Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

БИОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЧЕРНОЗЕМА ВЫЩЕЛОЧЕННОГО ПРИ МНОГОЛЕТНЕЙ МИНИМИЗАЦИИ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

ВАК РФ 03.00.27, Почвоведение

Автореферат диссертации по теме "БИОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЧЕРНОЗЕМА ВЫЩЕЛОЧЕННОГО ПРИ МНОГОЛЕТНЕЙ МИНИМИЗАЦИИ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ"



На правах рукописи

Данилова Альбина Афанасьевна

Биологические свойства чернозема выщелоченного при многолетней минимизации механической

обработки

Специальность 03.00.27 — почвоведение

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора биологических наук

Москва - 2007

Работа выполнена в лаборатории плодородия почв Государственного научного учреждения Сибирский научно-исследовательский институт земледелия и химизации сельского хозяйства Сибирского отделения Российской академии сельскохозяйственных наук (ГНУ СибНИИЗХим СО РАСХН)

Научный консультант.

Официальные оппоненты

академик РАСХН,

доктор биологических наук,

профессор Валерий Иванович Кирюшин

доктор биологических наук, профессор Лев Оскарович Карпачевский

доктор сельскохозяйственных наук, профессор Борис Маратович Когут

Ведущая организация

доктор сельскохозяйственных наук, профессор Иван Григорьевич Платонов

Институт почвоведения и агрохимии СО РАН

Защита состоится «19 » марта 2007 г. в 14 ч 30 мин часов на заседании Диссертационного Совета Д 220 043 02 при Российском государственном аграрном университете — МСХА имени К А. Тимирязева по адресу 127550 г Москва, Тимирязевская ул, д 49

Ученый совет РГАУ-МСХА имени К А. Тимирязева

С диссертацией можно ознакомиться в ЦНБ РГАУ - МСХА имени К А Тимирязева

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, про< ба присылать по вышеуказанному адресу ученому секретарю Совета

Автореферат разослан <к9» февраля 2007 г

и помещен на сайте ВАКа www.Vak ed gov ru

Ученый секретарь

Диссертационного Совета В В Говорина

Актуальность темы. Нарастание угрозы глобальной экологической катастрофы к концу XX века побудило исследователей к поиску путей гармонизации отношений общества и природы. Шагом к решению проблемы в области сельскохозяйственного производства является процесс приведения земледельческой практики в соответствие с экологическими законами.

Одним из инструментов этого процесса является регулирование интенсивности механического воздействия на почву. При всей своей неоднозначности различные приемы сокращения интенсивности механической обработки почвы осваиваются и внедряются практически во всех регионах мира вследствие следующих основных преимуществ в сравнении с традиционной вспашкой: энерго-ресурсосбережение; защита почв от эрозии; улучшение водного режима; снижение темпов минерализации органического вещества почвы; сокращение потерь минерального азота; улучшение сложения почвы. В то же время эти способы почвообработки имеют ряд недостатков и ограничений: ухудшение фитосанитарной ситуации обусловливает необходимость применения комплекса пестицидов; усиливаются дефицит минерального азота и дифференциация пахотного слоя; возникают сложности при внесении удобрений и мелиорантов; имеются ограничения при повышенном увлажнении, солонцеватости и переуплотнении почв.

■ В последние десятилетия различные способы минимизации механической обработки почвы постепенно распространяются с засушливых территорий в районы с умеренным климатом. В этих условиях теряются некоторые преимущества этих систем обработки, отмечаемые в более южной зоне. В частности, ухудшение фитосанитарной ситуации в агроценозе, усиление дефицита азота в почве могут привести к утере основной характеристики почвозащитных технологий как энерго - ресурсосберегающих. Между тем, прежде всего, в целях ограничения эрозионных потерь почвы применение данных технологий в умеренной зоне неизбежно расширяется.

К настоящему времени в основном разработаны технологические проблемы минимизации механической обработки: приемы механического воздействия на почву, система удобрения культур, защиты растений и др. При этом остается слабо изученной почвенно-микробиологическая составляющая почвозащитной системы земледелия (особенно для почв умеренной зоны). Между тем именно почвенный микробный комплекс является не только фактором круговорота веществ в агроценозе, но и естественным барьером на пути попадания токсикантов в пищевые цепи. Последнее приобретает особое значение в условиях минимизации механической обработки почвы, невозможной без применения пестицидов.

Цель работы заключалась в разработке следующих почвенно-микробиологических проблем почвозащитного земледелия применительно условиям северной лесостепи: 1. Особенностей и агрохимических последствий дифференциации пахотного слоя почвы по микробиологическим показателям

ташки. 2. Особенностей и

снижейИЛ "темпов минерализационных потерь ¡шдшнерал»ного азота. 3. Экотоксиколошческих

последствий применения комплекса пестицидов, регулирующих

фнтосанитарное состояние агроаеноза Задачи исследования:

1 Определить количественные и качественные изменения в органическом веществе выщелоченного чернозема в зависимости от способа механической обработки

2 Провести комплексную оценку изменения биотогической активности почвы при многолетней минимизации основной обработки

3 Изучить динамику минерального азота в корнеобитаемом стое почвы

4 Исследовать влияние многолетнего применения комплекса пестицидов при минимизации механической обработки на живую фазу почвы

5 Дать сравнительную характеристику процессов, протекающих в почве при сокращении интенсивности механической обработки и восстановлении аналогов естественной растительности на старопахотной почве для определения направленности процессов почвообразования при минимизации механической обработки

Защищаемые положения:

1 Степень дифференциации корнеобитаемого слоя почвы по микробиологическим и биохимическим показателям при прекращении вспашки стабилизируется в течение первой ротации пятипольного зернопарового севооборота и определяется уровнем минимизации механической обработки

2 Накопление мортмассы в поверхностном слое стерневых фонов способствует понижению порога чувствительности микробного комплекса почвы к воздействию пестицидов При этом степень влияния пестицидов применяемых на интенсивных технологиях возделывания зерновых в Приобье, находится в пределах устойчивости микробного комплекса почвы

3 Снижение удельной скорости разложения растительных остатков, падение активности нитрификационных процессов, повышение фитотоксичности грибного комплекса почвы являются обшей чертой почв выведенных из пахотного состояния Использование почвы в агроценозе в условиях почвозащитного земледелия поддерживает уровень нитрификационных процессов на уровне, соответствующем степени минимизации обработки и не зависящем от длительности периода отсутствия вспашки Применение пестицидов может усилить естественную тенденцию к повышению фитотоксичности грибного населения при накоплении и разложении растительных остатков в ограниченном объеме почвы

Новизна работы. Показано, что почвенно - микробиологические процессы, происходящие при минимизации механической обработки представляют собой сочетание естественных процессов самовосстановления свойств почвы, присущих ее целинным аналогам, и процессов антропогенных направленных на повышение продуктивности агроценоза Оценена степень проявления и значение этих процессов в формировании агрохимических и экотокси ко логических свойств почвы

- В условиях северной лесостепи Приобья проведена оценка агрохимических и экотоксикологических последствий двадцатилетней минимизации основной обработки почвы.

Для почв Западной Сибири реализован комплексный подход к оценке экотоксикологического состояния почвенной среды на основе исследования параметров структуры и функционирования почвенного микробного комплекса почвы, биотестирования на проростках высших растений и на клетках простейших. Доказана экологическая безопасность многолетней интенсификации технологий возделывания зерновых в Приобье.

Прослежена 20 летняя динамика особенностей и темпов самовосстановления биологических свойств почвы, выведенной из пахотного состояния.

Практическая значимость. Обоснована агрохимическая допустимость и экологическая безопасность многолетней минимизации механической обработки почв в северной лесостепи Приобья вплоть до полного отказа от вспашки.

Апробация работы. Результаты исследований были представлены: VII Всесоюзном съезде почвоведов (Новосибирск, 1989); на IV Докучаевском съезде почвоведов (Новосибирск), 2004).; на республиканской конференции « Экологические аспекты использования и охраны почвенных ресурсов и окружающей среды в условиях интенсивной химизации» (Кишинев,1990); 2 Всероссийской конференции «Эколого-экономические основы безопасной жизнедеятельности» (Новосибирск, 1993); международной конференции «Почвозащитная система земледелия и зерновое производство на Евразийском континенте в XXI веке» ( Новосибирск, 1998); на конференциях, посвященных памяти Н.В .Орловского «Почвы Сибири, их использование и охрана» (Красноярск 1999, Абакан, 2003); на международных научно-практических конференциях «Проблемы стабилизации и развития сельскохозяйственного производства Сибири, Монголии и Казахстана в XXI веке» (Новосибирск, 1999; Алма-Аты, 2000; Абакан, 2002; Алма-Аты, 2004; Барнаул, 2005); на международной научно-практической конференции «Проблемы сельскохозяйственной экологии» (Новосибирск, 1999); на международной конференции «Геоэкологические проблемы почвоведения и оценки земель» (Томск, 2002); на международных научно-практических конференциях: «Повышение устойчивости биоресурсов на адаптивно-ландшафтной основе» (Оренбург,2003), «Агроэкологическая оптимизация земледелия» (Курск, 2004), «Агроэкологические функции органического вещества почв и использование органических удобрений и биоресурсов в' ландшафтном земледелии» (Владимир, 2004); на международных конференциях, посвященных 95-летию со дня рождения академика ВАСХНИЛ А.И. Бараева (Шортанды, 2003) и 110-летию Т.С. Мальцева (Курган, 2005); на XII и XIII Сибирских агрохимических семинарах (Новосибирск, ИПА СО РАН, 2003, 2005).

Публикации: по теме диссертации опубликовано 37 работ Объем и структура работы: Работа изложена на 250 страницах, состоит из введения, 7 пав, выводов, включает 65 таблиц и 35 рисунков Список литературы включает 350 источников, 94 из которых на английском языке

1. Изученность проблемы и подходы к оценке изменения биологических свойств почвы при минимизации механической обработки

Первые сведения по биологии почв, подвергающихся различным способам механической обработки, принадлежат Dowson (1945) (цит по Blevins et al, (1982) К настоящему времени вопрос широко изучается во всех земледельческих зонах США, Канады, стран Южной Америки, Европы

Подобные исследования в СССР начались с середины 50-х годов XX века, в связи с внедрением безотвальной обработки почвы по методу Т С Мальцева (Изучение влияния , 1960) Основные выводы авторов позже были детализированы на опытах, проведенных в различных климатических зонах страны в Центральной черноземной области (Шикула, Петренко,1981, Кутовая, 1984, Витер,1985 и др ), Нечерноземье (Миненко, Старовойтов 1982) Приуралье (Хазиев, 1982), Зауралье, Южном и Северном Казахстане (Карамшук, 1979, Кашинская, 1981, 1984, Рязанова, 1983,1984), Средней и Южной лесостепи Омской области (Зерфус,1979, Слесарев и др, 1979, Святская, Мошенко, 1982, Хамова и др , 2002 и др )

Результаты представленной работы являются логическим продолжением изучения проблемы в зональном ряду почв Северного Казахстана и Западной Сибири при продвижении систем минимальных обработок на зону северной лесостепи, где недостатки и ограничения минимизации почвообработки существенно усиливаются

В диссертационной работе на основе собственных и литературных данных сделана попытка количественной оценки изменения биологических свойств почвы при снижении интенсивности механической обработки Установлено, что в ряду почв каштановые - черноземы южные - черноземы обыкновенные - черноземы выщелоченные - серые лесные - дерново-подзолистые степень влияния обработки на биогенность почв возрастает Автором рассмотрена возможная причина установленного факта

В работе проведена систематизация имеющейся обширной разнокачественной информации для осмысления места почвенных процессов происходящих при прекращении вспашки, в цепи событий целина - освоение -сельскохозяйственная эксплуатация - залежь

Показано, что совокупность процессов, имеющих место при минимизации механической обработки, можно рассматривать как составную часть процесса самовосстановления свойств почвы, присущих ее целинным аналогам

Поскольку прямых исследований по биологии почв, выведенных их пахотного состояния, крайне недостаточно, поиск подходов к решению этой проблемы следует начать с анализа процессов, происходящих при освоении и эксплуатации целинных угодий, так как, на наш взгтяд, исчезновение свойств.

приобретенных в процессе окультуривания, при первом приближении может свидетельствовать о тенденциях к самовосстановлению исходных свойств. Анализ литературных данных по изменению биологических свойств почвы при распашке целины и последующем окультуривании позволил нам остановиться на двух основных критериях степени выраженности культурного почвообразования: количеству, соотношению основных групп

микроорганизмов, учитываемых на богатых средах, и интенсивности нитрификационных процессов. Выбор первых обусловлен не только традицией (наиболее обширные географические исследования по окультуривании почв проведены именно по этим показателям), но и тем, что при распашке целины и последующем окультуривании общая численность и биомасса микроорганизмов изменяются не столь существенно, как численность групп микроорганизмов, учитываемых на богатых средах (увеличение может достигать от 5 до 10 раз). Тут речь идет не о повышении общей обсемененности почвы (по результатам прямого учета, численность и биомасса микробного населения' почвы при этом может иногда даже снизиться (Звягинцев и др.,1999), а о перестройке состава микробного комплекса в сторону увеличения доли быстрорастущих микроорганизмов. Хотя эти группы в общем количестве микроорганизмов почвы составляют не более 1%, именно их численность может быть индикатором процесса окультуривания почвы, то есть и утери ее.

Таким образом, под самовосстановлением следует понимать процесс ослабления или утери свойств почвы, приобретенных ею за длительный период вспашки.

' 2. Объекты и методы исследования

; Изменение свойств почвы при минимизации (сокращении числа и глубины) механической обработки изучено в 1986-2005 г.г. на многолетнем опыте ГНУ СибНИИЗХим СО РАСХН, заложенном в 1981 году под руководством академика РАСХН В.И. Кирюшина.

Район проведения опыта — северная лесостепь Новосибирского Приобья. Годовое количество осадков составляет 390 — 450 мм, сумма температур воздуха выше 10°С - около 1800°С при продолжительности периода примерно 120 дней.

Почва - чернозем выщелоченный, сформированный на лессовидных суглинках. Содержание гумуса составляет 5,1-5,5 %, общего азота - 0,34 %, обменного калия - 13, фосфора по Чирикову - 29 мг /100г. В условиях зернопарового севооборота сравнивались: 1) традиционная вспашка, 2) чередование вспашки и плоскорезной обработки, 3) глубокое плоскорезное рыхление, 4) мелкая плоскорезная обработка, 5) нулевая (без основной обработки) обработка при двух уровнях пестицидной нагрузки — экстенсивном: применялся гербицид против двудольных сорняков (2,4-Д в дозе 0,9 кг/га д.в.) и интенсивном: гербицид против двудольных сорняков (2,4-Д) + против злаковых (иллоксан 0,9 кг/га д.в) + фунгицид (тилт 0,15 кг/га) + инсектицид (по ситуации).

Процесс изменения свойств пахотной почвы при регулируемом восстановлении аналогов естественной растительности изучен в 1993-2005 г г на многолетнем опыте, заложенном под руководством академика РАСХН П Л Гончарова в 1980 году на территории ботанического питомника ГНУ СибНИИРС СО РАСХН (п Краснообск, Новосибирской обл ) Варианты опыта 1) однолетние пропашные (картофель) 2) многолетние травы (кострец безостый) 3) насаждения березы 4) насаждения лиственницы 5) разнотравный туг (целина) 6) естественный тиственный тес Почва аллювиальная дерновая Содержание гумуса в исходной почве составляет 2,45 % , общего азота - 0,15%, калия - 9,5 мг /ЮОг, фосфора - 19,3 мг /100г Гранулометрический состав тегкосупинистый

Содержание С\к-П1 определили по методу И В Тюрина с колориметрическим окончанием по Б А Никитину (1999) Углекислоту утавливали абсорбционным методом (Шарков, 1987) Скорость разложения целлюлозы в почве оценивали по ЕН Мишустину и АН Петровой (1963) Мортмассу (совокупность растительных остатков различной степени разложения) выделяли на сите с размером ячеек 0,25 мм при размывании почвенного монолита водой Получение растительного материала, меченого |4С, и определение его остатка в почве проводили по методикам, разработанным в лаборатории плодородия ГНУ СибНИИЗХим (Шарков, Лян, 1989, Шарков, 1997)

Оценку численности основных групп микроорганизмов проводили общепринятыми методами Фитотоксичность грибного комплекса почвы определяли по разработанному автором способу (приоритет .N42005140012/20(044603) от 20 12 06) Измерение субстрат-индуцированного дыхания (СИД) провели по прописи НД Ананьевой (2003) При работе с инфузориями стилонихии соблюдали ГОСТ Р 52337-2005 Оценку состояния проростков тест-растений проводили по П Веллингтону (1973)

Статистическая обработка экспериментальных данных проведена по пакетам программ «5пес1еког» (Сорокин, 2004), (^аихиса»

3. Некоторые показатели интенсивности трансформации органического вещества в почве при многолетней минимизации механической обработки

3.1. Изменение запасов различных фракций органического вещества в почве

Предполагалось, что минимизация механической обработки, моделируя естественный процесс почвообразования, позволит в некоторой степени восстановить органическое вещество почвы, утраченное ею при освоении целины и сельскохозяйственной эксплуатации

Анализ результатов более чем 30 полевых опытов длительностью от 6 до 33 лет, проведенных в основных земледельческих регионах мира, позволяет выделить ряд факторов от которых зависит конечный резутьтат влияния способа механической обработки почвы на содержание в ней гумуса история

опытного поля, тип севооборота, продуктивность ахроценоза, удобренность, исходное содержание углерода. В целом, отказ от вспашки обычно приводит к стабилизации содержания гумуса в почве, что следует из результатов 20-25 летних опытов СибНИИЗХоз (Земледелие на равнинных ландшафтах, 2003); Курганского НИИСХ (Глухих и др., 2005), 11- летних опытов С.A. Campbell et al., (1996, 1999, 2001) в засушливых прериях шт. Саскачевань (Канада), в 29 летних опытов M. Diaz-Zorita, J.H. Grove (2002) в шт. Кентукки, США; 13 -летних опытов J.L. Hernanz et al., (2002) в сухих районах Испании, 10-летних опытов D.A. Angers et al., (1997) во влажной прохладной зоне восточной Канады, 25-летних опытов W. Deen, Р.К. Kataci (2003) в кукурузном поясе США. Показано при этом, что достоверное накопление С0бЩ. может наблюдаться в поверхностном слое (0- 2,5; 5 см) (Кирюшин, Лебедева, 1984, Lai et al., 1994, Sa et al. ,2001, Franzluebbers, 2002) и по расчетам С.A. Campbell et al., (2001), B.G. Me Conkey et al., (2003) может составить в сухих районах 300 кг/га С в год, во влажных - 800 кг/га, что при расчете на проценты от веса почвы для слоя 0-10 см (при плотности 1 г/см3) колеблется в пределах 0,030,1% от общего содержания этого элемента в почве. В целом, статистически доказуемое повышение запасов гумуса при поверхностной обработке почвы наблюдалось обычно в опытах, заложенных на угодиях с относительно короткой историей, на старопахотных почвах изменения показателя были незначительными.

Применение минимальных обработок в течение 20 лет на выщелоченном черноземе Приобья (старопахотная почва, зернопаровой севооборот с чистым паром, минеральная система удобрений, примерно одинаковая урожайность по фонам обработки, то есть близкие величины поступления растительного вещества) не оказало существенного влияния на содержание С06Щ. в почве, тогда как запас этого элемента вырос примерно на 10% (табл. 1).

Таблица 1. Запас гумуса (числитель) и углерода мортмассы (знаменатель) в почве в зависимости от способа механической обработки, т/га _

Способ обработки 0-10 см 10-20 см 20-30 см Среднее по фактору «обработка»

Вспашка (контроль) 48,5/0,90 50,7/0,94 50,9/0,56 50,1/0,80

Глубокое рыхление 50,4/1,45* 47,5/0,60* 41,6*/0,30* 46,4*/0,78

Нулевая обработка 57,6*/ 1,25* 60,2*/0,62* 48,3*/0,30* 55,4*/0,72*

Доверительный интервал ± 1,7/0,05 ± 2,1/0,03

* Здесь и далее означает достоверность разницы с контролем.

Запас органического вещества, переходящего в вытяжку 0,1н. ЫаОН, в целом в слое 0-30 см не зависел от приема обработки и составил в среднем 3,84,1 т С / га. При этом показатель в слое 0-10 см на стерневых фонах превышал вспашку примерно на 15 %, в слое 20-30 см уступал ей в среднем на 30 %.

Способ обработки оказал существенное влияние на перераспределение негумифицированного органического вещества (С морт) между слоями 0-10 и 10-30 см, хотя в целом в пахотном горизонте запас фракции на разных фонах был близким Таким образом, при безотвальном рыхлении почвы пожнивно-корневые остатки концентрировались у ее поверхности, в результате запасы Сморг в слое почвы 0-10 см увеличивались до 60% от его запаса в слое 0-30 см Вспашка способствовала перераспределению растительных остатков в пахотном слое, и все его части достаточно равномерно обогащались мортмассой в слое 0-10 см ее содержалось немногим меньше 40% от общего количества в слое 0-30 см

Определение количества и состава различных фракций мортмассы не позволило обнаружить качественных изменений в составе растительных остатков по вариантам опыта Все изменения были связаны только с перераспределением их по профилю почвы, что и было установлено при статистической обработке полученных данных, когда наибольшее влияние на запас Сыорт оказывали глубина отбора образцов и взаимодействие факторов глубины и способа обработки Внесение удобрений повысило показатель в среднем на 10-15%, при этом соотношение запасов Смарт между слоями 0-10 и 10-30 см на вспашке и стерневом фоне осталось неизменным Таким образом, прежде всего фракция Сторт , составляющая 2,0-2,5% от С00щ имела стабильную связь со способом механической обработки и, как будет показано ниже, преимущественно она определяла специфику минерализационных процессов в различных слоях почвы

Итак, прекращение вспашки сопровождалось изменением структуры органического вещества почвы, которое заключалось в накоплении (до 40%) в слое 0-10 см негумифицированного растительного вещества и обеднении им (примерно на 50%) нижних слоев

3.2. Особенности разложения пшеничной соломы в почве из различных слоев выщелоченного чернозема спустя 20 лет после прекращения традиционной вспашки

Хотя неравнозначность различных частей пахотного слоя по плодородию широко известна микробиологические основы этого явления остаются практически неизученными Нами установлена четкая дифференциация слоя почвы 0-30 см стерневого фона на части, существенно различающиеся по особенностям микробной деградации вновь поступившего растительного вещества

В почву из слоев 0-10, 10-20 и 20-30 см вспашки и нулевой обработки внесли меченную 14С пшеничную солому в расчетной дозе 3 т/ га В течение 60 суток регистрировали общую дыхательную активность скорость выделения С-1 СО;, после завершения опыта - остаток меченого углерода Оказалось, что в слое почвы 10-20 см на фоне нулевой обработки (содержание Счор-г 500 мг'кг) интенсивность разложения внесенной соломы была достоверно выше, чем на вспашке (СМОрт 1000 мг/кг), о чем свидетельствуют как более высокая интенсивность выделения С-!4СО; (на 25%), так и величина остатка метки,

которая была меньше, чем на вспашке примерно на 30%. Явление более активного разложения внесенного органического вещества в более бедной почве по сравнению с более богатой известно в литературе (Garcia et.al.,1993; 1994; Lavahun et.al., 1996; Bradley et.al., 1997; Lupwayi et.al.,1999). Изучены причины и экологические последствия этого явления (Гузев и др.,1986; Вызов и др.,1988; Паников ,1993). Значение установленного факта в аспекте представляемого исследования заключается в том, что за 20 лет отсутствия вспашки профиль почвы по потенциальной метаболической активности микробиоты приобрел черты целинных почв, у которых обычно вниз по профилю этот показатель возрастает. На основе отмеченной закономерности можно при первом приближении объяснить, как минимум, два известных в практике земледелия обстоятельства. Во-первых, признана более высокая эффективность чередования вспашки с различными видами минимальных обработок в сравнении с ежегодной вспашкой. Растительные остатки, концентрированные в поверхностном слое почвы на минимальных обработках, при перепашке стерни попадают в слой, находившийся в течение ряда лет без свежих источников питания для микроорганизмов, и, видимо, минерализуется более быстрыми темпами, чем при обычной ежегодной вспашке. Во-вторых, в литературе имеются указания на то, что при глубокой плоскорезной обработке содержание гумуса иногда бывает ниже, чем при мелкой плоскорезной или нулевой обработках (Витер, Новичихин, 1984, Шикула, Гнатенко, 1990). Сходные результаты получены и в наших многолетних исследованиях. Видимо, при глубоком рыхлении почвы (на 25-30 см), часть растительных остатков просыпается в нижнюю часть корнеобитаемого слоя и подвергается быстрой минерализации. Учитывая примерно одинаковое поступление растительных остатков по вариантам опыта, можно предположить, что при глубоком безотвальном рыхлении концентрация гумуса будет несколько ниже, чем на фоне нулевой обработки.

3.3. Актуальная активность минерализационных процессов в почве в зависимости от способа механической обработки

Важнейшим фактором стабилизации содержания С0вщ- в почве: при минимизации механической обработки признано снижение минерализационных потерь углерода (Kern, Johnson, 1993; Campbell et al., 2001; Sa et al., 2001; West, Marland, 2002; и др.). Предметом обсуждения остаются количественные параметры этого снижения и разработка технологий, при которых сокращение выброса С02 из пахотных почв в атмосферу сочеталось бы со стабильной продуктивностью агроценозов.

На нашем опыте количественные различия между вариантами были практически одинаковыми в оба года исследований и составили около 300 кг С /га, то есть замена вспашки мелкой плоскорезной обработкой или полный отказ от нее обеспечивали снижение потерь почвенного органического вещества в виде углекислоты примерно на 10% (табл.2). Наши экспериментальные данные близки к среднестатистическим показателям по основным регионам России (Курганова и др., 2004) и мира. Так, в среднем по основным

сетьскохозяйственным угодиям США это снижение составляет 200 кг га в год (West, Marland, 2002) По расчетам R Lai (2002), при помощи смены

Таблица 2 Продуцирование С-СО; почвой за вегетационный период, кг/га (паровое поле)___

Способ обработки 1987 г 1988 г

Вспашка 2658 2299

Плоскорезная 2375 2003

Нулевая 2366 2016

НСР 05 179 90

способа обработки можно сократить потери уперода из почвы на 500 800 кг С /га в год холодных и влажных регионах, на 100-300 кг/га - сучих и тепчых Итак, возможности снижения минерализационных потерь углерода из почвы при смене способа ее механической обработки не так велики, то есть вклад биологического фактора в стабилизации содержания Со6щ в почве при прекращении вспашки существенно ниже, чем эрозионного

Однако этот вывод ни в коей мере не снижает актуальность проблем, связанных с изучением причин, механизмов и последствий изменения интенсивности минерализационных процессов в почве при прекращении вспашки

4. Микробиологические и биохимические свойства выщелоченного чернозема при различных способах механической обработки

4.1, Микробная сукцессия в почве при минимизации механической обработки

Данная проблема была наиболее полно освещена дчя почв сухостепного и степного ряда (Святская, Мощенко, 1982, Кашинская, 1981, Рязанова, 1983, Карамшук, 1999, Хамова и др , 2002 и др ) Анализ литературы показывает, что в ряду почв каштановые - черноземы южные - черноземы обыкновенные -черноземы выщелоченные степень падения биогенности корнеобитаемого стоя почвы при прекращении вспашки усиливается Количественные параметры процесса для чернозема выщечоченного приведены в табл 3 Каждая ступень снижения интенсивности механической обработки характеризовался определенным уровнем обогащенности почвы микробными клетками Различия между вариантами опыта устаивались от первой кутьтуры севооборота и заключительной При этом удлинение срока отсутствия вспашки до 20 лет и более не приводило к прогрессирующему снижению показателей, динамика которых представляла собой повторяющийся цикл от парового поля к заключительной кутьтуре

Таблица 3. Число микроорганизмов (КАА) при различных способах основной обработки выщелоченного чернозема в слое 0-40 см, млн. КОЕ /см2 (средние данные за вегетационные периоды 1986-1988 и 2001-2003 г.г.) _

Поле севооборота Вспаш ка Чередо вание Глубокое рыхление Мелкая плоскорез ная Нулевая обра ботка

Первая культура после пара 1439 890 795 611 493

Заключительная культура 1260 756 485 285 295

Падение биогенности корнеобитаемого слоя при прекращении вспашки было связано прежде всего со снижением показателя в его нижней части, то есть повышением степени дифференциации указанного слоя. Скорость и степень этого процесса остаются практически неизученными. Некоторые авторы предлагают этот показатель в качестве критерия степени стабилизации свойств почвы (Saggar et.al., 2001; Franzluebbers, 2002).

Установлено, что степень дифференциации корнеобитаемого слоя (отношение величины показателя в слое 0-20 см к таковой в слое 20-40 см) выщелоченного чернозема

Таблица 4. Степень дифференциации слоев 0-20/20-40см выщелоченного чернозема по микробиологическим показателям при различных способах механической обработки_

Группа . микроорганизмов Вспашка Глубокое рыхление Мелкая плоскорез ная Нулевая обработка

Утилизирующие азот органический (МПА) 1,7/1,1 2,8/2,8 3,3/2,6 6,9/2,8

Утилизирующие азот минеральный (КАА) 1,4/2 2,3/2 2,0/4 3,3/6

Целлюлозоразрушаю щие 1/1 1,4/1,5 2,5/1,4 3/2,7

Грибы 1/0,9 2/2 2,3/1,2 2,0/2,3

Примечание. В числителе данные за 1986-88 гг., в знаменателе - 2001-2003 г.г.

была близкой как после первой, так и после пятой ротации севооборота (табл.4), что позволяет сделать вывод, что строение корнеобитаемого слоя почвы после прекращения вспашки стабилизировался в течение первой ротации севооборота.

Следовательно, процесс к самовосстановлению естественного сложения слоев исследуемой почвы в целом завершился в первые годы минимизации основной обработки, что вероятно было связано с механической (хотя и сокращенной) обработкой почвы и стабилизацией величины поступления растительных остатков.

Следующие черты, сближающие микробный комплекс почвы на стерневых фонах с целинными заключались в снижении амплитуды колебания величины микробной обсемененности во времени и смещении максимумов численности к более поздним срокам вегетационного периода по сравнению со вспашкой Это установлено нами при составлении математического выражения временной динамики численности групп микроорганизмов для крайних вариантов опыта (уравнения 1,2)

Вспашка У-46-8В+360А-280А: +54А3 (г =0,88) (1) Нулевая У=43-26В+109А-29А;+0,2А3В3 (г=0,9), (2)

где У - численность целлюлозоразрушающих микроорганизмов, В -глубина отбора (0-10, 10-20,20-30, 30-40см), А - срок отбора ( май, июнь, июль, август, сентябрь) образцов

Таким образом, в условиях 20 летнего отсутствия вспашки разнокачественность частей корнеобитаемого слоя почвы по микробиологическим показателям повысилась примерно в 3 раза, амплитуда колебания численности микроорганизмов в течение вегетационного периода снизилась в 1 5- 3 раза, максимум показателя при этом сместился примерно на 30-40 суток к более поздним срокам вегетационного периода что свидетельствует о том, что микробный комплекс почвы на стерневых фонах приобрел черты таковых в целинных почвах (Данилова, Колбин, 2005)

Прекращение вспашки привело к изменению процессов трансформации органического вещества в почве, о направленности которых можно судить, в частности, по обогащенности почвенного органического вещества клетками микроорганизмов За меру последней можно принять количество клеток микроорганизмов, соответствующее 1г С0бЩ (Мишустин,1972, Теппер,1976, Данилова, Барашкова, 2004) Так, в ряду вариантов от вспашки к нулевой обработке данная величина равнялась 1200, 900, 600 млн КОЕ / г Соош Уменьшение показателя свидетельствует о снижении глубины переработки опада почве

Дифференцируя сапрофитную часть микробного комплекса по скорости роста (учет колоний через 24, 48, 72 ч после посева) можно составить представление о состоянии ферментативного аппарата последней Быстрорастущая часть группы в состоянии преимущественно разлагать свежие более доступные источники минеральных веществ, тогда как медленнорастущая - более конденсированные соединения Соотношение этих групп в общей численности микроорганизмов, потребляющих органический азот, было предложено в качестве показателя глубины переработки органического вещества в почве (Кожевин, 1989) Доля быстрорастущих форм на плоскорезной и нулевой обработках достигала 40-50%, при отвальной вспашке - 15-20% от общего числа микроорганизмов, учитываемых на МПА Повышение доли быстрорастущих форм в микробном комплексе почвы на стерневых фонах в сравнении со вспашкой свидетельствует о том, что прекращение вспашки привело к повышению доли слаборазложившегося растительного вещества в фонде источников азота для сапрофитной части микробного комплекса почвы (Данилова, Колбин, 2005)

Таким образом, строение корнеобитаемого слоя почвы по показателям биологической активности при прекращении вспашки стабилизировался после ■ первой ротации пятипольного зернопарового севооборота. Основные черты микробной сукцессии при минимизации основной обработки заключались в снижении мощности биологически активного слоя почвы, повышении доли быстрорастущих форм в сапрофитной части микрофлоры, повышении доли грибного населения в микробном комплексе, снижении количества клеток микроорганизмов, соответствующего единице С 0бщ. и Сморт.

4.2. Ферментативная активность как показатель динамики подвижных органических веществ в почве при минимизации механической обработки

Как известно, ферментативная активность почвы регулируется по принципу субстратного лимитирования (Хазиев, 1982), следовательно, этот показатель можно использовать для оценки динамики тех фракций органического вещества, которые трудно уловить традиционными методами анализа. В качестве индикатора наличия в почве углеводов, являющихся продуктами разложения, прежде всего, целлюлозы, нами выбрана инвертазная активность, азоторганических соединений — протеазная и уреазная.

Динамика инвертазной активности почвы (следовательно, подвижного органического вещества, служащего субстратом для карбогидраз) в течение вегетационного периода, независимо от фона основной обработки имела вид плавно возрастающей кривой от мая к сентябрю. Под растениями показатель достоверно и существенно падал в ряду вариантов от вспашки к нулевой обработке. Наиболее четко эта закономерность была выражена на первой пшенице после пара, когда при каждой ступени снижения интенсивности механической обработки почвы показатель падал на 43 единицы (средние данные по слою 0-40 см). Слабая связь инвертазной активности почвы со" способом обработки на паровом поле вероятно связано с резкой активизацией верхнего 0-20 см слоя почвы на стерневых фонах, что очевидно является следствием интенсивного разложения при благоприятных условиях парования мортмассы, накопившейся за ротацию севооборота.

1 Итак, интенсивность накопления подвижных органических веществ под растениями на стерневых фонах была существенно ниже, чем на вспашке; парование почвы активизировала процесс в верхних слоях до уровня, превышающего вспашку (уравн. 3-5). Третья культура (пшеница) после пара:

У= 69 - 12В - 12С + 7 С2 В* ( г=0,78) (3)

Паровое поле:

У= 73 + 12В - 17В2 + ЗВ3 - 0,1 СВ3 (г = 0,98) (4)

- Первая пшеница после пара:

У= 64 - 43С + ЮС2 + 4 С2В2 (г= 0,82) (5),

где У-инвертазная активность почвы (мг глюкозы/г за 24 ч), С - способ обработки (вспашка, чередование вспашки с плоскорезной обработкой,

пубокое рыхление, меткая плоскорезная, нулевая обработки), В - срок отбора образцов (май, июнь, июль, август, сентябрь)

Каждый уровень минимизации основной обработки характеризовался, судя по инвертазной активности, определенным запасом подвижных органических соединений, следовательно, изменение интенсивности механического воздействия на почву создает возможность для регучирования направленности процессов трансформации органического вешества в почве

Интенсивность протеолиза в выщелоченном черноземе падала пропорционально снижению частоты и пубины механической обработки Количественное выражение зависимости представлено в уравнениях (6-8) Посчедняя пшеница посте пара

У= 1,36-0,12В2+ 0,4 С-0, 29 С2 В2 (г= 0,82) (6)

Паровое поле

У= 1,27 1-0,16 В -0, 14 В2 ->-0,01С (г = 0,96) (7)

Первая пшеница посте пара

У-1,5-0,68 В-0,8 С+ 0,22 С2 В3 (г = 0,84) (8)

где У- протеазная активность (мкг гчицина / г за 24 ч), С-способ обработки, В-

срок наблюдений

Отмеченная закономерность была наибочее выражена под растениями, чем на паровом поле Степень кочебания данного показателя при изменении способа обработки была выше, чем у инвертазной активности, что может в свою очередь свидетечьствовать о том, что прекращение вспашки прежде всего модифицирует метаболизм азотоорганических соединений в исслед} емой почве

Амплитуда колебаний протеазной активности в счое почвы 0-30 см на вспашке была существенна выше, чем под стерней, кривая динамика на вспашке представляла собой параболическую кривую с минимумом в июле, на стерневых фонах - с максимумом в августе, что свидетечьствует о принципиальных различиях динамики трансформации азоторганических соединений в почве по разным фонам обработки В паровом поче, где активность фермента опредечяется прежде всего наличием субстрата, установлено, что на фоне вспашки, вследствие более ранней активизации микробиоты, запас чегко минерализуемых органических вешеств повышался в первой половине сезона, который при благоприятных усчовиях функционирования биоты достаточно быстро (к июлю) исчерпывался На стерневом фоне, наоборот, микробиота активизировалась в более поздние сроки вегетационного периода и субстрат для протеолиза появлялся бчиже к осени

Если протеззы ответственны за начальный этап минерализации азоторганических веществ, то в заключительной стадии процесса одно из важнейших мест принадчежит уреазе, катализирующей отшепление иона аммония из молекучы мочевины В отчичие от других гидрочаз, по мере минимизации основной обработки почвы уреазная активность имеча тенденцию к росту, что связано, в частности, повышением с плотности грибного населения почвы (Данилова, 2002)

Таким образом, при прекращении вспашки снижение темпов накопления минерального азота в почве в большей мере было связано с подавлением активности процессов, запускающих метаболизм азота в почве, в частности, разложения соединений белковой природы, чем процессов завершающих его (Данилова, 2006). Именно поэтому, к осени при появлении субстрата для протеолиза на стерневых фонах интенсивность накопления нитратного азота резко возрастала и к концу парования запас последнего в слое почвы 0-30 см выравнивался со вспашкой (см ниже).

S. Изменение динамики минерального азота в выщелоченном черноземе при длительном применении минимальных обработок

Актуальной проблемой при снижении интенсивности механического воздействия на почву остается динамика минерального азота в ней. В зоне южных, обыкновенных черноземов снижение скорости образования нитратного азота при прекращении вспашки позволяет существенно сократить непроизводительные потери почвенных ресурсов и поэтому является одной из преимуществ минимизации почвообработки. В зоне выщелоченных черноземов этот же процесс превращается в недостаток из-за усиления дефицита минерального азота. Так, по данным В.И. Кирюшина и др., (1984), в южном черноземе Северного Казахстана за период парования в слое 0-100 см может образоваться на вспашке до 350 кг/га, на мелкой плоскорезной обработке - 250 кг/га нитратного азота (что превышает потребности зерновых культур), в выщелоченном черноземе соответственно-125 и 100 кг/га, то есть создается дефицит примерно в 20-30 кг/га, который возрастает при удалении поля севооборота от пара (Власенко и др., 1992). К настоящему времени слабо исследован вопрос о микробиологических причинах этого явления, в частности вопрос о численности и активности основных агентов автотрофной нитрификации в "пахотной почве.

5.1. Численность и активность нитрифицирующих

микроорганизмов в условиях почвозащитного земледелия

Установлено, что 84-99% нитратного азота в пахотных почвах продуцируется ■ узкоспециализированной группой автотрофных нитрифицирующих бактерий (Кураков и др., 2001). Для почв Западной Сибири сведения об этой группе микроорганизмов немногочисленны (Сидоренко, 1959; Потехина, 1964; Наплекова, 1970; Хамова, 2002). Между тем имеются данные о том, что группа реагирует на уровень окультуренности почвы (Bruns et.al., 1999; Hanson et.al., 2002), удобренности и пестицидной нагрузки (Cecchermi et.al., 1998; Mendum, Hirsch., 2002).

В работе на основе анализа литературных и собственных экспериментальных данных показано, что количество автотрофных нитрифицирующих микроорганизмов, учитываемых на выщелоченном агаре с двойной аммонийно-магниевой солью фосфорной кислоты, в разных типах почв зависит прежде всего уровня их окультуренности.

Было установлено, что численность нитрифицирующих автотрофов, учтенных выбранным нами методом, в сероземе, дерново-подзолистой почве, приазовском черноземе была примерно одинаковой и составила от единиц до десятков тысяч на 1 г почвы (Изучение ,1960) Этот факт, на наш взпяд, вполне закономерен, так как процесс размножения автотрофных нитрифицирующих бактерий, как известно, интенсифицируется при окультуривании почвы, то есть, их численность вероятно должна определяться уровнем последней Наши данные вполне подтверждают это положение В пахотном слое окультуренных вариантов почв разных типов численность была существенно выше, чем в неокультуренных Так, в целинной мерзлотной пойменной, в целинных аласных почвах Центральной Якутии, в целинной аллювиальной дерновой почве, в 30 летней залежи чернозема выщеточенного в Приобье показатель колебался в преде чах 0 - 0,2 тыс КОЕ/ г, в окультуренных вариантах этих же почв показатель достигал 25-32 тыс КОЕ / г почвы

Уровень показателя в исследуемой почве зависел поля севооборота (вклад фактора составил 80-90% от общей вариации признака) и снижался от первой культуры к заключительной в 10 и бочее раз При этом в пахотном слое количество нитрификаторов на неудобренном фоне была в среднем на 40-60% ниже, чем удобренном Показатель достаточно чутко реагировал на предпосевное внесение азотного удобрения В начальный период после внесения последних зависимость численности группы от дозы и вида удобрения была максимальной и существенно превышала влияние глубины отбора образцов (исследования проведены в слоях почвы 0-10, 10-20 и 20-30 см) В более поздние сроки наблюдений доля влияния туков значительно снижалась, уступая влиянию глубины отбора образцов (табл 5) Для сравнения приведены соответствующие показатели для гетеротрофной группы, чувствительность которой к действию изученных факторов была значительно ниже, чем у автотрофных микроорганизмов

Таблица 5 Доля влияния азотного удобрения на количество микроорганизмов

в почве, % от общей вариации__

1 | Нитрификаторы Микроорганизмы на КАА

I Срок отбора _автотрофные_|_|

, образцов I Факторы I Факторы

1 удобрение глубина отбора удобрение глубина отбора

1 Июнь 91 01 47 5

' Июль 24 55 5 37

! Сентябрь 9 64 1 53

Установлено, что численность изучаемой группы достоверно зависела от способа использования почвы (табл 6) Так, бессменное парование почвы привело к значительному снижению показателя (особенно по сравнению с культурой пшеницы), что очевидно связано со снижением запасов доступных для микробного разложения органических соединений, о

величине которых можно косвенно судить по содержанию Оюрт. по вариантам опыта, составившем на пару 1030 мг/кг, под пшеницей - 1686, многолетними травами - 2654. Посевы последних также способствовали снижению численности группы, причина которого в этом случае, видимо, иная. Известно, что в целинных почвах этот показатель обычно колеблется в очень низких пределах. На наш взгляд, под пластом многолетних трав в определенной мере начинают действовать те же процессы, что и под целинным травостоем.

Таблица 6. Количество микроорганизмов в почве в зависимости от способа ее использования ■

Вариант Утилизирующие азот, млн. КОЕ / г Олиго трофные, млн КОЕ/ г Автох тонные, млн. КОЕ/ г Ни три фици рующие, тыс.КОЕ/ г

органичес кий минераль ный

6 летний пар 13 10 9 7 5,7

6 летняя пшеница 16 20 16 12 25,4

6 летний посев трав 13 14 16 16 14,4

Доля влияния,% 31 68 80 70 93

Сходные процессы, видимо, имеют место и в пахотной почве при прекращении вспашки. Нами установлено, что численность группы в почве по вариантам опыта от вспашки до нулевой обработки образует прямолинейно убывающий ряд, то есть каждой ступени снижения интенсивности механической обработки почвы соответствовал свой уровень показателя. Авторы, отметившие подобную закономерность в черноземных почвах других регионов, связывают ее с ухудшением аэрации почвенной толщи при прекращении вспашки (Зерфус,1979; Кашинская, 1981; Кутовая,1984). В работе обсуждается вклад различных факторов в регуляции данного показателя.

' Оценка максимальной потенциальной активности нитрифицирующего комплекса почвы (накопительные культуры в жидкой среде Виноградского) показала, что за 21 сутки в слое 0-10 см выщелоченного чернозема может образоваться до 2 г / кг или до 2 т / га. N-N03 .Подобные показатели, полученные другими авторами на разных типах почв Западной Сибири достаточно близки и колеблются в пределах 1-2 т / га в слое 0-10 см (Гантимурова, Танасиенко, 1981; Косинова и др.,1993).

■ При компостировании почвы в лабораторных условиях без внесения источников аммония скорость процесса в сравнении с накопительной культурой снижалась в 9-11 раз, что очевидно связано как с недостатком субстрата, так и снижением его пространственной доступности. Соответствующий показатель для зонального ряда почв Сибири, по данным Н. Н. Наплековой (1970), может достигать 50 и определяется, прежде всего,

гранулометрическим составом почвы При данном способе определения зависимость скорости процесса от способа обработки сохранялась, хотя вклад фактора в вариации признака по сравнению с накопительной культурой существенно падал (до 50 - 65%) Повторные исследования, проведенные в 2001-2004 г, показали, что при обоих способах определения средний уровень скорости накопления нитратов в почве и количественные соотношения между вариантами опыта сохранились Следовательно, при увеличении срока минимизации обработки прогрессирующего снижения потенциальной нитрифицирующей активности почвы не происходило

5.2. Интенсивность накопления нитратного азота в парующей почве.

По нашим данным, в полевых условиях реализуется около 1-2°о нитрифицирующего потенциала почвы Максимум активности процесса наблюдается в паровом поле, которое, в отличие от занятого культурой, представляется наиболее подходящим местом в севообороте для сравнительного изучения процессов минерализации почвенного азота по вариантам опыта Во-первых, это первое поле после заключительной культуры севооборота, и поэтому в нем в наиболее концентрированном виде проявляются результаты предшествующих воздействий на почву Во-вторых, с методической точки зрения в паровом поле значительно проще и точнее можно учесть высвобождение минерального азота из органического вещества почвы, чем в поле с растениями Дело в том, что растения потребляют азот из всей почвенной толщи, и трудно определить, какая доля элемента усвоена ими из азотсодержащих соединений, минерализовавшихся в текущем вегетационном периоде

В южных черноземах Северного Казахстана (Агроценозы , 1984), на выщелоченном черноземе южной лесостепи Западной Сибири (Гамзиков с соавт, 1987) было показано, что в паровых полях скорость накопления нитратного азота на стерневых фонах достоверно ниже, чем на вспашке В серых лесных почвах Западной Сибири осенью интенсивность процесса на стерневых фонах может превышать показатели на вспашке (Ситников 1479)

По нашим данным, в выщелоченном черноземе северной лесостепи Приобья в паровых полях в первой половине вегетационного периода скорость накопления нитратов на стерневых фонах была существенно (до 30 кг/га) ниже, чем на вспашке Во второй половине периода в верхнем слое почвы на фоне птоскорезной и нулевой обработок интенсивность процесса возрастала более существенно, чем на вспашке, и к концу парования запас минерального азота в слое 0-30 см выравнивался по всем вариантам опыта (рис 1) При экстраполяции этих данных на непаровые поля можно сделать вывод, что максимальная активность нитрификации при поверхностных обработках не совпадает с периодом максимальной потребности зерновых в азоте, локализация основной активности процесса в поверхностном пересыхающем слое может способствовать повышению зависимости величины накопления минерального азота стерневых фонах от погодных условий

Таким образом, прекращение вспашки чернозема выщелоченного сопровождалось снижением численности и активности нитрифицирующих автотрофных микроорганизмов При паровании многократная поверхностная обработка приводила к более существенному повышению показателя на стерневых фонах в сравнении со вспашкой, что способствовало выравниванию запасов минерального азота по всем вариантам опыта и этот запас был достаточным для обеспечения первой культуры после пара По непаровым предшественникам дефицит азота на стерневых фонах был более выражен в сравнении со вспашкой, о чем свидетельствуют как величина запасов перед посевом, так и суммарный вынос азота культурой и сорной растительностью Недостаток азота на стерневых фонах компенсировали внесением удобрений в дозе N50 под вторую культуру после пара и N100- под третью, в результате чего в среднем за 1996-2002 г г все виды обработки почвы на экстенсивном фоне обеспечили урожайность 2,05-2,20 т/га при комплексной химизации -3,21-3,46 т/га с тенденцией снижения на нулевой обработке по сравнению со вспашкой примерно на 10-15% (Власенко и др , 2004)

май май июн шоп и юл июл авг авг сен

» Вспашка —• - Плоскорезная обработка * * • Нулевая обработка

Рис.1 Динамика накопления нитратного азота в слое 0-30 см парующей почвы

6. Некоторые экотоксикологические последствия минимизации механической обработки выщелоченного чернозема Приобья

Одним из существенных недостатков минимизации почвообработки является ухудшение фитосанитарной ситуации в агроценозе, в частности, повышение засоренности посевов Актуальность проблемы возрастает при

продвижении почвозащитной обработки со степной зоны в лесостепь. Так, по данным А.Н. Власенко и др., (1989), на опытах, заложенных по одинаковой схеме, на черноземе выщелоченном (северная лесостепь) степень засоренности посевов на нулевой обработке была в 2 раза выше, чем на черноземе обыкновенном (южная лесостепь). При этом на первых показатель может достигать 28,4% от общей биомассы растений в агроценозе. В условиях северной лесостепи Приобья разработана технология применения спектра средств защиты растений, позволяющая поддерживать этот показатель ниже уровня вредоносности. В целом показано, что в умеренной зоне Западной Сибири почвозащитная система земледелия экономически выгодна только при высоком уровне интенсификации (Власенко, 1994, Синещеков и др., 2004). При этом возникает сложная проблема оценки побочного действия средств защиты растений на окружающую среду, в частности, на биоту почвы.

6.1. Снижение интенсивности механической обработки и изменение токсичности пестицидов для почвенных микроорганизмов, значение мортмассы в этом процессе

' Принципиальное отличие стерневых фонов от вспашки в аспекте изучаемой проблемы заключается в следующем: на первых взаимодействие пестицидов и биоты почвы происходит в среде, насыщенном растительным опадом разной степени трансформации, при этом прекращение вспашки исключает фактор разбавления токсикантов в почвенной толще. Недостаток экспериментальных данных не позволяет пока составить представление о роли стерневых фонов в изменении степени токсичности пестицидов для почвенной биоты в сравнении со вспашкой. Отмечена одинаковая или более низкая в сравнении со вспашкой токсичность пестицидов на фоне минимальных обработок (Деркач,1973; Николаенко, Геллер,1983; Кутовая,1984), что связано со снижением устойчивости последних в слое, обогащенном растительными остатками (Пупонин, Захаренко, 1999; Slack et.al., 1978; Wilt, 1984). При этом есть сведения о более выраженной токсичности пестицидов для почвенных микроорганизмов на стерневых фонах в сравнении со вспашкой (Баздырев, Лютов,1988). Противоречивость сведений по данному вопросу очевидно связано как с разнообразием агротехнических, почвенно-климатических условий, так и химического состава препаратов.

' Прежде всего отметим, что в настоящее время не существует единого критерия для оценки токсического действия пестицидов на окружающую среду. Нами в этом плане испытано около 20 показателей биологической активности почвы. Наиболее чувствительным индикатором ответной реакции микробного комплекса исследуемой почвы на воздействие пестицидов оказалась численность автотрофных нитрифицирующих микроорганизмов (Данилова, 2004). Такую же закономерность наблюдали L. Allievi, С. Gigliotty (2001), К. Brandt, (2001) при сравнении чувствительности чистых культур микроорганизмов, выделенных из почв Италии, США, к воздействию ряда пестицидов и связали эту закономерность с особенностями клеточного метаболизма автотрофных микроорганизмов. К тому же в условиях почвы, на

наш взгляд, колебания в численности гетеротрофов часто сложно утовить из-за большого их количества в почве, когда гибеть одних ассоциаций может компенсироваться быстрым ростом других, чего трудно ожидать от узкоспециализированной группы автотрофных нитрификаторов

В серии лабораторных опытов при благоприятных гидротермических условиях изученные пестициды даже в дозах, в 10 раз превышающих рекомендованные, не оказывали длительного (не более ЗОсуток) действия на чистенность сапрофитных микроорганизмов Вклад фактора «пестицид» в вариации показателя не превышал 20% Соответствующая величина для нитрифицирующих автотрофов составила 60-70% от общей вариации признака Ужесточение устовий среды (полевые опыты) приводило к повышению вклада пестицидной нагрузки в вариацию численности микроорганизмов в почве Так, доля влияния пестицидов на чистенность автотрофных нитрификаторов возрастала до 98% и до середины августа сохранялась на уровне 60% Уменьшение вклада пестицидов в вариацию чистенности микроорганизмов к концу вегетационного периода свидетельствует о том, что микробный комплекс почвы за вегетационный период в состоянии справиться с пестицидной нагрузкой, предполагаемой интенсивными технологиями возделывания зерновых в Приобье

Установлено, что минимизация основной обработки почвы может привести к понижению порога чувствительности микробного комплекса почвы к воздействию пестицидов А именно, производственные дозы препаратов на фоне нулевой обработки вызывали изменения сходные с таковыми на вспашке при удвоенных дозах Длительность токсического действия препаратов на стерневом фоне была в среднем на 30 суток больше, чем на вспашке, но не превышала 60 суток

Таким образом, на стерневых фонах ответная реакция микробного комплекса почвы на внесение пестицидов была более выраженной по сравнению со вспашкой

Из изложенного материала следует, что при благоприятных гидротермических условиях устойчивость микробного комплекса почвы к воздействию пестицидов проявлялась по типу сопротивления (Од>м, 1975, Бигон,1989) следовательно, запас прочности сообщества был таков, что основные характеристики его структуры и функции не реагировали на воздействие В более жестких условиях среды устойчивость сообщества проявилась по типу упругости, когда характеристики сообщества после изменений, вызванных пестицидом, той или иной скоростью возвращались в исходное состояние

Именно последнее свойство почвенного микробного комплекса было положено в основу классификации экологической опасности пестицидов, предложенной КН ОопвЬ е1 а1, (1983), согласно которой, степень воздействия изученных препаратов и их сочетаний на микробный комплекс исследуемой почвы оценивается как допустимая

Пределы упругости сообщества зависят от длительности и мощности воздействия фактора При этом оно может проходить несколько стадий (зон)

изменения в своей структуре и функции (Гузев и др.,1984). Согласно этим критериям, рекомендованный уровень пестицидной нагрузки на агроценоз на фоне вспашки находится в зоне гомеостаза микробного комплекса почвы; на фоне нулевой обработки — в зоне стресса.

Объяснение причин повышения экотоксикологической напряженности на фоне нулевой обработки в сравнении со вспашкой, на наш взгляд, необходимо искать, прежде всего, в различном содержании мортмассы в поверхностном слое почвы.

Принято считать, что чем больше в почве органического вещества, тем выше устойчивость микробного комплекса к токсическому действию пестицидов, и тем выше скорость разложения последних. Действительно, скорость трансформации пестицида повышалась при внесении в почву дополнительных источников энергии в виде растительных остатков и их компонентов (Головлева и др.,1980). В то же время известно, что, повышая дозу вносимого органического материала, можно добиться существенного снижения скорости биодеградации пестицида (Галиулин,1987, Ананьева, 2003, Abdelhafid et.al., 2000).

Для уточнения этого вопроса в серии лабораторных опытов была использована почва с естественно сложившимся различным количеством растительных остатков (бессменный пар, бессменная пшеница, многолетние травы, содержание Сморт. в них соответственно равнялось 1030, 1686, 2654 мг/кг). Установлено, что интенсивность СИД достоверно изменялась под влиянием 2,4-Д только в варианте 3 (табл.7). Длительность отклонения от контроля составила не менее 30 суток. Только на этом варианте были отмечены статистически достоверные отклонения от контроля численности микроорганизмов, утилизирующих органические источники азота (доля влияния фактора «пестицид» 78%); нитрифицирующих автотрофов (65%). Длительность отклонения от контроля составила не менее 60 суток. Сделан вывод, что накопление органического материала может способствовать снижению порога чувствительности микробного комплекса почвы к действию пестицидов. Видимо, подобные процессы имеют место при прекращении вспашки, способствующего локализации мортмассы в слое почвы 0-10 см.

Таблица 7. Влияние 2,4-Д на величину субстрат-индуцированного дыхания

почвы (СИД)

С мортмассы, Критерий Фишера для факторов

п/ ' Вариант мг/кг пестицид срок •

п наблюдения

1. 6 летний пар 1030 1,11 14,87

2. 6 летняя пшеница 1686 0,04 27,15

3. 6 летний посев 2654 19,45 148,00

трав

Установленный выше факт рассматривается и с другой точки зрения. А именно, отмеченные изменения можно было бы оценить как ответную реакцию

микробного комплекса почвы, направленную на уничтожение пестицида Однако, на основе результатов определения остаточных количеств 2,4-Д в описанной выше серии лабораторных опытов и данных многолетних исследований других авторов, проведенных на исследуемой почве (Малыгин, Новиков, 2000, Каличкин, Малыгин, 2002) сделан вывод, что увеличение запасов мортмассы в поверхностном слое выщелоченного чернозема при минимальной обработке не сопровождалась более быстрым разложением 2-4 Д по сравнению со вспашкой

Таким образом, минимизация основной обработки выщелоченного чернозема Приобья может сопровождаться понижением порога чувствительности почвенного микробного комплекса к воздействию пестицидов Повышение токсичности пестицидов на стерневых фонах в сравнении со вспашкой определенной мере является следствием накопления растительного материала в верхнем слое почвы (Данилова, Малыгин, 2005)

6.2. Особенности изменения численности, состава и

фитотоксичности грибного комплекса почвы при минимизации механической обработки

Установлено, что длительное отсутствие вспашки (более 15 лет) выщелоченного чернозема северной лесостепи даже при применении средств химизации может сопровождаться достоверным снижением урожайности зерновых (Власенко и др, 2003) На наш взгляд, в данном процессе немаловажное значение могут иметь биохимические и микробиологические особенности почвы, создающиеся при различной локализации растительных остатков в верхнем слое почвы в сочетании с накоплением средств химизации

Фитопатологи не исключают возможности того, что систематические пестицидные обработки стерни могут привести к нарушению равновесия между патогенной микрофлорой и их антагонистами (Wacha, Titfam,l979, Phillips,1984, Киреев, 2000) Накопление микотоксинов при многолетнем разложении стерни в ограниченном объеме почвы может привести к повышению токсичности почвы (Билай, 1948, Берестецкий, 1972, Лобков, 1997)

Результаты двух туров исследований после 1-й и 4-й ротаций севооборота свидетельствуют о том, что различия по плотности грибного населения почвы между вариантами опыта накапливались в течение достаточно длительного периода времени Достоверные различия между вспашкой и стерневыми фонами отмечались в 70% наблюдений При этом независимо от способа обработки показатель на интенсивном фоне химизации в среднем на 50-80% был выше, чем на экстенсивном

Известно, что пестициды могут оказывать избирательное действие таксономический состав микробного комплекса почвы, вследствие чего возможна смена доминирующих форм, нарушение равновесия между естественными симбионтами и антогонистами (Wamnght,1975, Nikish, Muller, 1980, Vancura, 1988) При этом авторы отмечают более высокую

супрессивность микробного комплекса почвы под стерней по сравнению со вспашкой (БЬиНрэ ,1984, Кузнецова и др., 1980; Бобко, 1980; Чулкина и др. 2003). Отметим, что эти сведения в основном относятся к почвам более южной зоны по сравнению с объектом нашего исследования, в котором в условиях более влажного и прохладного климата роль грибного компонента в разложении растительных остатков возрастает.

последняя пшеница после пара

май I июль I сент интенсивный

первая пшеница после пара

Рис. 2 Подавление роста корней проростков тест-культуры под влиянием грибов, выделенных из почвы, при различных способах механической обработки и уровнях пестицидной нагрузки

Примечание: ингибирование роста корней вычислено по формуле (Берестецкий, 1972): Аф (%) = 100- (До- Дн/Дк-Дн) х 100, где До, Дк - длина корней проростков через 24 часа соответственно в опыте и контроле, Дн - начальная длина корней (мм). (Допустимый уровень фитотоксичности, вычисленный по данной формуле равен 30%).

Установлено, что ни смена способа обработки, ни повышение пестицидного фона не влияли на состав доминирующих родов микроскопических грибов. При этом на заключительной культуре севооборота

отмечались изменения в количественном соотношении численности представителей различных родов, характер которых определялся уровнем пестицидной нагрузки и заключался в повышении доли представителей родов Fusanum и Pénicillium На стерневых фонах эта закономерность была более выражена в сравнении со вспашкой В почве под первой пшеницей после пара достоверных различий между пестицидными фонами отмечено меньше, чем на последней пшенице При этом наблюдалось снижение численности рода Pénicillium при возрастании таковой рода Fusanum, отклонения обнаружены только на стерневом фоне (Данилова, 2003)

Итак, к концу ротации севооборота на интенсивном пестицидном фоне возникает некоторая экотоксикологическая напряженность, которая ослабевает при паровании

Для выяснения экологических последствий периодически отмечаемой перестройки в составе грибного комплекса почвы проведены наблюдения за степенью его токсигенности Случаи проявления фитотоксичности грибной флоры почвы в исследуемой почве отмечались достаточно часто При этом уровень показателя был низким весной и повышался ко второй половине вегетационного периода (рис 2) На стерневом фоне фитотоксичность грибного комплекса почвы была почти в 2 раза выше, чем на вспашке Повышение пестицидного фона усиливало этот эффект Судя по литературным данным (Рудаков, Спиридонов, 1979, Монастырский, 1998, Мосина, 2002 и др ), повышение токсигенности грибов в данном случае можно рассматривать как ответную реакцию последних на ужесточение условий среды Исследования, проведенные одновременно на различных полях севооборота позволяют сделать вывод, что парование позволяет существенно снизить уровень грибной фитотоксичности почвы, следовательно, это негативное с точки зрения агрономии явление поддается антропогенной регуляции

Таким образом, минимизация основной обработки выщелоченного чернозема в сочетании с повышением пестицидного фона сопровождалась увеличением численности и периодическим изменением количественных соотношений между представителями доминирующих родов микроскопических грибов При этом направленность изменения грибного комплекса такова, что может привести к накоплению в агроценозе видов проявляющих фитотоксичные свойства

6.3. Комплексная экотоксикологическая оценка почвенной среды после 20 леггнего применения пестицидов в сочетании с минимизацией механической обработки.

Впервые для условий Западной Сибири реализован комплексный подход к оценке экотоксикологического состояния почвенной среды на основе исследования параметров структуры и функционирования почвенного микробного комплекса почвы, биотестирования на проростках высших растений и на клетках простейших

Основное влияние на динамику общей микробной биомассы оказывали способ основной обработки и срок отбора образцов Вклад пестицидного фона

в этот процесс был минимальным. При повышении химического фона во втором туре исследований по сравнению с первым отмечено несколько больше фактов отклонения индикаторных показателей от контроля. На фоне нулевой обработки эти отклонения отмечались чаще, чем на вспашке. Следовательно, можно заключить, что минимизация обработки сопровождалась некоторым повышением экотоксикологической напряженности в микробном комплексе почвы. Однако наблюдаемые отклонения, хотя и были статистически достоверны, по своей абсолютной величине не катастрофичны и вполне могут находиться в пределах естественной многолетней флюктуации показателей.

По динамике роста проростков высших растений судили во-первых, об экологических последствиях возможной перестройки микробного комплекса почвы, во вторых, об остаточной токсичности гербицидов, применяемых в агроценозе. Отмечено, что слой почвы 0-10см обычно не проявлял фитотоксичности по отношению к тест-объекту (проростки редиса). Весной в слое почвы 10-20 см на фоне вспашки отмечалось снижение всхожести семян тест-объекта на 50-80% в сравнении с нулевой обработкой. Этот эффект обычно исчезал к середине июля. Сделан вывод, что стерневые фоны по данному показателю более благополучны, чем вспашка, при которой в слое 1020 см возможно повышение фитотоксичности, связанное в свою очередь как с повышением токсигенности грибного населения почвы, так и возможным сохранением остатков гербицидов на запаханной соломе.

В заключительном этапе исследований проведена общая оценка зоотоксичности почвенной среды с применением в качестве тест-объекта простейших для оценки результатов многолетнего применения пестицидов на жизнеспособность микроскопических животных в почве. Установлено, что ни один из испытанных пестицидов (децис, диален, дифезан) не проявлял острой токсичности по отношению к инфузориям. При дозах, превышающих рекомендованные в 100 и более раз, отмечалось удлинение лаг-фазы на 1-2 суток по сравнению с контролем, что свидетельствует о чрезвычайно мягком действии современных пестицидов на почвенных животных. Не отмечено ни одного случая подавления развития простейших в водных вытяжках из почв изученных вариантов. Следовательно, 20 летняя минимизация механической обработки в сочетании с применением комплекса химических средств защиты растений не сопровождалась повышением токсигенности почвенной среды для микроскопических животных.

7, Сравнительная характеристика процессов, происходящих в почве при минимизации механической обработки и восстановлении естественной растительности

В свое время в научной литературе шла дискуссия о направленности почвообразовательного процесса при прекращении вспашки. Спектр мнений был достаточно широким от отрицания наличия даже признаков дернового процесса в минимально обрабатываемых почвах (Бука, Кисель, 1988) до признания полного восстановления естественного черноземообразовательного процесса в последних (Щикула, Назаренко,1990). Основным критерием для

оценок служила динамика гумуса в почве На наш взгляд, существенный вклад в решении проблемы может внести изучение вопроса с почвенно-микробиологических позиций Для этих целей на основе многолетних наблюдений за изменением свойств почвы при высадке на пашне многолетних трав и древесных пород определены основные направления изменения свойств самовосстанавливающейся почвы и проведена оценка степени их проявления при минимизации механической обработки

Характер накопления мортмассы при восстановлении аналогов естественной растительности был во многом сходным с таковым при минимизации механической обработки За 25 лет восстановительной сукцессии растительности количество мортмассы в слое 0-10 см под многолетними травами, древесными насаждениями повысилось по сравнению с пахотной почвой примерно в 2 раза и составило от 40 до 60 % от целины В слое 0-30 см величина показателя в восстанавливаемых ценозах была близкой к пашне и составила около 50% от целинных почв Таким образом, накопление негумифицированного органического вещества при восстановлении растительности происходило в самых верхних слоях за счет обеднения ею нижних

Снижение удельной скорости продуцирования СО; Судя по суммарным оценкам, направленность изменения дыхательной активности почвы при минимизации обработки и восстановлении растительности была противоположной Так, в первом случае показатель снизился по сравнению со вспашкой примерно на 10 %, во втором - повысился на 40% Однако расчет активности процесса на единицу веса мортмассы показывает, что удельная скорость минерализационных процессов в обоих опытах имела тенденцию к падению (на пашне равнялась 1,5 кг С-С02 / кг мортмассы, под травами - 0,6, под древесными посадками - 0,4-0,8, под березовым колком -0,4, на фоне вспашки 2,2-2,7 нулевой обработки -1,2-1,5) Следовательно, накопление мортмассы в восстанавливаемых ценозах и агроценозе является результатом повышения количества поступающего растительного вещества и замедления процессов его переработки Подтверждение этого вывода мы получили при оценке степени разложения целлюлозосодержащего материала, внесенного в почву с ненарушенной структурой Падение общей активности процесса примерно в 2,5 раза отмечена в ряду БГЦ пашня - многолетние травы -древесные насаждения - целина лес При благоприятных условиях увлажнения во второй половине вегетационного периода в травяных ценозах активность процесса примерно в 2 раза превышала таковую на пахотной почве, то есть при восстановлении растительности отмечалось смещение максимумов раз поженил опада к осени При минимизации основной обработки почвы эти два момента прослеживались достаточно четко Указанное снижение скорости минерализационных процессов являлось следствием сукцессионных процессов в микробной комплексе почвы Особенности изменения численности той или иной группы микроорганизмов в модельных БГЦ определялись местом группы в трофической цепи, образующейся в процессе разложения растительных остатков (Данилова, 2002) Сила влияния типа растительности снижалась в ряду

групп микроорганизмов: микроскопические грибы - бактерии, утилизирующие азот органический - азот минеральный - олиготрофы. Сукцессионный процесс, вызванный сменой произрастающей растительности, в течение 18-20 лет не затронул пока олиготрофную составляющую микробного комплекса почвы. При этом численность грибов повысилась на 40%, микроорганизмов, утилизирующих различные источники азота, снизилась на 20-30 %. Сходная закономерность отмечена и при минимизации основной обработки почвы, с той лишь разницей, что накопление грибных зачатков на стерневых фонах было выражено менее четко, чем при восстановлении естественной растительности

С особенностями накопления растительного вещества в экосистеме была связана ферментативная активность почвы. При восстановлении растительности повышение инвертазной активности верхнего слоя почвы тесно коррелировало с развитостью травяного покрова и была максимальной под травами и целинным лугом. Уровень уреазной активности был тесно связан с количеством мортмассы и численностью грибного населения почвы (Данилова, 2002). Последний факт позволил признать одной из причин повышения урезной активности выщелоченного чернозема при минимизации обработки увеличение в микробном комплексе почвы на стерневых фонах доли микроскопических грибов.

Снижение скорости накопления минерального азота в почве. Содержание нитратного азота в почве достоверно снижалось в ряду пашня -восстанавливаемые ценозы - целина — лес. В последних двух вариантах минеральный азот был представлен преимущественно в виде аммиачной формы, что могло быть обусловлено как подавлением нитрификации при восстановлении естественной растительности, так и быстрым поглощением нитратного азота корнями растений. Результаты определения показателя при компостировании почвы указывают на повышение активности процесса при восстановлении аналогов естественной растительности, что коррелирует с увеличением запасов мортмассы в почве в данном ряду вариантов. При нарушении естественного сложения почвы и равномерном перемешивании растительных остатков в объеме почвы происходит резкое возрастание скорости накопления нитратного азота. Кроме того, в нашем опыте еще до минерализации опада непосредственным источником нитратов может быть аммиачный азот, накопленный в восстанавливаемых ценозах в значительных количествах (до 20-30 мг/кг). Следовательно, скорость процесса, оцененная при лабораторном компостировании, вряд ли может служить показателем процессов, протекающих в естественных условиях.

Определение активности процесса в накопительной культуре, когда влияние естественных источников нитратов сведены к минимуму и оценивается только максимальная активность переработки внесенного аммиачного азота, показало абсолютное преимущество пахотной почвы. Численность нитрифицирующих микроорганизмов при этом на пашне была выше, чем во всех остальных ценозах примерно на 3 порядка. Полученные данные позволили заключить, что естественные ценозы по активности накопления нитратного азота существенно уступают пашне и восстанавливаемым ценозам, снижение

содержания нитратного азота в почве при восстановлении естественной растительности связано со снижением нитрифицирующей способности почвы, что в свою очередь обусловлено уменьшением численности и ухудшением условий среды для функционирования автотрофных нитрифицирующих бактерий

Таким образом снижение интенсивности нитрификационных процессов в черноземе выщелоченном при прекращении вспашки - процесс естественный связанный, прежде всего, с перераспределением растительного опада в почве Выравнивание показателя в слое 0-30 см в паровом поле очевидно связано с многократным перемешиванием верхнего слоя стерневых фонов, что существенно повышает численность и активность автотрофных нитрифицирующих микроорганизмов

Содержание Со6щ рассматривается как интегральный итог изменения процессов поступления, минерализации, закрепления углерода в почве При зарастании пашни многолетними травами за 18-20 лет восстановилось около 90% С0бш, присущего целинной почве Под древесными насаждениями темпы процесса были существенно ниже и при групповом анализе при помощи метода главных компонент показатель образовал одну группу с пашней В агроценозе спустя 20 лет после прекращения вспашки отмечена только тенденция к повышению содержания Сигш в верхнем слое стерневых фонов, что является, прежде всего, следствием отчуждения растительной биомассы с урожаем

Полученный экспериментальный материал является достаточно четкой иллюстрацией основополагающего положения экологии о том, что системообразующим фактором (Анохин, 1973) при восстановительной сукцессии растительности является стремление экосистемы к стабильности через накопление инертных форм органического вещества, когда на единицу энергии приходится максимум биомассы И это накопление в свою очередь достигается через снижение метаболической активности живой фазы почвы Минимизация обработки почвы приводит к сходным процессам, однако отчуждение продукции ограничивает процесс накопления органического вещества в агроэкосистеме

В целом, микробиологические и биохимические свойства почвы оказались наиболее чувствительными индикаторами стадий развития почвы при смене способа ее использования Наиболее характерные черты этого процесса в агроценозе и восстанавливаемых БГЦ заключались в следующем снижение мощности биологически активного слоя почвы повышение дочи быстрорастущих форм в сапрофитной части микробного комплекса повышение в нем дочи грибного населения снижение кочичества микробных клеток соответствующего единице Собщ и Сиортмассы При этом необходимо обратить внимание на одно обстоятельство Если сказанное выше в восстанавливаемых БГЦ четко прослеживалось и статистически доказывалось при высоких уровнях значимости, то в агроценозе часть закономерностей проявлялась в виде тенденций Так, например, в восстанавливаемых БГЦ статистически достоверно прослеживалась зависимость динамики численности отдельных групп микроорганизмов от места группы в трофической цепи, образующейся при разложении растительных остатков В агроценозе такой

ясной картины не наблюдалось именно потому, что, во-первых, количество растительного вещества, поступающего в почву, значительно уступало восстанавливаемым БГЦ и во-вторых, механическое воздействие, хотя и сокращенное, непрерывно нарушало сложение почвы, тем самым разрушало складывающееся равновесие в живой фазе почвы.

Фшпотоксичность грибной флоры почвы. Как известно, в начальных этапах разложения растительных остатков в микробном комплексе почвы часто повышается доля фитотоксичных грибов (Беккер и др., 1959; Мирчинк, 1963; Мирчинк, Бондаревская, 1979; Берестецкий и др., 1984; Мирчинк, 1988 и др.) Фитотоксичность сапротрофных грибов обеспечивает им преимущества в борьбе за питательный субстрат (Горленко,1975;

□ май

пашня травы береза целина лес

Рис.3 Подавление роста корней проростков тест-культуры грибами, выделенными из почвы под различной растительностью

Гродзинский, Головко,1983). Следовательно, данное свойство грибов - явление естественное, не всегда связанное с антропогенным воздействием на почву, имеющее свою динамику во времени, обусловленное с особенностями гидротермического режима вегетационного периода и поступлением в почву растительного опада. В аспекте обсуждаемой в главе проблемы важны два основных вывода, вытекающие из экспериментальных данных (рис.3). Во-первых, как в целинных, так и восстанавливаемых БГЦ уровень фитотоксичности грибной флоры был достаточно низким весной и повышался к осени, что связано, вероятно, с естественной динамикой поступления и разложения растительных остатков. Во-вторых, фитотоксичность грибов по отношению к тест-культуре пшенице была наиболее выражена на фоне многолетних злаковых трав и целинной разнотравно-злаковой растительности, что вполне объяснимо, если учесть экологическую роль явления грибного фитотоксикоза, как средства в конкурентной борьбе за источники пищи при разложении однородного по составу растительного вещества. Исходя из изложенного материала, можно заключить, что повышение фитотоксичности

грибнои флоры выщелоченного чернозема северной лесостепи при минимизации обработки является результатом наложения естественных и антропогенных факторов накопления растительных остатков в ограниченном объеме почвы и повышения токсигенности грибов в ответ на повышение пестицидной нагрузки на агроценоз

Таким образом, повышение фитотоксичности грибного населения почвы при минимизации основной обработки почвы можно рассматривать как некоторый шаг к восстановлению естественной микробиоты почвы

Заключение

Многолетними исследованиями с соисполнителями была показана возможность и экономическая эффективность минимизации механической обработки выщелоченных черноземов северной лесостепи Западной Сибири вплоть до полного отказа от вспашки Установлено, что при 20 летнем отсутствие вспашки плотность почвы не превышала оптимальных пределов для произрастания зерновых культур (1,04-1,17 г/см3) Разработанная технология применения спектра гербицидов позволяла снизить засоренность посевов на стерневых фонах примерно в 3 (1-я культура после пара) - 5 раз (4-я культура) и поддерживать показатель ниже уровня вредоносности Недостаток азота на стерневых фонах компенсировали внесением удобрений в дозе N50 под вторую культуру после пара и \'10о - под третью В среднем за 1996-2002 г г все виды обработки почвы на экстенсивном фоне обеспечили урожайность 2,052,20 т/га, при комплексной химизации -3,21-3,46 т/га с тенденцией снижения на нулевой обработке примерно на 10-15%

Изменение способа механической обработки почвы сопровождалось прежде всего перераспределением негумифицированного органического вещества в корнеобитаемом слое, что в свою очередь привело к усилению степени дифференциации этого слоя по микробиологическим и биохимическим показателям примерно в 3 раза в сравнении со вспашкой При этом установлено, что этот процесс стабилизируется в течение первой ротации пятипольного зернопарового севооборота

За счет снижения биологической активности слоя почвы ниже 10 см имело место обшее снижение интенсивности минерализационных процессов в корнеобитаемом слое почвы дыхательной активности на 300 кг С/га за вегетационный период (примерно 10% от общей продукции С-СО; в агроценозе), нитрификационной - на 20% в сравнении со вспашкой

Используя численность автотрофных нитрифицирующих микроорганизмов в качестве индикатора воздействия пестицидов на микробный комплекс почвы показано, что на стерневом фоне ответная реакция последнего регистрировалась при более низких дозах пестицидов по сравнению со вспашкой При этом длительность отклонения показателя от контроля на стерневом фоне увеличивалась на 30 суток по сравнению со вспашкой Под совместным влиянием минимизации механической обработки и воздействия пестицидов происходило повышение фитотоксичности грибного комплекса почвы Однако отмеченные отклонения видимо не имели решающего значения

в формировании фонового состояния среды, о чем свидетельствуют результаты комплексной экотоксикологической оценки почвенных условий спустя 20 лет после прекращения вспашки.

Сравнительный анализ процессов, происходящих в почве при минимизации механической обработки и восстановлении аналогов естественной растительности в старопахотной почве позволил заключить, что падение скорости минерализации органического вещества, активности нитрификационных процессов и повышение фитотоксичности грибного комплекса почвы являются общей чертой почв, выведенных их пахотного состояния. Использование почвы в агроценозе в условиях почвозащитного земледелия поддерживает уровень нитрификационных процессов на уровне, соответствующем степени минимизации обработки, применение пестицидов может усилить естественную тенденцию к повышению фитотоксичности грибного населения при накоплении и разложении растительных остатков в ограниченном объеме почвы.

В целом, новые знания, полученные при изучении изменения свойств почвы, выведенной из системы традиционной вспашки, и последующем прекращении агроиспользования ее, вносят вклад в развитии представлений о пределах самовосстановления экологических функций антропогенно измененных почв.

Выводы

1. Минимизация основной обработки выщелоченного чернозема сопровождалась повышением запасов С0вщ. в слое 0-30 см примерно на 10 %. Запасы С мортмассы и подвижного гумуса (С шел..) в целом слое 0-30 см не изменились. Обнаружена заметная дифференциация верхнего слоя почвы по запасу Сморт.: показатель в слое почвы 0-10 см на стерневых фонах примерно на 40 % был выше, чем на вспашке, в слоях 10-20 и 20-30см - ниже на 50%.

2. Особенности перераспределения растительных остатков в корнеобитаемом слое минимально обрабатываемой почвы привели к снижению мощности биологически активного слоя на фоне глубокого рыхления на 20-40%, мелкой плоскорезной обработки — на 30-50%, нулевой - на 50-80% по сравнению • с ежегодной вспашкой. В результате сукцессионного процесса, вызванного прекращением вспашки, снизилась амплитуда колебания численности микроорганизмов во времени, в сапрофитном комплексе почвы возросло относительное содержание быстрорастущих форм микроорганизмов, снизилось количество микроорганизмов, соответствующее единице веса С0бщ.-

3. Проведена количественная оценка степени микробиологической и биохимической дифференциации корнеобитаемого слоя почвы при 20 летней минимизации механической обработки. Показано, что этот процесс прекращается в течение первой ротации пятипольного зернопарового севооборота вследствие механической, хотя и сокращенной обработки почвы и стабилизации количества поступающего растительного вещества.

4 Общее снижение интенсивности микробиологических процессов при минимизации механической обработки почвы привело к снижению минерализационных потерь углерода из почвы примерно на 300 кг/га за вегетационный период

5 Показано, что при паровании в слое 0-100 см накопление нитратного азота фоне глубокого безотвального рыхления было на 10%, на нулевой обработке - на 20% ниже, чем на вспашке В слое 0-30 см этот показатель на стерневых фонах не уступал вспашке Установлено, что плоскорезная и нулевая обработки выщелоченного чернозема в первой половине вегетационного периода сдерживают минерализацию почвенного азота, и в результате запас нитратов в слое 0-30 см оказывается на 10-30 кг/га меньше в сравнении с вариантом вспашки Выравнивание содержания нитратов в этом слое почвы между разными вариантами обработок происходило только к 20-30 июля за счет опережающих темпов минерализации почвенного азота в верхнем слое стерневых фонов

6 Удлинение срока отсутствия вспашки не сопровождалось прогрессирующим снижением азотминерализующей способности почвы Динамика процесса представляла собой повторяющийся цикл от парового поля к заключительной культуре севооборота

7 В результате комплексных исследований с соисполнителями показано, что степень засоренности посевов при переходе от обыкновенных черноземов южной лесотепи к выщелоченным черноземам северной лесостепи возрастает в 2 раза При этом подбор спектра средств защиты растений позволил поддерживать уровень засоренности посевов ниже уровня вредоносности Проведена оценка устойчивости микробного комплекса почвы к воздействию 2, 10 кратных доз пестицидов, рекомендованных для применения в зерновых агроценозах Приобья Показано, что все флуктуации численности и активности микроорганизмов под действием химических средств защиты растений находятся в пределах устойчивости микробного комплекса почвы В качестве индикатора уровня антропогенной нагрузки на агроценоз предложена численность автотрофных нитрифицирующих микроорганизмов, учитываемых на выщелоченном агаре с аммонийно-магниевой солью фосфорной кислоты

8 Минимизация механической обработки почвы способствовало понижению порога чувствительности микробного комплекса выщелоченного чернозема к воздействию пестицидов, что коррелировало с увеличением запасов мортмассы в верхнем слое почвы Повышение уровня биологической активности почвы при увеличении запасов мортмассы в слое почвы 0-10 см на стерневых фонах, как показано на примере 2,4-Д, не сопровождалось интенсификацией разложения пестицидов

9 На основе разработанного и опробованного в многолетних исследованиях способа определения фитотоксичности комплекса микроскопических грибов установлено, что прекращение вспашки способствовало повышению численности и фитотоксичности грибного населения почвы

10. В среднем за 1996-2002 г.г. все виды обработки почвы на экстенсивном фоне обеспечили урожайность 2,05-2,20 т/га, при комплексной химизации -3,21-3,46 т/га с тенденцией снижения на нулевой обработке примерно на 1015%. Установлены почвенно-микробиологические параметры почвы, обеспечивающие стабильное функционирование агроценоза в данных условиях.

11. Для определения направленности почвообразовательного процесса при прекращении традиционной вспашки проведены многолетние исследования динамики свойств старопахотной почвы при восстановлении на ней аналогов естественной растительности. На основе обнаруженных сходных черт в накоплении С мортмассы, удельной активности минерализационных процессов, особенностях микробиологических, биохимических показателей

, и динамики формирования фитотоксичных свойств грибного населения почвы сделан вывод, что особенности микробной сукцессии, вызванной заменой вспашки поверхностными обработками являются этапом в процессе самовосстановления свойств, присущих целинной почве.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

1. Кирюшин В.И., Данилова A.A. Биологическая активность выщелоченного чернозема Приобья в связи с интенсификацией возделывания зерновых культур //Агрохимия. - 1990.- №9.- С.79-86.

2. Данилова A.A., Халимон В.Н., Чепрасов A.A. Биологическая активность чернозема выщелоченного и урожайность пшеницы при минимализации основной обработки //Сибирский вест. с.-х. науки.-1990.- №2.- С.3-8.

3. Шарков И.Н., Данилова A.A., Халимон В.Н. Запас негумифицированных растительных остатков и биологическая активность выщелоченного чернозема при минимализации основной обработки //Почвоведение. -1991.-№12,- С.130-135..

4. Якутии М.В., Данилова A.A. Влияние длительного применения пестицидов на комплекс микроорганизмов почвы //Эколого-экономические основы безопасной жизнедеятельности: Мат. 2 Всероссийской конференции 4.1. Новосибирск,1993.- С.61-63.

5. Шарков И.Н., Букреева СЛ., Данилова A.A. Роль легкоминерализуемого органического вещества в стабилизации запасов углерода в пахотных почвах //Сибирский экологический журнал. - 1997.- №4.- С.363-368..

6. Данилова A.A., Самохвалова Л.М. Применение плазмохимической азотной кислоты в качестве удобрения на солонцовых почвах Западной Сибири //Почвозащитная система земледелия и зерновое производство на Евразийском континенте в XXI веке. Мат. Междунар. конференции. Новосибирск, 1998.- С.110-112.

7. Данилова A.A., Самохвалова Л.М., Карван Г.В. Состояние микробного комплекса выщелоченного чернозема при многолетнем применении плазмохимической азотной кислоты в качестве удобрения // Почвы Сибири, их использование и охрана. Красноярск, 1999.- С.57-58.

8 Данилова А А Изменение микробного комплекса почвы при смене типа произрастающей растительности //Проблемы стабилизации и развития сельскохозяйственного производства Сибири, Монголии и Казахстана в XXI веке Мат Междунар науч - практ конф Часть 1 Земледелие, растениеводство и селекция Новосибирск, 1999 - С 45-46

9 Данилова А А Особенности изменения биологических свойств аллювиальной дерновой почвы при выводе ее из интенсивного сельскохозяйственного использования // Проблемы сельскохозяйственной экологии Доклады науч - практ конф Новосибирск, 2000 - С 80

10 Гончаров П Л, Шарков И Н , Букреева С Л, Данилова А А Сравнительная характеристика свойств почвы и процессов превращения органического вещества в различных биогеоценозах лесостепи Приобья //Сельскохозяйственная наука Сибири (1969-1999) Сборник научных трудов Новосибирск, СОРАСХН, 1999-С151-163

11 Данилова А А Чувствительность различных показателей ферментативной активности аллювиальной почвы к смене типа произрастающей растительности //Проблемы стабилизации и развития сельского хозяйства Казахстана, Сибири и Монголии Мат 3 Междунар конф Новосибирск, 2000 - С 24-25

12 Данилова А А Изменение ферментативной активности пахотной аллювиальной почвы при восстановлении естественной растительности //Сибирский вестник с -х науки , .4« 3-4 - 2002 - С 14-19

13 Данилова А А Изменение токсичности микофлоры при многолетней минимальной обработке выщелоченного чернозема в сочетании с применением пестицидов // Геоэкологические проблемы почвоведения и оценки земель Мат Междунар конф Томск , 2002 - С 33-36

14 Данилова А А Особенности сукцессионных процессов в почве при смене типа произрастающей растительности / Сибирский экологический журнал -2002-№3-С 331-336

15 Данилова А А Содержание ферментных белков в органическом веществе дерновой почвы под различными типами растительности //Научное обеспечение АПК Сибири, Монголии, Казахстана, Беларуси и Башкортостана Мат 5-й Междунар науч -практ конф Новосибирск, 2002 -С 109-110

16 Данилова А А Изменение грибного комплекса выщелоченного чернозема при минимизации основной обработки// Повышение устойчивости биоресурсов на адаптивно-ландшафтной основе Мат Междунар Науч -практ конф , ч 1 Оренбург Издательский центр ОГАУ, 2003 - С 288-292

17 Данилова А А Изменение свойств почвы при восстановлении естественной растительности // Почвы Сибири, их использование и охрана Абакан, 2003 -С 59-64

18 Самохвалова Л М, Данилова А А Исследование влияния азотных удобрений на урожайность зерновых и биологические свойства солонцов

Западной Сибири //Почвы Сибири, их использование и охрана. Сборник научных трудов. Абакан, 2003.- С. 21- 24.

19. Данилова A.A. Некоторые почвенно-микробиологические проблемы минимизации основной обработки почвы в северной лесостепи Приобья //Мат. 5-й Междунар. Науч.-практ. конф., посвящ. 95 летию со дня рождения академика ВАСХНИЛ А.И. Бараева. Шортанды, 2003,- С. 288-292.

20. Букреева С.Л., Шарков И.Н., Данилова A.A., Прозоров A.C. Минерализация растительных остатков в почве в условиях различных биогеоценозов лесостепи Западной Сибири //Мат IV Докучаевского съезда почвоведов,-Кн.2.Новосибирск, 2004,- С. 36.

21. Барашкова Н.В., Данилова A.A. Изменение свойств мерзлотной почвы при окультуривании деградированных пастбищ Центральной Якутии //Сибирский вестн. с.-х. науки.- 2004.- № 2.- С.83-85..

22. Данилова A.A. К вопросу о выраженности дернового процесса при минимизации основной обработки выщелоченного чернозема //Агроэкологическая оптимизация земледелия. Мат. Междунар. науч. — практ. конф. Курск, 2004,- С.237-238.

23. Данилова A.A. Численность нитрифицирующих автотрофных микроорганизмов как индикатор антропогенной нагрузки на агроценоз // Сибирский вестн. с.-х. науки .- 2004.- № 2.- С.96-98..

24. Данилова A.A., Колбин С.А. Соотношение процессов самовосстановления и культурного почвообразования при минимизации основной обработки выщелоченного чернозема // Плодородие. - 2005,- №5.- С.35-37.

25. Данилова A.A., Барашкова Н.В. Оценка биодинамики аласных почв Центральной Якутии //Аграрная наука-сельскохозяйственному производству Сибири,Монголии,Казахстана и Кыргызстана. Тр.8-й междунар. науч.-практ. конф. Новосибирск, 2005.- С. 150-155.

26. Шарков И.Н., Букреева С.Л., Данилова A.A., Прозоров A.C. Влияние длительного применения способов основной обработки почвы и удобрений на содержание органического вещества в выщелоченном черноземе Западной Сибири// Агроэкологические функции органического вещества почв и использование органических удобрений и биоресурсов в ландшафтном земледелии. Мат. Междунар.науч,- практ. конф. М., 2004,-С.204-208.

27. Шарков И.Н., Данилова A.A., Колбин С.А. Влияние азотного удобрения и соломы на минерализацию гумуса выщелоченного чернозема //Агрохимические проблемы биологической интенсификации земледелия. Доклады Междунар. .науч.- практ. конф. Владимир, 2005.- С. 134 - 138.

28. Данилова A.A. Оценка динамики мобильных органических веществ при различных способах основной обработки почвы по показателям ее ферментативной активности //Роль современных технологий в устойчивом развитии АПК. Мат. междунар. конф. Курган, 2006.- С.298-304.

29. Данилова A.A., Малыгин А.Е. Изменение токсичности пестицидов при минимизации основной обработки почвы и роль мортмассы в этом процессе//Сибирский вестн. с.-х. науки.- 2005.- № 5.- С.30-35.

30 Данилова А А Простой способ определения суммарной фитотоксичности комплекса микроскопических грибов почвы Заявка на патент. Приоритет 2005140012/20(044603) от 20.12 06

31 Данилова А А Восстановление некоторых составляющих круговорота органического вещества при зарастании почвы аналогами естественной растительности //Сибирский вестн. с - х науки - 2006 - №7 - С 17-20

32 Данилова А А Оценка динамики мобильных органических веществ при различных способах основной обработки почвы по показателям ее ферментативной активности // Сибирский вестн с - х науки - 2007 - ЛЧ -С 14 - 21.

2,25 печ л.

Тир. 100 экз

Зак. 101

Центр оперативной полиграфии ФГОУ ВПО РГАУ - МСХА им К А. Тимирязева 127550, Москва, ул Тимирязевская, 44