Влияние разных видов органических удобрений на агрохимическое и микробиологическое состояние дерново-подзолистой почвы в агроценозе

В связи с ухудшением экологической ситуации во многих агропромышленных районах России, которое привело к снижению общих запасов гумуса в почве, важно совершенствовать агрохимические исследования: от теоретических вопросов питания растений и воспроизводства плодородия почвы до оптимизации всех параметров и условий более эффективного использования удобрений и различных мелиорантов в системе других агроприемов [Минеев, 1990]. С экологическими проблемами тесно связаны и вопросы биологизации в агрохимии, которые должны рассматриваться с одной стороны в системе максимального использования биологических средств для регулирования плодородия почв и питания растений, а с другой стороны — оценки использования различных видов удобрений и мелиорантов по комплексу биологических показателей [Совершенствование методологии агрохимических исследований, 1997].

Определено, что живая масса бактерий, грибов, актиномицет и водорослейсоставляет свыше десяти тонн в пахотном слое одного гектара плодородных, хорошо окультуренных почв. Все это население почвы проводит огромную работу, перерабатывая большое количество различных веществ — минеральных и органических, трансформируя растительные и животные остатки, участвуя в превращениях продуктов их распада. Микроорганизмы в процессе своей жизнедеятельности синтезируют и выделяют в окружающую среду различные продукты метаболизма (органические кислоты, витамины, регуляторы роста, неорганические анионы) и, входя в состав почвы, создают ее плодородие [Виноградский, 1952].

Актуальность исследования.

Известно, что длительное внесение органических удобрений может интенсифицировать микробную минерализацию автохтонного органического вещества почв [Мишустин, 1974], которая, в свою очередь, приводит к снижению их плодородия. В настоящее время накоплено большое количество данных о численности микроорганизмов в почвах разных типов, их сукцессии, специфике влияния отдельных сельскохозяйственных культур на структуру микробного сообщества [Звягинцев, 2001; Тихонович, 2000; Добровольская, 2002 и др.]. В ряде случаев на этой основе удается описать направленность важнейших микробиологических процессов в почвах, таких как превращение соединений азота, фосфора, трансформации органического вещества и соответствующие изменения содержания гумуса в почве и т. д. [Тихонович, 2001].

Однако научное обоснование внесения доз и видов органических удобрений для поддержания оптимального баланса гумуса с учетом структурно-функциональной перестройки микробного сообщества почв агроэкосистем остается весьма актуальной, так как на современном уровне микробиологического знания стало ясно, что многие виды микроорганизмов не выделяются в чистом виде из-за тесных трофических взаимосвязей. Это делает невозможным их выделение и таксономическое описание. Особое затруднение представляет работа с анаэробными видами микроорганизмов, в то время как значение этой группы микробов в агроценозе велико [Емцев, 1984]. Наряду с традиционными посевами на питательные среды, в таких исследованиях помогают молекулярные методы, в частности, метод газовой хроматографии-масс-спектрометрии (ГХ-МС), позволяющий определять без традиционного микробиологического выращивания состав и структуру агромикробоценозов. Экспресс диагностика таких биологических характеристик дает представление о механизмах биоминерализации органического вещества почв, что позволяет контролировать и регулировать этот процесс.

Целью данной работы стало определение влияния разных видов органических удобрений (навоза, сидератов, соломы) на агрохимическое и микробиологическое состояние дерново-подзолистой почвы в агроценозе для выявления наиболее тесно связанных с его продуктивностью интегральных микробиологических показателей.

В связи с целью исследований решали следующие задачи:

1. Рассмотреть взаимосвязь изменения агрохимических свойств и продуктивности дерново-подзолистой супесчаной почвы с низким (0,8%) и высоким (3,2%) содержанием гумуса.

2. Определить влияние различных органических удобрений (навоза, соломы, сидератов) на фоне минеральных, на численность, состав и структуру микробного сообщества дерново-подзолистой почвы, изученных традиционными микробиологическими методами и молекулярным методом газовой хроматографии — масс-спектрометрии (ГХ-МС).

3. Выделить доминантные ассоциации микроорганизмов при разной органоминеральной нагрузке дерново-подзолистой почвы и определить некоторые микробиологические показатели состояния почв в агроценозе.

4. Изучить возможность применения сидератов для улучшения биологического состояния дерново-подзолистой почвы и качества растительной продукции после длительного внесения осадков сточных вод (ОСВ).

Научная новизна работы.

Впервые получены экспериментальные данные о влиянии различных органических удобрений (навоза, сидератов, соломы) при их длительном систематическом применении на агрохимические и микробиологические компоненты агроценоза в связи с его продуктивностью. Использование молекулярного метода исследования микробных сообществ ГХ-МС позволило дать комплексную оценку вклада доминантных микроорганизмов и структурно-функциональных групп микробоценозов в трансформацию органического вещества почвы и ее продуктивность.

Определены коррелятивные зависимости основных агрохимических характеристик и продуктивности дерново-подзолистой почвы с выделенными структурными группами микробных сообществ в агроценозе.

Практическая значимость работы.

Полученные данные могут быть использованы для оптимизации доз и видов органических удобрений при внесении их совместно с минеральными удобрениями на дерново-подзолистых почвах с учетом регуляции микробиологической активности почв, сохраняя, тем самым, естественное плодородие агроценоза и улучшая условия питания и роста растений. Апробация работы.

Основные положения и результаты работы были доложены и обсуждены на следующих Международных, Всероссийских, региональных и областных симпозиумах и конференциях:

— Всероссийская конференция «Сельскохозяйственная микробиология в XIXXXI веках», 2001 г., Павловск;

— Международная конференция «11th Nitrogen Workshop «, 2001 г., Реймс, Франции;

— Международная научная конференция «Биологические ресурсы и устойчивое развитие», 2001 г., Пущино;

— Международная конференция «Xth International Congress of Bacteriology and Applied Microbiology», 2002 г, Париж, Франция;

— Всероссийская научно-практическая конференция «Физиология растений и экология на рубеже веков», 2003 г., Ярославль;

— Симпозиум ВНИПТИХИМ «Последействие удобрений и его прогнозирование», 2003 г., Немчиновка;

— На заседании кафедры агрохимии факультета почвоведения МГУ, 2004 г.

По теме диссертации были опубликованы следующие статьи и тезисы докладов:

1. Верховцева Н. В., Лукин С. М., Пашкевич Е. Б. Флесс Н.А. Состав микробного сообщества дерново-подзолистой супесчаной почвы при применении разных видов органических удобрений // Всероссийская конференция «Сельскохозяйственная микробиология в XIX — XXI веках», 14−19 июня 2001 г., С 20.

2. Pashkevich Е. Verkhovtseva N., Osipov G., Fleuss N., Lee V., Lukin S. Taxonomic and ecologo-trophical structure of microbial cenosis in agroecosystems with different organic fertilizes. // 11th Nitrogen Workshop, book of Abstracts, 9−12 September, 2001, Reims, France, P. 177−179.

3. Верховцева H.B., Осипов Г. А., Пашкевич Е. Б. Кузьмина Н.В. Значение анаэробной составляющей микробного сообщества почв в устойчивом функционировании агроэкосистем // Материалы Международной научной конференции Биологические ресурсы и устойчивое развитие, Россия, Пущино, Московской обл., 29 октября — 2 ноября 2001 г., изд. НИА — Природа, Пущино, 2001. С. 38.

4. Верховцева Н. В., Пяппгеттч F. К Осипов Г. А., Флесс Н. А., Минеев В. Г. Изменение состава микробного сообщества дерново-подзолистой супесчаной почвы при внесении сидератов и соломы в качестве органических удобрений // Доклады Российской академии с/х наук. — 2002 — № 5. — С 25−28.

5. Pashkevich Е. Verkhovtseva N., Osipov G., Kuzmina N. Composition and ecologo-trophical structure of microbial communities in the soil as affected by the plants of lettuce // Xth International Congress of Bacteriology and Applied Microbiology, Abstracts, Paris, 27th July to 1th august, 2002, P. 179.

6. Fleuss N., Verkhovtseva N., Pashkevich E. Osipov G., Lukin S. The soil rit microbiota in agroecosystem with application of a mineral fertilizers. // X International Congress of Bacteriology and Applied Microbiology, Abstracts, Paris, 27th July to 1th august, 2002, P. 183.

7. Пашкевич Е. Б. Верховцева H.B., Егорова E.B., Кузьмина Н. В. Сравнение структуры микробного сообщества в ризосфере викоовсяной смеси, ячменя и кукурузы на фоне минеральных удобрений. // Материалы конференции «Физиология растений и экология на рубеже веков», Ярославль, 2003, С. 168 171.

8. Верховцева Н. В. Пашкевич Е.Б. Карпова Е. А., Касатиков В. А., Лукин С. М. Применение сидератов для улучшения биологической активности почвы после длительного применения осадков сточных вод // В кн.: Агрохимия в высших заведениях России: Сб. научных трудов / Отв. ред. В. Г. Минеев. М., Изд-во МГУ, 2004.-С. 305−312.

9. Е.В. Pashkevich. N.V. Kuzmina, N.V. Verkhovtseva. Strategy of microbic community formation in soil depending on an agricultural culture in crop rotation. // Conference «Eurosoil 2004», 4th to 12th September, Freiburg, Germany, 2004, Abstracts, P. 432−433.

10 ТТйппсевич Е. Б. Верховцева H.B. Взаимосвязь агрохимических и микробиологических показателей дерново-подзолистой супесчаной почвы при применении минеральных и органических удобрений // Плодородие. — 2004. -№ 6. -С.21−22.

Выводы.

1. Значительное (четырехкратное) увеличение гумуса в дерново-подзолистой супесчаной почве за счет длительного внесения больших доз навоза КРС, повышает содержание доступных растениям форм питательных элементов и относится к хорошо обеспеченным этими элементами почвам, но это не дало достоверной адекватной прибавки урожая викоовсяной смеси и ячменя. Только для кукурузы показано повышение урожая на богатой почве (содержание гумуса 3,2%) по сравнению с бедной (0,8% гумуса) на 150%, что связано, по-видимому, с разложением гумуса для обеспечения растений питательными элементами. Это подтверждает отрицательная корреляционная зависимость между урожаем кукурузы на богатой почве и содержанием в ней гумуса (г = -0,86).

2. Внесение органических удобрений (навоза, сидератов и соломы) способствует повышению урожая всех культур севооборота. Максимальная прибавка для урожая викоовсяной смеси составляла 100% при применении сидератов, урожая ячменя — 200% при внесении навоза и соломы, для кукурузы — 440% в варианте с навозом.

3.Для викоовсяной смеси и ячменя достоверных отличий между вариантами с внесением разных видов органических удобрений отмечено не было. Для кукурузы показано достоверное увеличение урожая при внесении навоза (70 100% на бедной и богатой почве, соответственно) при сравнении с соломой и сидератами.

4. При изучении влияния органических удобрений в агроценозе на состав некоторых физиологических групп микроорганизмов цикла углерода (целлюлозоразрушающие анаэробные и аэробные микроорганизмы) и азота (аммонификаторы, автотрофные нитрификаторы, автохтонные микроорганизмы, использующие минеральные формы азота, азотфиксирующие аэробы и анаэробы), определенные традиционными методами посева на стандартные среды, показано, что только численность микроорганизмов (КОЕ), вырастающих на нитритном агаре (автотрофные нитрификаторы), может стать универсальной характеристикой состояния продуктивности почв. Отмечена положительная корреляция между нитрификаторами и урожаем викоовсяной смеси и ячменя, и отрицательная — с урожаем кукурузы, что связано с разным типом фотосинтеза этих культур.

5. Показатель численности микроорганизмов (N), использующих минеральный азот и сложные полисахариды как источник углерода (рост на КАЛ), а также органический азот и легко доступные источники органического вещества (рост на РПА) исследуемые почвы агроценоза можно расположить в следующий ряд: Nkaa, рпа после викоовсяной смеси > Nkaa, рпа после кукурузы > Nkaa, рпа после ячменя.

6. Численность микроорганизмов, определенная методом ГХ — МС, также убывает в ряду: N викоовсяная смесь > N кукуруза > N ячмень. Численность микроорганизмов положительно коррелирует с урожаем викоовсяной смеси на бедной (г = + 0,87) и отрицательно (г = - 0,5) на богатой почве, отрицательно — с урожаем ячменя на двух уровнях гумусированности почвы (г — - 0,83 и г = -0,99, соответственно) и положительно — с урожаем кукурузы (г = + 0,77 и г = + 0,78, соответственно). Показанные зависимости подтверждают определяющее значение культуры севооборота на микробоценоз почвы.

7. Корреляционный анализ зависимости урожая от структуры микробного сообщества, определенной методом ГХ-МС, показал положительную корреляцию между этим показателем и процентным содержанием актиномицет после уборки викоовсяной смеси (на бедной почве) и ячменя (на бедной и богатой почве). Для урожая этих культур также показана отрицательная корреляция от количества грибов в структуре микробного сообщества. После уборки кукурузы корреляционные зависимости величины урожая от содержания актиномицет и грибов на бедной почве меняются на противоположные, что связано с конкурирующими взаимоотношениями этих групп микроорганизмов в доминирующей ассоциации. Существенных общих корреляционных зависимостей между численностью аэробных и анаэробных бактерий и агрохимическими характеристиками не было показано.

8. В почве под культурами севооборота изменяются доминанты микробного сообщества в зависимости от особенностей растений: после викоовсяной смеси доминирует анаэробный Clostridium sp., после ячменя — аэробная бактерия Arthrobacter globiformis и Fungi, после кукурузы — Fungi и аэробный актиномицет Rhodococcus sp., что характеризует анаэробную или аэробную направленность микробиологических процессов в почвах, которая отражается на содержании гумуса в почве и продуктивности агроэкосистем.

9. Применение сидератов (Lupinus sp.) после длительного внесения ОСВ, является мелиорирующим приемом, снижающим концентрацию ТМ (меди) в почве ниже уровня ПДК.