Плодородие – это многопараметрический показатель, количественные и качественные характеристики которого отражают особенности функционирования конкретной почвы, ее внутреннюю структуру и внешние связи. Именно поэтому совокупность корректирующих друг друга микробиологических и биохимических показателей позволяет полнее и объективнее оценить эффективность применяемых систем удобрений и обработки, экологическое состояние изучаемых агрофонов [1]. В условиях антропогенного воздействия в почвах происходит существенная перестройка не только таксономической структуры микробных ассоциаций, но и их биохимической или функциональной деятельности.
Для обеспечения рационального использования земельных ресурсов, оценки его качества необходимо создание системы микробиологического мониторинга. Особенно это важно при экологизации земледелия, связанного с переводом его на адаптивно-ландшафтную основу и формированием экологически сбалансированных ландшафтов [2, 3]. Проектирование экологически сбалансированных агроландшафтов должно проводиться с учетом нормирования антропогенных нагрузок. Следует отметить, что эта проблема актуальна, давно назрела, теоретически и практически значима, имеются определенные научные предпосылки для ее решения.
Выработать микробиологические критерии, определяющие экологическое состояние почв, очень трудно из-за гетерогенности объекта исследования, высокой динамичности биохимических процессов, неустойчивости структуры микробного сообщества, различий гидротермического режима почв. Поэтому только по совокупности микробиологических показателей, в комплексе с другими параметрами плодородия, можно диагностировать уровень окультуренности и экологическое состояние почвы [4, 5].
Для оценки биологического состояния серой лесной почвы агроландшафтов в лаборатории микробиологии Верхневолжского ФАНЦ проводятся исследования по широкому спектру показателей [6, 7].
Цель исследования. Провести мониторинг агроэкологического состояния серой лесной почвы агроландшафтов на основе микробиологических и биохимических показателей.
В качестве диагностических показателей экологического состояния серой лесной почвы мы использовали: общую численность микрофлоры, соотношение численности основных эколого-трофических групп микроорганизмов и активность почвенных ферментов.
Материалы и методы исследования
Исследования проводили в многолетнем полевом стационарном опыте на базе Владимирского научно-исследовательского института сельского хозяйства. Опыт по изучению и усовершенствованию адаптивно- ландшафтных систем земледелия заложен в 1996 г. Тип агроландшафта полевой, расположенный на плакоре со слабой (около 10) западной экспозицией склона. Микробиологические исследования проводили на фонах, представленных в табл. 1.
Таблица 1
Изучаемые варианты опыта
|
Система удобрений |
Фон интенсификации |
|||||
|
Количество удобрений, поступивших в почву за ротацию 6-польного сево- оборота, кг д.в./га |
*Н |
И |
ИМ |
ВИМ |
ИОМ |
ВИОМ |
|
Навоз 40 т/га |
Навоз 40 т/га + + N100P80K160 |
N350P220 K390 |
N480 P280 K575 |
Навоз 60 т/га + + N310 P150 K310 |
Навоз 80 т/га + + N430 P160 K360 |
|
Примечание.*Н – нулевой фон; И – интенсивный; ИМ – интенсивный минеральный; ВИМ – высокоинтенсивный минеральный; ИОМ – интенсивный органоминеральный; ВИОМ – высокоинтенсивный органоминеральный.
Органические удобрения (подстилочный навоз) вносили один раз в ротацию севооборота полной дозой в черный и занятый пар перед посевом озимой пшеницы.
Дозы удобрений на фонах интенсификации рассчитывались балансовым методом с учетом естественного плодородия на четыре уровня продуктивности сельскохозяйственных культур: низкий – 1,8–2,0 т/га з.е.; средний – 2,0–2,2 т/га з.е.; интенсивный – 2,7–4,1 т/га з.е.; высокоинтенсивный – 3,7–4,5 т/га з.е. В качестве основной обработки применялась ежегодная отвальная вспашка (ОВ) на глубину 20–22 см. Мониторинг микробиологических и биохимических показателей проводили в период с 2011 по 2018 г.
Почвенный покров опытного участка представлен серой лесной слабооподзоленной среднесуглинистой почвой. Содержание гумуса в пахотном слое (0–20 см) варьирует 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, pHkcl – от 5,9 до 6,3. Почвенные образцы отбирали в мае, июле и сентябре из слоя почвы 0–20 см.
В течение вегетационного периода лет исследования наблюдались существенные колебания погодных условий, особенно по равномерности выпадения осадков.
Количество выпавших осадков за вегетационный период лет исследования изменялось в 1,5 раза и было в диапазоне от 285 до 431 мм. Средняя величина ГТК = 1,42 и была на уровне среднемноголетней, соответствуя достаточному показателю увлажнения, что является типичным для зоны Владимирского ополья. Высоким увлажнением со значениями ГТК выше 1,7 характеризовались 2013 и 2017 гг. То есть отдельные периоды исследований характеризовались избыточным количеством осадков или их недостатком, что отражалось на влажности почвы и влияло на численность микробного пула и его биологическую активность.
Микробиологические исследования проводили согласно общепринятым в микробиологии и биохимии методикам [8, 9].
Результаты исследования и их обсуждение
Микробоценозы являются не только самой активной структурной единицей экосистемы, но и наиболее динамичной. Общая численность пула агрономически значимых эколого-трофических групп микроорганизмов в серой лесной почве рассчитывалась из суммы жизнеспособных клеток аммонификаторов, иммобилизаторов минерального азота, олигонитрофилов, микромицетов и актиномицетов, целлюлозоразлагающих микроорганизмов. На величину пула активной микрофлоры оказывали влияние меняющиеся абиотические условия лет исследования и агротехнические факторы. Однако в величине микробного пула отмечен определенный тренд. Средний пул активной микрофлоры за период наблюдений на органоминеральных фонах составил 13,6 млн КОЕ/1г почвы, а на минеральных 10,6 млн (при НСР05 = 1,1). Действие навоза в дозах 40, 60, и 80 т/га положительно влияет на развитие микробного комплекса серой лесной почвы.
В то же время существенное снижение общей численности микрофлоры наблюдается на высокоинтенсивном минеральном фоне по отвальной вспашке – 9,7 млн КОЕ/1 г почвы (рис. 1).
Рис. 1. Общая численность микрофлоры в зависимости от фонов интенсификации
Уменьшение общей численности микрофлоры при длительном использовании минеральной системы удобрений позволяет прогнозировать снижение экологической устойчивости на высокоинтенсивном минеральном фоне с использованием отвальной вспашки в качестве основной обработки.
Об этом свидетельствуют и рассчитанные микробиологические и биохимические индексы, основанные на численности аминогетеротрофной и аминоавтотрофной микрофлоры (табл. 2). На высокоинтенсивном минеральном фоне, при самом высоком коэффициенте минерализации (Кмин. = 1,40), установлены минимальные значения коэффициентов гумусонакопления (Кгн. = 0,65) и трансформации органических остатков в органическое вещество почвы (Кт. = 5,12). В почве этого варианта превалируют процессы минерализации органического вещества, что способствует снижению плодородия и экологической устойчивости агрофона.
Таблица 2
Эколого-трофические индексы трансформации органического вещества на фонах интенсификации
|
Фон интенсификации |
*К мин.: КАА МПА |
**К т.: (МПА + КАА) х МПА КАА |
**Кгн.: активность полифенолоксидазы активность пероксидазы |
|
2011–2018 гг. |
2011–2018 гг. |
2016–2018 гг. |
|
|
Нулевой |
1,18 |
10,21 |
0,60 |
|
Интенсивный |
0,99 |
10,70 |
1,07 |
|
Интенсивный минеральный |
1,21 |
7,19 |
0,74 |
|
Высокоинтенсивный минеральный |
1,40 |
5,12 |
0,65 |
|
Интенсивный органоминеральный |
1,02 |
11,19 |
0,82 |
|
Высокоинтенсивный органоминеральный |
0,94 |
13,31 |
0,78 |
Примечание. К мин. – коэффициент минерализации; Кт. – коэффициент трансформации органических остатков; К гн. – коэффициент гумусонакопления; МПА – мясопептонный агар; КАА – крахмало-аммиачный агар.
На интенсивном фоне и высокоинтенсивном органоминеральном фоне определены коэффициенты минерализации на уровне 1, что характеризует сбалансированность процессов микробиологической минерализации и синтеза органического вещества почвы. Вместе с тем на этих фонах относительно высокие значения Кт. и Кгн., что показывает характер микробиологических и биохимических процессов, направленный на синтез почвенного органического вещества.
Исходя из вышесказанного, можно заключить, что использование микробиологических индексов дает возможность оценить характер и интенсивность процессов трансформации и превращения органических веществ в почве агроландшафтов и выявить наиболее выраженные зоны риска в экологическом состоянии и плодородии серой лесной почвы.
В качестве диагностического показателя мы использовали ферментативную активность почвы. Исследовали активность окислительно-восстановительных (каталазы, полифенолоксидазы, пероксидазы) и гидролитических (инвертазы, уреазы, фосфатазы) ферментов. Активность изученных ферментов выражена в разных единицах и представлена количеством превращенного субстрата за единицу времени.
Для анализа и сравнения подобных экспериментальных данных мы использовали метод Дж. Ацци [10], который позволяет выразить изучаемые характеристики в относительных единицах ( %) по отношению к контролю (почве залежи).
Установлено, что средний показатель ферментативной активности изучаемых агрофонов превышает или находится на уровне почвы природных аналогов (рис. 2). То есть агрогенная нагрузка, в рамках проводимых исследований, не оказала отрицательного воздействия на общий уровень ферментативной системы серой лесной почвы.
Рис. 2. Ферментативная активность ( %) серой лесной среднесуглинистой почвы в зависимости от фона интенсификации
Однако на высокоинтенсивном минеральном фоне наблюдалось снижение активности группы окислительно-восстановительных ферментов, особенно полифенолоксидазы, на 37 % по сравнению с залежью. Это свидетельствует о замедлении процессов синтеза гумусовой фракции органического вещества на этом фоне относительно природных аналогов и других агрофонов. Противоположная закономерность выявлена на интенсивном фоне и высокоинтенсивном органоминеральном фоне, где процент активности полифенолоксидазы на 42 % выше, чем в почве залежи. Возрастание активности этого фермента характеризует усиление процессов микробиологического синтеза гумусовых соединений в почве этих вариантов.
Сравнительный анализ показал, что самые высокие показатели ферментативной активности (119 %) сформировались в почве интенсивного фона при использовании раз за ротацию севооборота навоза в дозе 40 т/га на фоне ежегодного внесения средних доз минеральных удобрений (NPK)45-60.
На этом варианте активность изучаемых ферментов выше или находится на одном уровне с природными экосистемами. Близкие значения ферментативной активности получены на интенсивном органоминеральном и высокоинтенсивном органоминеральном фоне – 111 и 108 % соответственно.
Следовательно, внесение навоза в дозе 40, 60 и 80 т/га на фоне ежегодного применения минеральных удобрений позволяет повысить общий ферментативный потенциал серой лесной почвы относительно природных аналогов и других фонов интенсификации.
Заключение
Таким образом, анализ данных микробиологического и биохимического мониторинга экологического состояния серых лесных почв агроландшафтов показывает, что наиболее обоснованной является органоминеральная система удобрений. Ответные реакции микроорганизмов на длительное применение высоких доз минеральных удобрений позволили выявить наиболее нарушенную экологическую зону, которая складывается на высокоинтенсивном минеральном фоне. Уменьшение общей численности микрофлоры, изменения в таксономической структуре микробных ассоциаций, их биохимической и функциональной деятельности, при длительном использовании минеральной системы удобрений, позволяет прогнозировать снижение экологической устойчивости на минеральных фонах интенсификации по сравнению с органоминеральными фонами.
Библиографическая ссылка
Зинченко М.К., Зинченко С.И. МОНИТОРИНГ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ АГРОФОНОВ СЕРОЙ ЛЕСНОЙ ПОЧВЫ ПО СОВОКУПНОСТИ МИКРОБИОЛОГИЧЕСКИХ И БИОХИМИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ // Успехи современного естествознания. – 2019. – № 4. – С. 14-19;URL: https://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=37101 (дата обращения: 23.11.2024).