Экология экосистем. Тема Влияние пахотного использования черноземов на химические свойства и ферментативную активность почв

Таким образом, можно заключить следующее.
Активность каталазы постоянно растет на протяжении опыта и достигает максимальных величин в варианте с обработкой гуминовым препаратом BIO-Дон-15 – 12,3 мл О2/1 мин.
Активность инвертазы имеет два периода с максимальными темпами роста – в первый месяц и 5–7 месяц компостирования почвы с соломой. За весь период компостирования наибольший рост активности инвертазы наблюдался в вариантах с гуминовым препаратом BIO-Дон-15 – на 33,5 %, тогда как в варианте с минеральным азотом рост активности составил 31,6 %, а на контроле – 26,8 %. Установлена положительная корреляция уровня инвертазной активности с содержанием гумуса в почве с коэффициентом корреляции 0,67.
Активность фосфатазы резко возрастает в первый месяц компостирования, а затем снижается по мере накопления подвижного фосфора в почве. Между активностью фосфатазы и содержанием подвижного фосфора установлено наличие достоверной обратной связи на достаточно высоком уровне значимости (r = –0,80).
Процент разложения целлюлозы был максимальным в варианте с внесением компенсирующей дозы минерального азота – 74,2 % что превысило контроль на 34,7 %, а вариант с гуминовым препаратом BIO-Дон-15 – на 8,3 %.
Таким образом, данныеисследования экспериментально подтвердили, что внесение соломы в почву ведет к увеличению ее ферментативной активности. Внесение компенсирующей дозы минерального азота дает дополнительное питание почвенным микроорганизмам и повышает их активность в процессах биотрансформации соломы. Обработка соломы гуминовыми препаратами увеличивает скорость процессов ее разложения, что выражается в росте ферментативной активности почвы. Выявлено существенное увеличение уровня ферментативной активности чернозема обыкновенного в варианте с обработкой модифицированным гуминовым препаратом BIO-Дон-15, который сопоставим с таковым на варианте с внесением минерального азота.

Влияние минеральных удобрений на микрофлору пахотного чернозем на примере лесостепной зоны Зауралья
Широкое применение минеральных удобрений – одно из необходимых условий интенсификации земледелия [1, 2]. Эта объективная необходимость следует за ежегодным ростом численности населения и их потребности в продовольствии. Минеральные удобрения – основной поставщик азота, фосфора и калия в пахотных почвах. Соответственно с помощью удобрений можно не только увеличить урожайность сельскохозяйственных культур, но и повысить продуктивность пашни в целом. Кроме того, правильно рассчитанные дозы минеральных удобрений будут как экономически эффективными, так и экологически безопасными [3, 4]. Однако, оценивая положительное влияние минеральных удобрений на получение высоких урожаев сельскохозяйственных культур, не стоит забывать об их влиянии на биологические свойства вовлеченных в сельскохозяйственный оборот почв [5–7]. Нередко аграрии в погоне за высокими урожаями забывают, что минеральные удобрения являются мощным фактором, оказывающим влияние на изменение состава почвенной микрофлоры. Ученые микробиологи и почвоведы доказали изменение как количественного, так и качественного состава почвенной микрофлоры при внесении минеральных туков [8, 9].
Почвенные микроорганизмы являются ключевым фактором почвообразования, и им принадлежит ведущая роль в процессах минерализации и гумификации почвенного органического вещества. Внесение умеренных доз минеральных удобрений способствует нарастанию бактериальной микрофлоры, увеличивая тем самым скорость минерализующих процессов [10]. Грибная микрофлора и актиномицеты расщепляют сложные органические вещества и отзывчивы к высоким дозам минеральных удобрений [11]. Несмотря на то что изучением данного вопроса занимаются с 60-х годов прошлого столетия, однозначного ответа по влиянию минеральных удобрений на почвенную микрофлору в условиях Северного Зауралья нет. Поэтому изучение микробных сообществ в пахотных почвах и влияние на них агрохимикатов актуально, практически значимо и важно для сельскохозяйственного производства. Следовательно, для одновременного увеличения урожайности сельскохозяйственных культур и сохранения почвенного плодородия необходимо использовать научно обоснованную систему удобрений и средств химизации, направленную на оптимизацию питания с учетом микробиологического состояния почв [12].
Цель исследований. Изучить изменения количественного и качественного состава почвенной микрофлоры при внесении возрастающих доз минеральных удобрений в условиях северной лесостепи Зауралья.
Объекты и методы исследований. Исследования по влиянию азотно-фосфорных минеральных удобрений на микрофлору пахотного чернозема лесостепной зоны Зауралья проводили на стационаре кафедры почвоведения и агрохимии на опытном поле Государственного аграрного университета Северного Зауралья по следующей схеме: контроль (без удобрений); дозы удобрений N80P10; N200P60; N250P120 кг действующего вещества на гектар, что соответствовало уровню минерального питания, необходимого для формирования планируемой урожайности яровой пшеницы 3,0; 5,0 и 6,0 т/га зерна соответственно.
Стационар расположен на юге Тюменской области, в центральной части Тюменского района, что в 1,5 км от города Тюмени, вблизи д. Утешево.
Объектом исследований был чернозем выщелоченный, маломощный, тяжелосуглинистый. Морфологическое описание проводили по общепринятой методике. На стационарном опыте размещен трехпольный севооборот со следующим чередованием культур: однолетние травы, яровая пшеница, овес. Исследования проводили под пшеницей в трехкратной повторности.
Дозы внесенных минеральных удобрений рассчитывали методом элементарного баланса с учетом содержания питательных веществ в почве и текущей нитрификации – 80 кг/га [1, 12].
Образцы почвы на микробиологический анализ отбирали с пахотного горизонта 0–30 см в течение вегетации, в основные фазы развития яровой пшеницы (посев, цветение, восковая спелость). Численность эколого-трофических групп микроорганизмов определяли в лаборатории экологии почв Агробиотехнологического центра ГАУ Северного Зауралья.
Количественный состав бактерий, минерализующих азот, и актиномицетов исследовали на крахмало-аммиачном агаре (КАА); аммонификаторов на мясопептонном агаре (МПА), нитрификаторов на голодном агаре (ГА). Для определения влияния минеральных удобрений на структуру микробного сообщества дополнительно были рассчитаны следующие показатели:
- коэффициент иммобилизации азота, отражающий соотношение бактерий, минерализующих азот, и бактерий-аммонификаторов, Кимм=[КАА]/[МПА];
- коэффициент олиготрофности – соотношение микроорганизмов, растущих на голодном агаре и мясопептонном агаре Колиг=[ГА]/[МПА].
Результаты исследований и их обсуждение. Значительную долю в микробной биомассе пахотного чернозема лесостепной зоны Зауралья занимают аммонифицирующие и нитрифицирующие бактерии. Перед посевом яровой пшеницы численность аммонификаторов в слое 0–30 см на контроле составляла 6,1 млн КОЕ/г почвы (табл.). На варианте с внесением NP на планируемую урожайность 3,0 т/га зерна численность микроорганизмов этой же группы на 10 % превышала контроль. Особое внимание необходимо уделить вариантам с высоким уровнем минерального питания. При систематическом внесении удобрений на планируемые урожайности 5,0 и 6,0 т/га зерна численность аммонификаторов была существенно выше контроля – 7,7 и 9,5 млн КОЕ. Это обусловлено последействием минеральных удобрений, вносимых в прошлые годы.
В фазу цветения численность аммонифицирующих бактерий на контроле была на 15 % ниже, чем при посеве. Внесение минеральных удобрений на планируемую урожайность 3,0 т/га зерна оказало благоприятное воздействие на развитие данной группы микроорганизмов. Их численность превышала контроль почти на 30 %. При внесении возрастающих доз минеральных удобрений на планируемую урожайность зерна 5,0 и 6,0 т/га произошло резкое снижение их численности до 4,7 млн КОЕ/1 г почвы, что может быть связано с активным потреблением питательных веществ растениями яровой пшеницы.

Таблица 2.1 - Влияние возрастающих доз минеральных удобрений на численность физиологических групп микроорганизмов, осуществляющих трансформацию азота в почве, млн КОЕ/1 г почвы
Вариант Аммонификаторы (МПА) Нитрификаторы (олигонитрофилы) (ГА) Иммобилизаторы азота (КАА) Посев Цветение Уборка Посев Цветение Уборка Посев Цветение Уборка Контроль 6,1 5,2 3,5 8,0 6,1 5,6 4,2 9,3 3,4 NPK на 3,0 т/га зерна 6,7 7,3 3,7 8,0 6,2 5,5 4,2 8,9 3,6 NPK на 5,0 т/га зерна 7,7 5,6 6,1 6,2 8,0 6,3 6,5 7,8 5,4 NPK на 6,0 т/га зерна 9,5 4,7 10,7 5,0 7,6 7,7 6,1 5,6 5,1
Перед уборкой яровой пшеницы численность аммонификаторов на варианте без внесения минеральных удобрений и на варианте с внесением удобрений на планируемую урожайность 3,0 т/га зерна была на одном уровне – 3,5–3,7 млн КОЕ/1 г почвы. Дальнейшее повышение уровня минерального питания стимулировало рост их численности. При внесении удобрений на планируемую урожайность 5,0 т/га микробная масса аммонифицирующих бактерий превышала контроль почти в 2 раза и достигала 6,1 млн КОЕ/ г почвы. На варианте с максимальной насыщенностью минеральными удобрениями их численность составила 10,7 млн КОЕ/1 г почвы, что более чем в 3 раза превышало контроль.
Следующий за аммонификацией этап высвобождения азота путем разложения органических азотсодержащих соединений осуществляется нитрифицирующими бактериями. Численность олигонитрофилов перед посевом на контроле составила 8 млн КОЕ/1 г почвы. Внесение низких доз минеральных удобрений не оказало существенного влияния на их развитие. Повышение уровня минерального питания подавляло развитие нитрификаторов, снижая их численность на 22,5 и 37,5 % соответственно относительно контроля. В фазу цветения отмечена обратная закономерность. Численность нитрифицирующих бактерий на контроле и варианте с внесением удобрений на планируемую урожайность зерна 3,0 т/га между собой отличалась незначительно. При внесении удобрений на планируемые урожайности 5,0 и 6,0 т/га зерна численность нитрификаторов увеличилась до 8 и 7,6 млн КОЕ/1 г почвы. К моменту созревания яровой пшеницы их количество вновь снижалось на контроле и на варианте с низким уровнем минерального питания, но увеличивалось на вариантах с максимальным насыщением минеральными удобрениями.
Иммобилизацию минерального азота осуществляют микроорганизмы, способные усваивать аммиачный, аммонийный и нитратный азот. От степени иммобилизации зависит содержание доступных форм азота в почве для растений. Численность бактерий – иммобилизаторов азота при посеве на контроле и на варианте с внесением минеральных удобрений на планируемую урожайность 3,0 т/га зерна была одинаковой и составила 4,2 млн КОЕ/1 г почвы. На вариантах с внесением минеральных удобрений на планируемую урожайность 5,0 и 6,0 т/га зерна отмечено увеличение численности иммобилизующих бактерий в среднем на 33,3 %.
На контроле и варианте с внесением удобрений на планируемую урожайность 3,0 т/га в фазу цветения яровой пшеницы их количество было максимальным по сравнению с другими группами бактерий в этот же период. Их численность составила 9,3–8,9 млн КОЕ/1 г почвы соответственно. При внесении минеральных удобрений на планируемую урожайность 5,0 т/га зерна происходило снижение до 7,8 млн КОЕ/1 г почвы. На варианте с максимальным уровнем минерального питания отмечено угнетение иммобилизующих бактерий, численность которых была на 40 % меньше контроля. Уменьшение количества иммобилизаторов азота в период цветения сохранялось до момента уборки, составляя 3,4–3,6 млн КОЕ/1 г почвы на контроле и на варианте с внесением NPK на 3,0 т/га зерна. На варианте с внесением NP на 5,0 т/га зерна отмечается увеличение этой группы микроорганизмов до 5,4 млн КОЕ/1 г почвы, что выше контроля на 37 %. Вариант с внесением NP на планируемую урожайность 6,0 т/га зерна отличается от предыдущего незначительно.
Влияние возрастающих доз минеральных удобрений на азотный режим почвы можно установить путем сопоставления коэффициента минерализации и иммобилизации Мишустина и коэффициента олиготрофности. Расчеты показали, что в весенний период коэффициент минерализации в пахотном слое чернозема выщелоченного незначительно варьировал от 0,6 до 0,8 ед. (рис.2.4). Это указывает на процесс микробиологического поглощения минерального азота, что приводит к ухудшению азотного режима пахотных почв и является теоретическим обоснованием необходимости использования азотных удобрений в весенний период в условиях Северного Зауралья [6].


Рисунок 2.4 - Динамика коэффициента минерализации и иммобилизации Мишустина (КАА/МПА) при внесении минеральных удобрений, ед.

В период цветения на контроле коэффициент Мишустина увеличился до максимальных значений – 1,8 ед., что указывает на интенсивную минерализацию органического вещества почвы и высвобождение из него азота. При внесении минеральных удобрений коэффициент уменьшился до 1,2–1,4 ед., что на 22–33 % ниже значений контроля. Данный факт указывает на негативное воздействие минеральных удобрений на развитие бактерий и актиномицетов, минерализующих азот.
Перед уборкой урожая коэффициент мобилизации на контроле и на варианте с внесением минеральных удобрений на планируемые урожайности 3,0 и 5,0 т/га зерна был одинаковым и составил 0,9–1,0 ед., что в свою очередь свидетельствует о сбалансированности процессов минерализации и иммобилизации азота в пахотном черноземе. На варианте с максимальным уровнем минерального питания (NP на 6,0 т/га зерна) коэффициент Мишустина достиг минимальных величин – 0,5 ед., что указывает на поглощение минерального азота удобрений почвенной микрофлорой. Для Северного Зауралья это является положительным моментом, поскольку существенно уменьшается вероятность вымывания неизрасходованного минерального азота в осенний и весенний периоды.
Наиболее интересным показателем, сочетающим в себе активность микрофлоры и трансформацию почвенного органического вещества, является отношение численности микроорганизмов, развивающихся на голодном и мясо-пептонном агаре, выражаемое коэффициентом олиготрофности. Наши расчеты показали, что в весенний период микрофлора активно разрушает почвенные органические вещества на вариантах с невысокими дозами минеральных удобрений (контроль, NP на 3,0 т/га). Коэффициент олиготрофности на них составил 1,3 и 1,2 ед. соответственно (рис. 2.5). На участках, где систематически вносили высокие дозы удобрений (NP на 4,0 и 5,0 т/га), этот показатель был существенно ниже и достигал 0,8 и 0,5 ед. соответственно. Это указывает на потенциальное гумусообразование пахотного слоя чернозема при использовании высоких доз минеральных удобрений. Однако нужно учитывать, что при дефиците растительных остатков положительный баланс гумуса не будет достигнут.


Рисунок 2.5 - Коэффициент олиготрофности пахотного чернозема при внесении возрастающих доз минеральных удобрений, ед.

К моменту цветения, которое приходится на первую половину июля, коэффициент олиготрофности на контроле остается на прежнем уровне – 1,2 ед. относительно весеннего периода. Это свидетельствует о том, что процесс ми нерализации органического вещества преобладает над гумусообразованием в пахотном черноземе при отсутствии минеральных удобрений. В конце вегетации минерализация существенно возрастает, о чем свидетельствует повышение коэффициента до максимальных величин (1,6 ед.).
На варианте с внесением удобрений на планируемую урожайность 3,0 т/га зерна отношение микроорганизмов, растущих на голодном и мясопептонном агаре, в середине лета уменьшилось до 0,8 ед., что указывает на благоприятные условия для гумусообразования. При наличии достаточного количества растительных остатков можно добиться положительного баланса гумуса при систематическом внесении минеральных удобрений. К уборке на варианте с NP на 3,0 т/га азотный режим ухудшается, что приводит к резкому росту численности нитрификаторов, указывая на создание условий для активной минерализации почвенного органического вещества. Нужно отметить, что этот период достаточно короткий, поскольку почва быстро охлаждается в сентябре–октябре, тем самым существенно снижая ее биологическую активность.
Систематическое внесение высоких доз минеральных удобрений под зерновые культуры (NP на 5,0 и 6,0 т/га) привело к резкому повышению коэффициента олиготрофности до 1,4 и 1,6 ед. соответственно. Данное обстоятельство указывает на сильную минерализацию органического вещества в середине лета. Это также подтверждается исследованиями А.А. Ахтямовой, которая изучала скорость разложения соломы на этих же агрофонах [17]. В конце вегетации зерновых культур коэффициент олиготрофности снизился до 1,0 и 0,7 ед. соответственно. Это произошло за счет увеличения численности аммонификаторов (МПА) во второй половине лета, что компенсировало активность олигонитрофилов (ГА), разрушающих органическое вещество.

Заключение

Таким образом, можно сделать следующие выводы.
Внесение минеральных удобрений в дозе на планируемую урожайность 3,0 т/га зерна яровой пшеницы оказывает благотворное влияние на численность аммонификаторов в пахотном черноземе, которая возросла на 30 % относительно контроля. Использование более высоких доз минеральных удобрений угнетает микроорганизмы данной группы в первой половине вегетации яровой пшеницы. К уборке численность аммонификаторов на вариантах с высоким уровнем минерального питания возрастает относительно контроля до 6,1–10,7 млн КОЕ/1 г почвы. Это в 2–3 раза выше контроля. Высокие дозы удобрений не оказали достоверного влияния на количество нитрификаторов. Коэффициент минерализации и иммобилизации в весенний период в пахотном черноземе составил 0,6–0,8 ед., что обусловлено низкой температурой почвы в этот период. В течение вегетации на контроле коэффициент Мишустина был максимальным – 1,8 ед.
Внесение удобрений оказало благоприятное действие на процесс минерализации и иммобилизации азота в почве. На удобренных вариантах усиливается процесс иммобилизации азота, тем самым предотвращая его вымывание в осенневесенний период. Внесение невысоких доз минеральных удобрений весной не повлияло на развитие нитрифицирующих бактерий, их численность была на уровне с контролем. В период вегетации яровой пшеницы высокие дозы минеральных удобрений (NPK на 5,0 и 6,0 т/га зерна) существенно усилили процесс минерализации почвенного органического вещества относительно гумусообразования, о чем свидетельствует варьирование коэффициента олиготрофности с 0,5–0,8 до 1,2–1,6 ед. В послеуборочный период данный коэффициент снизился до первоначальных значений. Однако в условиях Западной Сибири это не может оказать положительного влияния на гумусообразование вследствие охлаждения почвы.

Список использованных источников

Безуглова О.С., Наими О.И., Полиенко Е.А., Лыхман В.А., Дубинина М.Н., Поволоцкая Ю.С., Патрикеев Е.С. ФЕРМЕНТАТИВНАЯ АКТИВНОСТЬ ЧЕРНОЗЕМА ОБЫКНОВЕННОГО ПРИ РАЗЛОЖЕНИИ СОЛОМЫ В ПОЧВЕ // Успехи современного естествознания. – 2019. – № 12-2. – С. 199-204
Миркин Б.М., Наумова Л.Г. Основы общей экологии. М.: Университетская книга. 2016. - 200 с
Новоселова Е.И., Волкова О.О. Влияние моно- и полизагрязнения тяжелыми металлами на ферментативную активность почв // Тез. Докладов VII съезда Общества почвоведов им. В.В. Докучаева. Белгород. 2016. Ч. 1. С. 193-194.
. Хазиев Ф.Х. Функциональная роль ферментов в почвенных процессах // Вестник АН РБ. 2016. Т.10. .№ 2. С. 14-24.
Chaer G.M. Fernandes M.F. Comparing the sensitivity of physical, chemical and biological properties to a gradient of induced soil degradation // 19th World Congress of Soil Science, Soil Solutions for a Changing World 2018. Р. 37-40.
Deng S. P., Tabatabai M. A. Effect of tillage and residue management on enzyme activities in soils // Biology and Fertility of Soils. 2016, V.22, №3, Р. 202-207.
IUSS Working Group WRB. 2007. World Reference Base for Soil Resources, 2006, first update 2017. World Soil Resources Reports No. 103. FAO, Rome. 116 p.
Liang S.-H. Cadmium-induced earthworm metallothionein-2 is associated with metal accumulation and counteracts oxidative stress / S-H Liang, Ssu-Ching Chen, Chien-Yen Chen, Chih-Ming Kao, Jing-Iong Yang, Bao-Sen Shieh, Jiun-Hong Chen, Chien-Cheng Chen // Pedobiologia. 2017. no. 54. pp. 333–340
Mina, B. L., Saha, S., Kumar, N., Srivastva, A. K., Gupta, H. S. Changes in Soil Nutrient Content and Enzymatic Activity under Conventional and Zero-Tillage Practices in an Indian Sandy Clay Loam Soil. - Nutr Cycl Agroecosyst. 2018: 82: Р. 273-281.
Rainbow R., Derpsch R. Advances in No-Till Farming Technologies and soil Compaction Management in Rainfed Farming Systems // Rainfed Farming Systems. London; New York: Springer, 2018. P. 991-1014.
Utobo E.B., Tewari L. Soil enzymes as bioindicators of soil ecosystem status // Applied Ecology And Environmental Research 2016. 13(1). Р. 147-169.
Vodjanickij Ju.N. Soedinenija As, Pb i Zn v zagrjaznennyh pochvah (po dannym EXAFS–spektroskopii) obzor literatury / Ju.N. Vodjanickij // Pochvovedenie. 2016. no. 6. pp. 681–691.











2



41