Утилизация отходов растениеводства, ежегодное производство которых в Росси составляет 100-120 млн т, в настоящее время является одной из актуальных экологических проблем. Одним из самых целесообразных способов их использования является заделка в почву без удаления с поля в целях воспроизводства органического вещества и сохранения функциональных свойств почв в агроценозах [4]. Однако послеуборочные растительные остатки зерновых культур разлагаются довольно медленно из-за высокого содержания лигнина и целлюлозы и низкого содержания азота, что может приводить к снижению урожайности удобряемых культур. Одним из способов ускорения разложения и повышения коэффициента гумификации стерни и соломы, который получает распространение в последние годы в практике АПК, может являться обработка их микробиологическими препаратами-модификаторами. При этом обеспечивается интродукция высокоэффективных штаммов и консорциумов микроорганизмов-деструкторов непосредственно на солому и в дальнейшем – в почву. В последние годы рынок микробиологических препаратов значительно расширился, различными фирмами-производителями предлагаются различные биопрепараты, изготовленные на основе консорциумов микроорганизмов с высокой ферментативной активностью. Однако по большей части применяют их в сельскохозяйственном производстве без достаточного научного обоснования.
В ряде отечественных и зарубежных исследованиях установлено, что применение биопрепаратов позволяет ускорить процессы минерализации и гумификации соломы в почве [1-3, 5-7, 9]. По мнению van Veen et al (1997), конкуренция с сообществом аборигенной микрофлоры, а также буферность почвенной экосистемы по отношению к внедряемым модификаторам, является основным ограничивающим фактором получения стойкого положительного эффекта от их применения (цит. по [8]).
Данные экспериментальных исследований по оценке эффективности инокуляции пожнивных остатков биопрепаратами, полученные к настоящему времени российскими учеными, немногочисленны и нуждаются в уточнении и подтверждении результатами дополнительных исследований.
Цель исследований – изучить влияние биопрепаратов-деструкторов и добавок минерального азота на процессы разложения соломы озимой пшеницы в дерново-подзолистой супесчаной почве.
Материалы и методы исследования
Исследования проводили в лабораторном инкубационном опыте в дерново-подзолистой супесчаной почве. Основным объектом исследований являлся микробиологический препарат на основе культур микроорганизмов-деструкторов целлюлозо- и лигнинсодержащих растительных отходов с рабочим названием Баркон (разработчик ФГБНУ ВНИИСХМ). В качестве эталона сравнения было выбрано микробиологическое удобрение Байкал-ЭМ1, имеющее государственную регистрацию (Государственный каталог пестицидов и агрохимикатов, разрешенных к применению на территории Российской Федерации, 2013 г.). Схема опыта включала следующие варианты: 1. Почва (П); 2. П + Солома (С); 3. П + С + N; 4. П + С + Баркон (Б1); 5. П + С + Б1 + N; 6. П + С + Байкал-ЭМ1 (Б2); 7. П + С + Б2 + N. Измельченную (до 0,5 см) солому озимой пшеницы (C:N=70) вносили в дозе 0,33 г/100 г почвы (132 мг С/100 г почвы), что соответствует 10 т/га. Биопрепараты для инокулирования соломы применяли в дозах, рекомендованных разработчиком. Для создания более благоприятных условий жизнедеятельности микроорганизмов в почву добавляли минеральный азот в форме водного раствора NH4NO3 из расчета 10 кг N на 1 т соломы. Почву инкубировали в полиэтиленовых контейнерах, в контролируемых условиях температуры (22-24 °С) и влажности почвы (13 %). Продолжительность опыта – 270 суток. Для оценки влияния биопрепаратов и азота на разложение соломы определяли в динамике: эмиссию CO2 – абсорбционным методом, ежедневно в течение первых 7 суток, 1 раз в 7-10 дней в последующий период; содержание микробной биомассы (Смик) – методом регидратации – экстракции; содержание неразложившихся растительных остатков в почве- отмыванием на сите 0,25 мм с последующим высушиванием и взвешиванием. Кумулятивное количество продуцированного за 93 суток углерода рассчитывали суммированием суточных значений его эмиссии. Степень минерализации соломы определяли как процентное соотношение выделившегося за 93 суток С-СО2 к его общему количеству, внесенному с соломой.
Результаты исследования и их обсуждение
Интегральным показателем, наиболее полно отражающим интенсивность минерализации органического вещества в почве, является эмиссия углекислоты. Согласно полученным данным, минимальная скорость выделения С-СО2 в течение периода наблюдений (93 сут.) – от 1,13 до 0,14 мг С-СО2/100 г почвы – регистрировалась в контрольном варианте без добавок соломы и биопрепаратов. Внесение соломы озимой пшеницы значительно активизировало метаболическую активность микрофлоры и в 2,6-1,6 раза ускорило процессы минерализации углерода, особенно заметно в первые 7 суток. Растительные материалы, характеризующиеся высоким отношением C:N, не обеспечивают достаточного количества азота для метаболизма микроорганизмов при их высокой активности. Поэтому добавление азота к соломе увеличивало скорость выделения С-СО2 на 60-11 %, в сравнении с вариантом без азота. Действие добавок нитрата аммония на минерализацию соломы и эмиссию углекислого газа было особенно заметно в период с 3 по 28 сутки разложения, постепенно снижаясь в дальнейшем, видимо, за счет биологической иммобилизации внесенного минерального азота и исчерпания его доступных форм (рис. 1).
Инокулирование соломы биопрепаратами Баркон и Байкал-ЭМ 1 по интенсивности воздействия на скорость ее разложения было несколько выше эффективности минерального азота. Максимальные величины скорости минерализации соломы – 2,26 – 4,02 мг С-СО2/100 г почвы – отмечены в вариантах, где инокуляция соломы биопрепаратами сочеталась с внесением минерального азота. Следует отметить, что при близкой эффективности этих препаратов без добавления азота, Байкал-ЭМ1 оказал более заметное влияние на минерализационные процессы разложения соломы при добавлении нитрата аммония. Максимальные различия между вариантами отмечены в первые несколько суток, в дальнейшем эти различия постепенно нивелировались, и после 3-месячной инкубации разница была несущественной. Как свидетельствуют данные исследований [10], значительное усиление минерализации пшеничной соломы при внесении целлюлозоразлагающей микробной системы также отмечено лишь на ранней стадии инкубации (1-2 недели), в дальнейшем производительность и выживаемость микроорганизмов-модификаторов резко падает.
Всего за 93 суток компостирования размеры кумулятивной эмиссии углекислоты в контрольном варианте опыта составили 30,5 мг С-СО2/100 г. Внесение соломы значительно усилило дыхание почвы и увеличило суммарное количество выделившегося углерода в 1,9 раза – до 57,7 мг С-СО2/100 г почвы (рис. 2). За счет разложения органического вещества соломы выделилось 27,2 мг/100 г углерода, или 20,6 % от внесенного (табл. 1). Инокулирование соломы биопрепаратами Баркон и Байкал-ЭМ1 увеличило суммарные размеры минерализации углерода на 32 и 64 %, соответственно.
Минерализация органического вещества почв и соломы за 93 суток инкубации
|
Вариант |
Кумулятивное количество С-СО2, мг/100 г почвы |
Степень минерализации соломы, % |
|
|
Всего (почва + солома) |
С-СО2 соломы |
||
|
П |
30,5 |
– |
– |
|
П + С |
57,7 |
27,2 |
20,6 |
|
П + С + N |
63,6 |
33,1 |
25,1 |
|
П + С + Б1 |
66,4 |
35,9 |
27,2 |
|
П + С + Б1 + N |
77,4 |
46,9 |
35,5 |
|
П + С + Б2 |
75 |
44,5 |
33,7 |
|
П + С + Б2 + N |
99,6 |
69,1 |
52,3 |
Примечание. Стандартное отклонение от средней величины составляло ± 8-15 %.
Рис. 1. Динамика эмиссии С-СО2 из почвы опыта
Рис. 2. Кумулятивная эмиссия С-СО2 из почвы опыта за 93 сут.
Рис. 3. Динамика содержания микробного углерода в почве
Полученные данные согласуются с результатами исследований [7] в инкубационном опыте (73 сут.), согласно которым внесение соломы в почву увеличивало эмиссию С-СО2 на 39 % по сравнению с контролем, а обработка биопрепаратом – еще на 10 %.
В целом за весь период наблюдений действие биопрепаратов было более эффективным при сочетании с минеральным азотом, его добавление способствовало увеличению эмиссии углерода и степени минерализации внесенной соломы в 1,31 и 1,55 раза в варианте с Барконом и Байкалом-ЭМ1, соответственно.
В процессе трансформации растительных остатков только часть органических соединений минерализуется до СО2, часть используется микроорганизмами для построения биомассы, в результате чего в почве увеличивается содержание микробного углерода. Согласно полученным данным, в первые 2 недели компостирования содержание Смик особенно заметно повысилось в вариантах без биопрепаратов «П + С» и «П + С + N» – со 126 до 205 и 230 мг/кг соответственно. Интродуцированным на солому и в почву микроорганизмам-деструкторам, видимо, необходим период адаптации, поэтому их активный рост начинается в более поздние сроки. Так, в данном эксперименте максимальная эффективность биопрепаратов в отношении накопления микробной биомассы отмечена на 28 и 56 сутки, когда содержание Смик при инокуляции Барконом и Байкалом было выше, чем в варианте «П+С» на 12 – 36 и 56-32 мг/кг, соответственно. Максимальные значения Смик, составившие 259 и 328 мг/кг, отмечены при сочетании биопрепаратов с минеральным азотом через 2 месяца компостирования. В дальнейшем содержание микробной биомассы во всех вариантах имело тенденцию к снижению и к 180 суткам проведения опыта различалось не существенно (рис. 3).
Увеличение содержания углерода микробной биомассы было установлено в исследованиях [9] при внесении в почву соломы, инокулированной биопрепаратом на основе культуры гриба T. reesei.
Если размеры выделения С-СО2 при разложении растительных остатков характеризуют их минерализацию, то такой показатель, как убыль массы этих остатков в пересчете на углерод представляет собой сумму минерализации и гумификации.Анализ динамики содержания (массы) неразложившихся, оставшихся в почве растительных остатков показал, что оно наиболее резко снижалось в начальный период инкубации, когда при инокуляции Барконом на 28 сутки в почве обнаружено 51,4 (без азота) и 50,5 % (с азотом), на 56 сутки – 41,4 и 37,1 %, а в варианте с внесением необработанной соломы – 68,6 % и 50 % от массы внесенной соломы, соответственно. Начиная с 4,5 мес. до окончания опыта процесс разложения внесенных растительных остатков значительно замедлился, через 9 мес. различия между вариантами с инокуляцией соломы и без нее были небольшими. Через 270 суток от начала инкубирования в почве было обнаружено от 31,7 (П + С + Б1 + N) до 38,3 % (П + С) от массы внесенной соломы.
Таким образом, в лабораторных исследованиях при оптимальных условиях влажности и температуры почвы установлено положительное влияние микробиологических препаратов Баркон и Байкал-ЭМ1 на разложение соломы озимой пшеницы: скорость минерализации, степень разложения, накопление микробной биомассы. Максимальный синергетический эффект, фиксируемый по количеству выделившегося С-СО2, а также по увеличению размеров его включения в микробную биомассу, отмечен при совместном применении биопрепаратов и минерального азота. Наибольшую эффективность все изучаемые приемы проявили в начальные сроки инкубации. Полученные результаты дают основание для продолжения экспериментальных исследований по изучению эффективности биопрепаратов в вегетационных и полевых опытах с растениями и разработки в дальнейшем приемов их применения для инокуляции соломы в целях ускорения ее разложения.