фонах внесения органических и органоминеральных удобрений различного уровня интенсификации в четвертой ротации севооборотов.
Содержание гумуса в пахотном слое (0-20 см) серых лесных почв варьировало от 3,9 до 4,2 % (по Тюрину), обеспеченность подвижным фосфором (по Кирсанову) -100-150 мг/кг почвы, обменным калием (по Масловой) -100-120 мг/кг почвы, рНкс1 - от 5,9 до 6,1.
Микробиологические исследования проводили на следующих фонах интенсификации: нулевой (Н) -навоз 40 т/га; интенсивный (И) - навоз 40 т/га+ N^^80^60; интенсивный органоминеральный (ИОМ) -навоз 60 т/га + Ш10Р150К310; высокоинтенсивный
органоминеральный (ВИОМ) - навоз 80т/га+N430P160K360. Приведены дозы удобрений за ротацию севооборота. Дозы удобрений рассчитывались балансовым методом с учетом естественного плодородия почвы на уровни интенсивности применения удобрений для достижения планируемой продуктивности возделываемых культур.
В опыте применялись 6-польные севообороты с использованием многолетних трав, озимых и яровых зерновых культур. Навоз подстилочный, полуперепревший вносили единовременно 1 раз в ротацию севооборота в дозах согласно схеме опыта. Минеральные удобрения -ежегодно: калий и фосфор - осенью, азот - весной. В качестве основной обработки применялась вспашка на 20-22 см.
Образцы почвы для микробиологических исследований отбирали в мае, июле и сентябре из слоя 0-20 см. Для анализов составлялся средний образец.
Численность жизнеспособных клеток микроорганизмов различных эколого - трофических групп определяли стандартными методами путем посева соответствующих разведений на твердые специализированные питательные среды в 3-х и 4-х кратной повторности [7].
В почве учитывались: аммонифицирующие бактерии на мясопептонном агаре (МПА); иммобилизаторы минерального азота - крахмало - аммиачный агар (КАА); сапрофитные почвенные микромицеты - среда Чапека; количество актиномицетов - среда Красильникова; количество диазотрофной и олигонитрофильной группировки - среда Эшби. Общую численность микроорганизмов определяли, суммируя численность отдельных эколого- трофических групп.
Для обработки полученных данных применяли статистические методы анализа (Б.А. Доспехов, 1985) с использованием программных средств Microsoft Office EXCEL, STATISTICA.
Результаты и обсуждение. На рисунке 1 представлена общая численность микроорганизмов в почве изучаемых агрофонов. На нулевом фоне (40 т/га навоза 1 раз за ротацию севооборота) средняя численность микрофлоры составила 19 млн. КОЕ/1г почвы. Среди органоминеральных фонов отмечен устойчивый тренд возрастания численности микроорганизмов на интенсивном фоне - 23 млн. КОЕ/1г почвы. На этом варианте наблюдалось увеличение микробного пула в отдельные годы исследований до 37 млн. КОЕ/г почвы. Использование комплекса средних доз минеральных удобрений (40-60 кг д.в./га) и 40 т/га навоза способствовало развитию микробного комплекса почвы. Этот вариант накопил не только питательный субстрат, но и обусловил благоприятные агрофизические и экологические условия для жизнедеятельности микроорганизмов, не зависимо от эдафических условий лет исследования.
Отмечен тренд снижения общей численности исследуемых эколого- трофических групп микроорганизмов на фонах с увеличением уровня их интенсивности - ИОМ, ВИОМ.
Численность микроорганизмов, изолированных на
элективных средах, является показателем активности процессов, инициируемых определенными группами микрофлоры. Поэтому для характеристики почвенно-биологических процессов, происходящих в серой лесной почве агроландшафтов, количественные показателей основных эколого- трофических групп микроорганизмов мы выразили в % от общей суммы микроорганизмов (рис. 2).
Наиболее значительно различались фоны интенсификации по процентному соотношению актиномицетного комплекса. Максимальный процент актиномицетов (30,8%) отмечен на нулевом фоне, где использовался только навоз 40 т/га один раз за ротацию 6-ти польного севооборота. Численность актиномицетов увеличивается в тех зонах, где минерализация растительного материала подходит к завершению и они развиваются на последних стадиях минерализации. Поэтому можно предположить, что в почве этого агрофона наиболее активно протекают процессы минерализации органического материала, обусловленные функционированием актиномицетного пула, и остатки целлюлозосодержащих структур активно проходят окончательные этапы деградации. При возрастающем уровне органоминеральной системы удобрений отмечается снижение их процентной составляющей относительно общей численности микроорганизмов. Самые низкие значения численности актиномицетной
Рис. 1. Влияние органических и органоминеральных удобрений на микробный пул серой лесной почвы
Владишрскш ЗемлеШбЩ)
Рис. 2. Распределение количества эколого- трофических групп в % от общей численности микроорганизмов
№ 4 (102) 2022
группировки зафиксированы на ВИОМ фоне -23,4%. Снижение актиномицетов в микробном пуле свидетельствует о возможности депонирования органического вещества и накоплении гумуса. То есть использование минеральных удобрений и навоза в дозе 80 т/га стабилизирует биологические процессы в серой лесной почве.
С возрастанием доз органических удобрений отмечается тренд увеличения процентного содержания диазотрофов в составе микрофлоры, что указывает на значительное присутствие фиксированного ими азота. Максимальный процент азотфиксаторов отмечен на ВИОМ фоне - 23%. Также на этом фоне интенсификации самый высокий процент агрономически значимой микрофлоры -суммы протеолитической и амилолитической группировки (МПА+КАА) - 53,9%.
Численность почвенных сапрофитных микромицетов при посеве на питательную среду Чапека выражалась тысячами грибных зачатков на 1 г почвы и составляла не более 1% от суммарного количества микрофлоры. Близкие показатели численности микромицетов на фонах интенсификации указывают на одинаковую активность грибного комплекса в процессах трансформации органических остатков.
Данные процентного распределения численности эколого - трофических групп микроорганизмов подтверждают, что биогенность высокоинтенсивного органоминерального фона (ВИОМ) является наиболее оптимизированной и определяет его экологическую устойчивость.
Информативными показателями состояния микробиоценоза почвы являются количественные соотношения отдельных групп микроорганизмов, которые
1. Микробиологические индексы, среднее за 2015-2020 гг.
Фон Кол-во удобрений за с/о Коэффициент минерализации (Км) Коэффициент трансформации органического вещества (Кт) Коэффициент гумусона-копления (Кг)
Нулевой(Н) Н 40 т/га 1,02 12,46 0,55
Интенсивный (И) Н 40 т/га + N100Р80К160 0,88 13,65 0,96
Интенсивный органомине-ральный (ИОМ) Н 60т/га + N3^150 К310 1,06 12,14 0,75
Высокоинтенсивный органоми-неральный (ВИОМ) Н 80т/га+ N430Р160 К360 0,97 12,48 0,74
Примечание. Км = (КАА/МПА); Кт.=(МПА+КАА)х(МПА/КАА); Кг = (ПФО/ПД).
характеризуют интенсивность протекающих в почве процессов распада и выноса элементов питания в целом, так как они обусловлены противоположными функциями почвенной микрофлоры. По данным численности бактерий, культивируемых на средах МПА и КАА, были рассчитаны коэффициенты минерализации (Км) и коэффициенты трансформации органического вещества (Кт) (табл. 1).
Коэффициент минерализации отражает интенсивность микробиологической мобилизации азота в почве. По его значениям можно судить о процессах трансформации органического вещества почвы. Расширение отношения КАА: МПА свидетельствует о более глубоких процессах потери азота, что и приводит к снижению плодородия.
Исходя из шкалы значений Км [8], разработанной для характеристики степени минерализации азота почвенного органического вещества, мы оценили активность этого процесса в серой лесной почве. По представленным данным (табл. 1) средние значения Км близки к 1, что свидетельствуют о низкой степени минерализационных процессов в почве изучаемых вариантов. Это указывает на достаточный объема органического субстрата и легкогидролизуемого азота для поддержания активности пула аммонифицирующей микрофлоры (МПА). Самый низкий Км отмечен на интенсивном фоне, то есть количество вновь поступившего органического субстрата больше, чем минерализованного микроорганизмами, что дает возможность накопления органического вещества и гумуса в почве этого фона.
Микробиологическую трансформацию азотсодержащих органических соединений оценивали по коэффициенту трансформации органического вещества (Кт). Он характеризует интенсивность превращения органического материала (корне - пожнивных остатков, органических удобрений, микробной плазмы) в органическое вещество почвы [9].
Самые высокие значения Кт получены на интенсивном фоне (И) - 13,65 усл. ед. Это свидетельствует, что с использованием навоза в дозе 40 т/га единовременно в ротацию 6- польного севооборота и ежегодных средних доз минеральных удобрений (3060 кг/га д.в. NРК) процессы превращения азотсодержащих органических соединений идут более интенсивно, т.е. растительные остатки активно трансформируются в органическое вещество почвы.
Интенсивность и характер процессов преобразования органического вещества почвы мы оценивали и по активности окислительно-восстановительных ферментов -полифенолоксидазы (ПФО) и пероксидазы (ПД). Мониторинг за активностью этих ферментных систем проводился в 2016-2020 гг.
Полифенолоксидаза участвует в превращении органических соединений ароматического
2. Значение коэффициентов гумусонакопления в зависимости от культур севооборота
Фон интенсификации Многолетние травы, (клевер) Зерновые
2016-2017 гг. 2018-2020 гг.
Нулевой(Н) 0,70 0,41
Интенсивный (И) 1,22 0,78
Интенсивный органоминеральный (ИОМ) 0,86 0,73
Высокоинтенсивный органоминеральный (ВИОМ) 0,78 0,70
ряда в компоненты гумуса [10, 11]. Определение данного показателя позволяет оценить условия накопления веществ, идущих на образование гумусовых молекул. Пероксидаза катализирует окисление фенолов за счет кислорода перекиси водорода и участвует в процессе минерализации гумусовых веществ, то есть действие пероксидазы противоположно действию полифенолоксидазы. На основе полученных данных по активности этих ферментов были рассчитаны коэффициенты гумусонакопления (Кг) (табл. 1).
Полученные в наших исследованиях значения Кг<1, а это свидетельствует, что окислительно- восстановительные процессы в серой лесной почве агрофонов, обусловленные активностью пероксидазы и полифенолоксидазы, направлены на минерализацию гумусовых веществ. Минимальные значения этого показателя отмечены на нулевом (Н) органическом фоне (0,55), что говорит о интенсивной минерализации гумуса в почве. Коэффициенты гумусонакопления на органоминеральных фонах имели более высокие показатели с преимуществом на интенсивном фоне, где его значение было близко к 1 (Кг= 0,96). Это характеризует паритет процессов синтеза и минерализации гумусовых веществ. В почве интенсивного фона (И) за период наблюдений не отмечено активной биохимической минерализации гумусовых веществ. При такой системе удобрений структура микробиоценоза обеспечивает активность микробиологических и биохимических процессов достаточную для трансформации корне - пожнивных остатков в органическое вещество почвы и поддержания устойчивого равновесия в данной экосистеме [12].
Возрастание значений Кг на фонах интенсификации наблюдалось при возделывании многолетних трав (табл. 2).
Посевы клевера, обогащая почву большим количеством корневой массы и биологически активными экссудатами, интегрируют течение ферментативных процессов на снижение минерализации гумусовых веществ. Под зерновыми культурами коэффициенты гумусонакопления
Литература.
1. Минеев В.Г., Ремпе Е.Х., Воронина Л.П. Биотест для определения экологических последствий применения средств химической защиты растений //Доклады ВАСХНИЛ. 1991. № 37. С. 16-20.
2. Трипольская Л.Н., Багданавичене З.Е., Романовская Д.К. Микробиологическая активность дерново-подзолистой почвы и разложение органических удобрений в осенне-зимний период//Почвоведение. 2004. №9. С. 1100-1108.
3. Зинченко М.К., Стоянова Л.Г. Действие различных систем удобрения на интенсивность биологических процессов в серой лесной почве//Владимирский земледелец. №2-3, 2014. С. 19-22.
4. Зинченко М.К., Зинченко С.И. Мониторинг ферментативной активности уреазы в серых лесных почвах Верхневолжья// Земледелие. 2020. №6. С. 21-24.
5. Зинченко М.К. Мониторинг почвенно- биологических процессов в серой лесной почве по микробиологическим и биохимическим показателям // Владимирский земледелец. 2020. №1. С. 34-39.
6. M.K. Zinchenko, S.I. Zinchenko, M.A. Mazirov, A.O. Ragimov, A.V. Shitikova Biological indicators in the environmental monitoring of gray forest soil of agrosystems// Caspian journal of Environmental Sciences. 2021. №8. С. 24-30.
7. Теппер Е.З., Шильникова В.К., Переверзева Г.И. Практикум по микробиологии. М.: Дрофа, 2004.256 с.
8. Звягинцев Д.Г. Биологическая активность почв и шкалы для оценки некоторых ее показателей//Почвоведение.1978. №6. С. 48-54.
9. Рабинович Г.Ю. Применение метода биоиндикации для оценки состояния мелиорированных земель// Тенденция развития агрофизики в условиях изменяющегося климата: материалы межд. конф. к 80-летию АФИ. СПб, 2012. С. 367-371.
10. Кононова М.М. Органическое вещество почвы. М.: Изд-во АНСССР, 1963.314 с.
ниже и определяют окислительно-восстановительные процессы минерализационного характера.
Выводы. Наиболее эффективным приемом повышения плодородия серых лесных почв является внесение удобрений. Они изменяют условия существования не только сельскохозяйственных культур, но и почвенной микрофлоры, увеличивая ее численность и активность биологических процессов в почве. Положительный отклик микробного ценоза почвы отмечался при совместном применении 40 т/га навоза со средними дозами минеральных удобрений - интенсивный фон (И). Такое сочетание органоминеральных удобрений не только повышало общую биогенность почвы, но и оптимизировало структуру микробиоценоза, увеличивая в нем долю микроорганизмов трансформирующих свежие органические остатки и уменьшая те из них, которые минерализуют гумусовые соединения почвы. Коэффициенты минерализации при этом снижались, а коэффициенты трансформации органического вещества в компоненты гумуса и коэффициенты гумусонакопления возрастали.
Владишрскш ЗемлеШбЩ)
№ 4 (102) 2022
11. Витер А.Ф., Турусов В.И., Гармашов В.М., Гаврилова С.А. Обработка почвы как фактор регулирования почвенного плодородия. М.: Инфра- М, 2014.170 с.
12. Зинченко М.К. Трансформация биологических свойств серой лесной почвы агроландшафтов в системе адаптивно-ландшафтного земледеделия: монография/ ФГБНУ «Верхневолжский ФАНЦ». Суздаль - Иваново: ПресСто. 2020.144 с.
References.
1. Mineev V.G., Rempe E.Kh., Voronina L.P. Biotest to determine the environmental consequences of the use of chemical plant protection products// Reports of the All-Russian Academy of Agricultural Sciences. 1991. No. 37. P.16-20.
2. Tripolskaya L.N., Bagdanavichene Z.E., Romanovskaya D.K. Microbiological activity of soddy-podzolic soil and decomposition of organic fertilizers in the autumn-winter period// Eurasian Soil Science. 2004. No. 9. pp. 1100-1108.
3. Zinchenko M.K., Stoyanova L.G. Impact of various fertilizer systems on the intensity of biological processes in grey forest soil //Vladimir agricolist. No. 2-3,2014. S. 19-22.
4. Zinchenko M.K., Zinchenko S.I. Monitoring of urease enzymatic activity in grey forest soils of the Upper Volga region //Agriculture. 2020. №6. pp. 21-24.
5. Zinchenko M.K. Monitoring of soil biological processes in grey forest soil by microbiological and biochemical parameters // Vladimirsky agricolist. 2020. №1. pp. 34-39.
6. M.K. Zinchenko, S.I. Zinchenko, M.A. Mazirov, A.O. Ragimov, A.V. Shitikova Biological indicators in the environmental monitoring of gray forest soil of agrosystems// Caspian journal of Environmental Sciences. 2021. №8. С. 24-30.
7. Tepper E.Z., Shilnikova V.K., Pereverzeva G.I. Practical course on microbiology. M.: Drofa, 2004.256 p.
8. Zvyagintsev D.G. Biological activity of soils and scales to evaluate some of their characteristics // Soil Science. 1978. No. 6. pp. 48-54.
9. Rabinovich G.Yu. Application of the bioindication method to assess the state of reclaimed lands// Trends in the development of agrophysics in a changing climate: Proceedings of the Int. conf. to the 80th anniversary of AFI. St. Petersburg, 2012. S. 367-371.
10. Kononova M.M. Soil organic matter. M.: Publishing House of the ANSSR, 1963.314 p.
11. Viter A.F., Turusov V.I., Garmashov V.M., Gavrilova S.A. Tillage as a factor in the regulation of soil fertility. M.: Infra-M, 2014.170 p.
12. Zinchenko M.K. Transformation of the biological properties of the grey forest soil in the system of adaptive landscape agriculture: monograph /FGBNU "Verkhnevolzhsky FANC". Suzdal - Ivanovo: PresSto. 2020.144 p.
MICROBIAL COMPLEXES AND THEIR FUNCTIONING DURING THE APPLICATION OF ORGANIC FERTILIZERS ON THE GRAY FOREST SOIL OF UPPER VOLGA
I.N. AVTONOMOVA, M.K. ZINCHENKO, I.M. SCHUKIN
Upper Volga Federal Agrarian Research Center ul. Tsentralnaya 3, poselok Noviy, Suzdalsky rayon, Vladimir Oblast, 601261, Russian Federation
Abstract. This article highlights the change in biological parameters of grey forest soil under conditions of long-term use of organic and organomineral fertilizers. The impact of litter in various doses (40, 60, 80 t/ha) on the structure and activity of microbiocenosis of grey forest middle loamy soil is assessed. The study was carried out based on the Upper Volga FARC between 2014 and 2020in a stationary experiment to improve the adaptive and landscape farming systems. The use of medium doses of fertilizers (40-60 kg a.i./ha) and 40 t/ga litter on the intense fertilized soil contribute to the increase in the total number of the main ecological and trophic groups of microorganisms over 23 million CFU/1 g soil. There is a trend of decreasing in quantity against the backgrounds with greater intensity (60 and 80 t/ha). Nonfertilized soil (manure 40 t/ha once per rotation of a 6-field crop rotation) has the maximum percentage of actinomycetes (30.8%) relative to the number of microorganisms. The higher dose of organic fertilizer is applied, the greater percentage of the oligonitrophilic group of the microflora, which indicates a significant presence of nitrogen fixed by diazotrophs. The average value of the coefficient (Cm) is close to 1, which characterizes the low degree of mineralization processes in the soil under study. The highest values of the transformation coefficient of organic matter (Ct) are against an intense background - 13.65, as well as the coefficient of humus accumulation (Ch) - 0.96. With such a fertilizer system, the microbiocenosis structure provides the activity of microbiological and biochemical processes sufficient for the transformation of root crop residues into soil organic matter and maintaining a stable balance in this ecosystem.
Keywords: organic fertilizers, microbiocenosis, grey forest soil, ecological and trophic groups of microorganisms, microbiological characteristics, intensification backgrounds.
Author details: I.N. Avtonomova, junior research fellow; M.K. Zinchenko, Candidate for Science (biology), leading research fellow, (e-mail:[email protected]); I.M. Schukin, Candidate of Sciences (biology), senior research fellow.
For citation: Avtonomova I.N., Zinchenko M.K., Schukin I.M. Microbial complexes and their functioning during the application of organic fertilizers on the grey forest soil of Upper Volga // Vladimir agricolist. 2022. №3. pp. 4-8. DOI: 10.24412/2225-2584-2022-4-4-8.
