В агроценозах послеуборочные растительные остатки служат субстратом и основным энергетическим и трофическим источником для почвенной микрофлоры, поэтому являются существенным фактором, контролирующим ее деятельность в пахотных почвах. Внесение соломы и минеральных удобрений, обеспечивая дополнительное поступление свежего органического вещества и питательных элементов, в значительной степени может влиять на численность, активность, биомассу, а также структуру и соотношение эколого-трофических групп почвенных микроорганизмов. Почвенная биота очень чувствительна к антропогенным воздействиям, поэтому биологические параметры могут служить показателем состояния агроэкосистем при длительном применении удобрений и использоваться в качестве индикаторов изменений в почве [1].
В мировой науке в качестве индикаторов, отражающих уровень биологической активности и экофизиологическое состояние микробного сообщества, наиболее часто используются показатели численности эколого-трофических групп микроорганизмов, содержания микробной биомассы, а также соотношения между различными микробиологическими параметрами: коэффициенты минерализации, олиготрофности и олигонитрофильности, микробный фактор, показывающий долю углерода микробной биомассы в общем углероде почвы [2–4].
Для оценки биологических показателей немаловажно иметь ориентиры минимального и максимального их уровня, характерного для конкретных почвенно-климатических условий. Такими ориентирами и эталонами могут служить почвы бессменного пара, зональные целинные или длительно находящиеся в залежи почвы.
Цель исследований: дать оценку экологического состояния микробного сообщества пахотной дерново-подзолистой почвы после длительного внесения соломы и минеральных удобрений в сравнении с бессменным чистым паром (23 года) и 15-летней залежью.
Материалы и методы исследования
Исследования проводили в длительном полевом опыте, заложенном на дерново-подзолистой супесчаной почве на опытном поле ВНИИОУ в 1996 г., в 4-ой ротации зернопропашного севооборота (чередование культур: озимая пшеница, люпин, картофель, ячмень, однолетние травы (люпин + овес). В данной работе рассматривали наиболее контрастные варианты опыта: 1) без удобрений (контроль); 2) N54P51K57 (среднегодовые дозы) – фон; 3) фон + солома; 4) солома.
Минеральные удобрения вносили ежегодно, солому заделывали в пахотный слой осенью после уборки зерновых и зернобобовых культур (озимой пшеницы, люпина, ячменя) по 3 т/га. Всего за период проведения опыта суммарная доза соломы составила 33 т/га. Исследования проводили под культурой картофеля (2014–2015 гг.), под который была внесена солома предшествующей культуры – люпина. Опыт заложен в 2-х полях с 4-кратной повторностью в пространстве, площадь делянок 42–47 м2.
Проводили сравнение биологического состояния почвы севооборота с длительно парующей почвой и многолетней залежью с преимущественно злаковым разнотравьем, которые условно были приняты за стандарты минимальной и оптимальной биологической активности в данных почвенно-климатических условиях.
Для оценки структурного и экофизиологического состояния комплекса почвенных микроорганизмов определяли следующие показатели: численность эколого-трофических групп микроорганизмов (ЭТГМ) методом учета на соответствующих питательных средах: аммонифицирующих – на мясо-пептонном агаре (МПА), амилолитических – на крахмало-аммиачном агаре (КАА), целлюлозоразлагающих – на среде Гетчинсона, нитрифицирующих – на водном агаре с аммонийно-магниево-фосфорнокислой солью, олиготрофных – на голодном агаре (ГА); олигонитрофилов – на безазотистой среде Эшби [5]; микробную биомассу (Смик) – регидратационным методом. Рассчитывали коэффициент минерализации (Км) – как отношение численности микроорганизмов, выросших на КАА, к численности микроорганизмов на МПА (КАА/МПА); коэффициент олиготрофности – как отношение численности микроорганизмов, выросших на ГА, к численности микроорганизмов на МПА (ГА/МПА); коэффициент олигонитрофильности – как соотношение численности микроорганизмов на среде Эшби и МПА [5], микробный фактор – как Смик/Собщ [4].
Математическую обработку экспериментальных данных проводили методом дисперсионного анализа по программе STATVIUA.
Результаты исследования и их обсуждение
В состав почвенной микрофлоры входят микроорганизмы с различными требованиями к условиям питания и источникам энергии. Зимогенная микрофлора превалирует на начальных стадиях разложения органических субстратов, трансформируя сложные соединения до мономеров, которые становятся доступными для олиготрофов (олигонитрофилов и олигокарбофилов), использующих низкие концентрации питательных веществ. Количественные соотношения между ними зависят от экологических условий, в которых функционирует тот или иной микробный ценоз, главным образом от наличия доступного органического вещества.
По результатам исследований, наиболее благоприятные условия для развития зимогенной микрофлоры (гидролитиков, копиотрофов) были созданы при регулярном внесении соломы как в сочетании с минеральными удобрениями (вариант 3), так и без них (вариант 4). Так, численность аммонификаторов в этих вариантах опыта была даже выше, чем в залежи, в 1,40 и 1,37 раза соответственно. Почва пара, в которую более 20 лет не поступало органического растительного материала, характеризовалась минимальными значениями численности этой группы микроорганизмов. В пахотном слое почвы севооборота без внесения удобрений количество аммонификаторов было выше по сравнению с паром в 1,7 раза, что объясняется ежегодным поступлением корне-пожнивных остатков выращиваемых культур (табл. 1).
Таблица 1
Численность ЭТГМ и экофизиологические коэффициенты
|
Вариант |
Численность, тыс. КОЕ/г почвы |
Км |
Коэффициент олиготрофности |
Коэффициент олигонитрофильности |
|||||
|
Аммонифицирующие |
Амилолитические |
Целлюлозолитики |
Нитрификаторы |
Олиготрофы |
|||||
|
Олигонитрофилы |
Олигокарбофилы |
||||||||
|
1. Без удобрений |
5688 |
8873 |
32,2 |
5,2 |
6939 |
6600 |
1,56 |
1,16 |
1,22 |
|
2. NPK-фон |
7344 |
10486 |
36 |
6,9 |
7848 |
7564 |
1,43 |
1,03 |
1,07 |
|
3. Фон + солома |
10046 |
13786 |
67,9 |
12,1 |
9216 |
9826 |
1,37 |
0,98 |
0,92 |
|
4. Солома |
9790 |
10725 |
63 |
11,7 |
9720 |
9315 |
1,10 |
0,95 |
1,09 |
|
5. Пар |
3332 |
3668 |
22,6 |
3,7 |
4232 |
4098 |
1,10 |
1,23 |
1,27 |
|
6. Залежь |
7168 |
9781 |
52,3 |
9,1 |
12974 |
7025 |
1,36 |
0,98 |
1,81 |
|
НСР05 1256 1830 14 3,3 1524 1320 |
|||||||||
Численность амилолитических микроорганизмов также максимальной была при многократном внесении соломы в сочетании с минеральными удобрениями и составила 13876 тыс. КОЕ/г почвы, что в 1,41 раза выше, чем в залежи.
Одним из показателей интенсивности минерализационных процессов в почве может служить соотношение микроорганизмов, усваивающих минеральный и органический азот (Км). Судя по значениям Км, наименее интенсивно минерализационные процессы протекали в длительно парующей почве без поступления доступного органического субстрата, и в варианте с соломой, где в условиях регулярного поступления растительных остатков с высоким отношением C:N минерализация органического вещества заторможена из-за недостатка азота. Более высокие значения Км в агроценозе по сравнению с залежью свидетельствуют о том, что в пахотной почве минерализационные процессы протекают более активно, видимо, из-за ежегодной механической обработки почвы (вспашка, культивация), усиливающей аэробное разложение почвенного органического вещества (табл. 1).
Многократная заделка послеуборочных остатков (соломы) в течение 4-х ротаций севооборота, а также очередное внесение под картофель соломы люпина с высоким содержанием азота обеспечили увеличение численности целлюлозоразлагающих микроорганизмов в 1,96 и 1,89 раз по сравнению с неудобренным вариантом и вариантом с ежегодным внесением минеральных удобрений соответственно. В вариантах с соломой хорошо развивались нитрифицирующие бактерии, численность которых составила 11,7 и 12,1 тыс. КОЕ/г почвы, что в 1,28 и 1,33 раза выше, чем в залежи, где при отсутствии обработки почвы процессы нитрификации могут быть заторможены из-за менее благоприятных условий аэрации.
Многократная заделка соломы обеспечила самые высокие показатели численности не только зимогенной, но и олиготрофной микрофлоры, составившие 9315 – 9826 тыс. КОЕ/г почвы для олигокарбофилов, 9216–9720 тыс. КОЕ/г почвы для олигонитрофилов. Однако низкие значения коэффициентов олиготрофности – 0,95–0,98 – и олигонитрофильности – 0,92–1,09 – в вариантах с соломой свидетельствуют о превалировании зимогенной микрофлоры при достаточном количестве легкоразлагаемых органических веществ, что характерно также и для залежной почвы. Наиболее высокие коэффициенты олиготрофности – в почве пара и варианта без удобрений, которые испытывают дефицит свежего органического вещества – 1,23 и 1,16 соответственно (табл. 1).
Ежегодное внесение минеральных удобрений, создающее более благоприятные условия азотного питания для микроорганизмов, незначительно увеличило абсолютное количество олигонитрофилов по сравнению с контролем, но при этом коэффициент олигонитрофильности снижался. Наиболее низкие значения этого коэффициента – в вариантах с соломой и минеральными удобрениями. Почва залежи характеризовалась максимальной численностью олигонитрофилов, составившей 12974 тыс. КОЕ/г почвы, что может свидетельствовать о значительном присутствии несимбиотических азотфиксаторов, так как многие олигонитрофилы обладают способностью связывать молекулярный азот. Высокий коэффициент олигонитрофильности – 1,81 – показывает, что экосистема залежи наиболее приближена к равновесному состоянию.
Почвенная микробная биомасса это часть органического вещества почвы, состоящая из живых микроорганизмов. При относительно невысокой доле Смик в общем содержании почвенного органического углерода (1–6 %), микробная биомасса характеризуется быстрым ростом и оборачиваемостью, активным участием в биологическом круговороте, высокой чувствительностью к антропогенным воздействиям (изменению землепользования, внесению удобрений и др.) [6–8]. В сельскохозяйственных почвах большое влияние на запасы и активность микробиомассы оказывают способы управления, в том числе количество и качество поступающего в почву органического вещества [7, 8]. Почвы пашни, как правило, обеднены микробной биомассой по сравнению с естественными экосистемами и залежами по причине отчуждения части фитомассы [6]. Как правило, существует достаточно близкая линейная зависимость между микробной биомассой и содержанием органического вещества. В почвах с большим ежегодным поступлением растительного материала формируется больше микробной биомассы на единицу органического вещества [9]. В полевом опыте наиболее высокое значение Смик, составившее 410 мг/кг почвы, отмечено при многократном применении соломы на фоне минеральных удобрений. В литературе имеется достаточно много доказательств роста Смик при использовании соломы на удобрение, в то время как минеральные удобрения, как правило, не оказывают заметного положительного влияния на величину микробной биомассы, некоторое повышение может происходить за счет увеличения массы корне-пожнивных остатков [10].
Согласно полученным результатам, минимальным содержанием Смик было в длительно парующей почве – 148 мг/кг почвы (в 2,3 раза меньше, чем в варианте без удобрений), максимальным в залежи – 650 мг/кг почвы (табл. 2). Исследуемые почвенные экосистемы различались по содержанию органического углерода, которое было минимальным в бессменном пару – 0,295 %, максимальным в залежи – 0,849 %. Варианты опыта занимали промежуточное положение, содержание Сорг в пахотном слое увеличивалось с 0,463 % в варианте без удобрений, до 0,545–0,568 % при многолетнем внесении соломы. Содержание Смик тесно коррелировало с содержанием почвенного органического углерода, значение коэффициента корреляции составило 0,99.
Таблица 2
Содержание микробной биомассы и микробный фактор
|
Вариант |
Смик, мг/кг |
Cмик/Сорг |
|
1. Без удобрений |
316 ± 24 |
6,83 |
|
2. NPK-фон |
337 ± 35 |
6,53 |
|
3. Фон + солома |
410 ± 31 |
7,22 |
|
4. Солома |
377 ± 17 |
6,92 |
|
5. Пар |
148 ± 12 |
5,02 |
|
6. Залежь |
650 ± 66 |
7,66 |
Примечание. В таблице приведены средние величины показателей и их стандартные отклонения ( ± ).
Доля углерода микробной биомассы в общем содержании органического углерода, или микробный фактор (Смик/Сорг), рассматривается как индикатор доступности субстрата для почвенных микроорганизмов. Повышение его значения указывает на закрепление углерода в микробной биомассе.
В данном исследовании многократное внесение соломы способствовало обогащенности почвенного органического вещества микробным углеродом и увеличению доли Смик в Сорг до 6,92–7,22 % (табл. 2). При смене землепользования и переводе пахотной почвы в залежь увеличилось как содержание Смик – до 650 мг/кг, так и доля его в составе почвенного углерода – до 7,66 %. Доля микробной биомассы в составе гумуса уменьшалась в ряду: залежь – фон + солома – солома – без удобрений – минеральные удобрения – пар. В научной литературе подтверждается, что в почвах с более высоким ежегодным поступлением растительного материала формируется больше микробной биомассы на единицу органического вещества [9]. Этот экофизиологический коэффициент (Смик/Сорг) обычно связывают с устойчивостью микробного сообщества и почвы в целом. На примере исследованного ряда отчетливо видно, что устойчивость комплекса почвенных микроорганизмов возрастает с увеличением входа органического вещества. В научной литературе также подтверждается, что увеличение входа органического вещества способствует увеличению этого коэффициента [9, 10].
Заключение
Проведенное исследование позволило установить, что регулярная заделка соломы способствовала увеличению численности не только зимогенной, но и олиготрофной группы почвенных микроорганизмов, однако коэффициенты олиготрофности и олигонитрофильности в этих вариантах были ниже за счет относительно более высокой численности микроорганизмов-копиотрофов, активно растущих при обогащении почвы доступным органическим веществом. Высокие показатели численности микроорганизмов, использующих минеральные формы азота (на ср. КАА), и коэффициента минерализации при ежегодном внесении минеральных удобрений могут свидетельствовать о превалировании минерализационных процессов над аккумулятивными, что не способствует закреплению органического вещества в почве. Залежь по сравнению с пахотной почвой представляет более устойчивую систему, микробное сообщество которой эффективнее расходует органическое вещество, в большей степени секвестирует его в микробной биомассе, что способствует его сохранению в почве. Длительно парующая почва, находясь в условиях ограниченности ресурсов для роста микроорганизмов, представляет в микробиологическом отношении олиготрофную экосистему с низкими значениями всех измеренных биологических показателей. В севообороте наиболее благоприятные условия для микробного сообщества, способствующие повышению его устойчивости и накоплению органического вещества, складываются при систематической заделке соломы зерновых и зернобобовых культур на фоне ежегодного внесения средних доз минеральных удобрений.