Активное органическое вещество как регулятор процессов трансформации азота и углерода в дерново-подзолистых почвах

Орлова, Ольга Владимировна

Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему
Активное органическое вещество как регулятор процессов трансформации азота и углерода в дерново-подзолистых почвах
ВАК РФ 06.01.03, Агропочвоведение и агрофизика

Автореферат диссертации по теме "Активное органическое вещество как регулятор процессов трансформации азота и углерода в дерново-подзолистых почвах"

На правах рукописи ¥

Орлова Ольга Владимировна

АКТИВНОЕ ОРГАНИЧЕСКОЕ ВЕЩЕСТВО КАК РЕГУЛЯТОР ПРОЦЕССОВ ТРАНСФОРМАЦИИ АЗОТА И УГЛЕРОДА В ДЕРНОВО-ПОДЗОЛИСТЫХ

ПОЧВАХ

Специальность 06.01.03 - агрофизика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора биологических наук

г 8 НОЯ 2013

Санкт-Петербург 2013

005539731

Работа выполнена в Государственном научном учреждении Всероссийский научно-исследовательский институт сельскохозяйственной микробиологии Российской академии сельскохозяйственных наук

Научный консультант Архипченко Ирина Александровна

доктор биологических наук, доцент по специальности, ведущий научный сотрудник, ГНУ ВНИИСХМ Россельхозакадемии

Официальные оппоненты:

Витковская Светлана Евгеньевна доктор биологических наук, доцент по специальности, главный научный сотрудник, ГНУ АФИ Россельхозакадемии

Бакина Людмила Георгиевна доктор биологических наук, доцент по специальности, заведующий лабораторией, Санкт-Петербургский научно-исследовательский центр экологической безопасности РАН

Лукин Сергей Михайлович доктор биологических наук, доцент по специальности, директор, ГНУ ВНИПТИОУ Россельхозакадемии

Ведущая организация ГНУ ВНИИ агрохимии им.Д.Н. Прянишникова Россельхозакадемии

Защита состоится декабря 2013 г в /Г'^часов на заседании диссертационного совета Д 006.001.01 при Агрофизическом институте Россельхозакадемии по адресу: Санкт-Петербург, Гражданский пр., д. 14.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Агрофизического института.

Автореферат разослан АГ II. 2013 г.

Просим принять участие в работ« совета или прислать письменный отзыв о данном реферате (в двух экземплярах, заверенных печатью) по адресу: 195220, Санкт-Петербург, Гражданский пр., д. 14.

Ученый секретарь диссертационного

совета, доктор биол.наук Я ^ Е.В.Канаш

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Почва является основой существования человечества, не только в плане получения продовольствия, но и функционирования биосферы (Добровольский, 2007). При выполнении почвой своих функций ключевыми являются микробиологические процессы трансформации углерода и азота, которые в значительной степени зависят от содержания гумуса и количества доступного для разложения органического вещества (ОВ). Наибольшая роль в доступном ОВ принадлежит активному, наиболее быстро оборачиваемому ОВ (ЬПсо1агс1о1 с(.а1., 1994; Семенов, 2004), состоящему из легкоминерализуемого ОВ и микробной биомассы. Оценка количества активного ОВ и его влияния на трансформационные процессы дерново-подзолистых почв изучены недостаточно. Так, несмотря на признание существенной роли биомассы почвенных микроорганизмов, до сих пор нет общепризнанных методов оценки и единодушного мнения о влиянии природных и антропогенных факторов на величину и активность микробной биомассы. Недостаточно изучено и влияние интенсивности оборачиваемости микробной биомассы для процессов гумусообразования, а также закрепления в дерново-подзолистой почве азота удобрений. Мало проводилось исследований по определению прямой доступности для микрооргаиизмов подвижного почвенного органического вещества (ПОВ).

В настоящее время в России уровень применения удобрений, особенно органических, крайне низок, что приводит к снижению плодородия почв и деградации гумуса. В то же время происходит накопление отходов животноводства, в частности куриного помета, представляющих серьезную экологическую опасность. Решением проблемы должно стать производство биоудобрений, сочетающих преимущества органических и минеральных удобрений.

Для обеспечения стабильной продуктивности дерново-подзолистых почв необходимы исследования, посвященные разработке приемов управления процессами трансформации органического вещества. Биоудобрения, вносимые в меньших по сравнению с навозом дозах, могут рассматриваться как катализатор микробиологических трансформационных процессов почвы, направленно воздействующий на функционирование почвенного микробоценоза и эффективность гумусообразования. С теоретической и практической точек зрения было целесообразно исследовать механизм действия биоудобрений, выявить их влияние на урожай с.-х. культур, качество продукции, гумусообразование и плодородие почв, разработать рекомендации по нормам и способам внесения. Актуальной является и разработка приемов использования биоудобрений в качестве ускорителей разложения нефти, опилок, твердых бытовых отходов (ТБО). В связи с этим были определены основные направления исследований, которые соответствуют требованиям агропромышленного комплекса и охраны окружающей среды.

Цель работы. Определить основные закономерности регуляции процессов трансформации азота и углерода активным органическим веществом дерново-подзолистых почв и биоудобрениями из отходов животноводства.

Задачи исследований-.

1. Изучить преимущества использования 2-х фракций доступного ПОВ вместо одной. Определить доступность лабильного гумуса, образующегося в почвах при внесении разных удобрений, в качестве источника питания микроорганизмов.

2. Исследовать особенности влияния природных и антропогенных факторов на размеры микробной биомассы в дерново-подзолистых почвах. Изучить возможность применения биомассы микроорганизмов в качестве индикатора сдвига почвенного равновесия.

3. Исследовать роль растений в регулировании процессов трансформации С и N в почве прикорневой зоны через микробную биомассу.

4. Определить роль количества и активности микробной биомассы в закреплении азота удобрений в почвенном органическом веществе.

5. Изучить механизм действия биоудобрений в почве, выявить его особенности для гранулированных форм биоудобрений по сравнению с порошкообразными.

6. Выявить взаимосвязь между интенсивностью биологических процессов и устойчивостью гумусного состояния в дерново-подзолистых почвах.

7. Определить основные особенности биоудобрений, позволяющие регулировать баланс гумуса в почве.

8. Исследовать возможность применения биоудобрений в качестве биоактиваторов разложения труднодоступных органических соединений и для рекультивации нефтезагрязненных почв.

Научная новизна. Впервые проведена прямая оценка доступности лабильного гумуса для питания микроорганизмов, а также изучено влияние биоудобрений на его количество и состав.

Обнаружен эффект большей чувствительности ко многим факторам содержания азота в микробной биомассе по сравнению с С-биомассы, определяемым регидратационным методом. Показано, что количество С микробной биомассы для дерново-подзолистых почв отражает пул микроорганизмов, характерный для данной почвы и является довольно стабильной величиной.

В модельных экспериментах с меченными ^ удобрениями выявлена большая значимость для иммобилизации азота в почве активности микробоценоза, по сравнению с количеством С и N микробной биомассы.

Выявлено, что наиболее информативными микробиологическими показателями, связанными с урожаем, закреплением азота в ПОВ и устойчивостью почв являются потоки азота и углерода через микробную биомассу, являющиеся результирующими активности и количества микробной биомассы. Систематизированы для дерново-подзолистых почв условия, при которых рост интенсивности микробиологической деятельности не ведет к потерям гумуса в почвах.

Установлен механизм действия биоудобрений Бамил и Омуг на дерново-подзолистую почву, включая особенности действия гранулированной формы. Теоретически обоснована и практически показана возможность регулировать с

помощью биоудобрений структуру и функционирование микробного сообщества почв, содержание в почве гумуса.

Впервые исследованы микробиологические и химические показатели трансформации С и N в компостах из ТБО при введении биоудобрений Бамил и Омуг. Установлены необходимые для интенсификации процесса дозы биодобавок при введении на разных фазах компостирования и оптимальные условия ферментации.

Практическая значимость работы. Разработанный метод разделения доступного ОВ почвы на два пула позволит оценивать и прогнозировать устойчивость гумусного состояния почв при воздействии краткосрочных факторов. Метод может быть успешно использован при составлении моделей трансформации углерода в почве.

Данные о чувствительности интегральных микробиологических показателей целесообразно использовать для проведения экологического мониторинга почв, обоснования новых агротехнологий и прогноза их влияния на гумусное состояние дерново-подзолистых почв, что обеспечит получение полной и объективной информации.

Предложенные теоретические и практические положения о регулировании трансформационных процессов в почвах с помощью биоудобрений Омуг и Бамил могут служить основой разработки систем земледелия, обеспечивающих повышение эффективного плодородия, сохранности и устойчивости гумусного состояния почвы.

Материалы исследований изучения механизма действия биоудобрений использованы при составлении рекомендаций по применению биоудобрений в агропромышленном комплексе. Предложены научно обоснованные нормы и способы внесения биоудобрения Омуг под различные культуры для дерново-подзолистых почв.

Разработанные приемы активации ферментации и дозревания ТБО, рецептуры и способы производства на их основе почвогрунтов могут быть использованы для переработки ТБО в коммерчески востребованные продукты. Это позволит решить важнейшую экологическую проблему больших городов - переработку мусора.

Полученные результаты об эффективности гуминовых препаратов на основе компостов из ТБО позволяют использовать этот широко распространенный «ресурс» наряду с торфом для производства качественных гуминовых препаратов.

Результаты работы могут быть использованы в лекционных курсах по биологии почв, биогеохимии, агрохимии и экологии. Результаты исследований, имеющих потенциальное коммерческое значение, защищены 6 патентами РФ.

Основные положения, выносимые на защиту:

1) Обоснование необходимости для правильной оценки направленности изменения гумусового состояния почвы не суммарного доступного ОВ, а двух пулов разной скорости минерализации.

2) Предлагается классификация факторов, влияющих на размер С микробной биомассы (методом регидратации) дерново-подзолистых почв.

физической глины, а поэтому - стабильной величиной. Обогащенность азотом микробной биомассы и потоки С и N через нее являются более информативными показателем, так как эти характеристики тесно связаны с активностью микроорганизмов.

4) Закрепление азота удобрений в ПОВ зависит в большей степени от скорости оборачиваемости микробной биомассы (активности), а не от ее размеров.

5) Установлены условия, при которых повышение микробиологической активности дерново-подзолистых почв приводит к нарастанию процессов гумусообразования, а не ускорению минерализации.

6) Механизм регуляции трансформационных процессов в почвах с помощью биоудобрений Бамил и Омуг.

Апробация работы и публикации. Результаты исследований и основные положения диссертации были доложены и обсуждены на Международных научно-практических конференциях: «Microbial ecotechnology in processing of organic and agricultural wastes" (СПб. 2000), «Recycling of Agricultural, Municipal and Industrial Residues in Agriculture (Italy, 2000; Spain 2004), 12th World fertilizer Congress (China, 2001), «Practical Solutions for Managing Optimum С and N Content in Agricultural Soils» (Prague, 2003), «Агроэкологические функции органического вещества почв и использование органических удобрений и биоресурсов в ландшафтном земледелии» (Владимир, 2004), «Основные итоги и приоритеты научного обеспечения ПАК Евро-Северо-Востока», (Киров, 2005), «Chicken Manure Treatment and Application in Europe and Asia», (Hamburg, 2005), «Агроэкологические проблемы использования органических удобрений на основе отходов промышленного животноводства» (Владимир, 2006), «Рециклинг. Переработка отходов и чистые технологии», (Москва, 2006), «Applied and Fundamental Aspects of Responses, Signaling and Development Process in the Root-Microbe Systems» (СПб, 2007), «Инновационные технологии использования торфа в сельском хозяйстве» (Владимир, 2010), «Инновационные биотехнологии в странах Евро Аз ЭС» (Минск, 2011; СПб, 2012); на II, III и V съездах ДО почвоведов (СПб, 1996; Суздаль, 2000; Ростов-на-Дону, 2008 г); на Всероссийских конференциях «Микробиология почв и земледелие» (СПб, 1998), «Экологические проблемы большого города» (СПб, 2001), «Рациональное природопользование» (Москва, 2007).

По теме диссертации опубликовано 61 научная работа, в том числе 14 статей в журналах, рекомендованных ВАК, 24 статьи в журналах, сборниках научных трудов и материалах конференций, 6 патентов.

Личный вклад автора в работу. Автором определена постановка проблемы, ему принадлежит разработка задач и реализация на всех этапах исследования. Экспериментальный материал получен лично автором или под его руководством в полевых и лабораторных исследованиях. Обработка, обобщение и интерпретация полученных результатов проведена лично автором.

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 322 страницах машинописного текста, состоит из введения, восьми глав, выводов и приложения, содержит 95 таблиц в основном тексте и 5 в приложении, а также 64 рисунка. Список

использованной литературы включает 342 источника, в том числе 129 на иностранных языках.

Благодарности. Автор приносит глубокую благодарность д.б.н. И.А.Архипченко под чьим руководством выполнялась эта работа. Автор приносит благодарность своим учителям, коллегам и друзьям Л.Б.Сироте, Р.С.Кутузовой, О.В.Свиридовой,

H.И.Воробьеву, Е.В.Денисовой, Н.В.Мятлик за помощь, поддержку, консультации и ценные советы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1. Агрономическая и экологическая роль активного органического вещества

в почве (обзор литературы)

Рассмотрены современные представления об агрономической и экологической роли различных фракций органического вещества в почве: активного, медленноразлагаемого, пассивного, доступного, подвижного и т.д. Показана особая роль биомассы почвенных микроорганизмов, сочетающей свойства пула доступного органического вещества и, одновременно действующего агента трансформационных процессов в почве.

Глава 2. Объекты и методы исследования

Диссертационная работа является обобщением результатов, полученных автором при выполнении научно-исследовательских работ в соответствии с ОНТП ВНИИ сельскохозяйственной микробиологии в период 1990-2012 гг., научными проектами и грантами (ФЦП «Интеграция»; ФЦП "Биологические и микробиологические средства защиты и питания основных сельскохозяйственных культур полифункционального действия"; программе «Биоконверсия отходов птицеводства», международном проекте «Разработать приемы управления активностью микробных сообществ при разложении органических и сельскохозяйственных отходов»; грант Шведской Академии наук, № 12638 «Влияние избыточного активного ила и отходов свиноферм на окружающую среду и агрономическую ценность органических отходов»; госконтракты № 02.515.11.5019 и №1б.М.04.11.0013.).

2.1.Объекты исследования

Основными объектами исследования являлись 1) активное органическое вещество дерново-подзолистых почв и 2) биоудобрение Омуг.

Омут — биоудобрение, полученное при аэробной ферментации подстилочного куриного помета, содержащее (на ас.в.) азота 2,13-3,04%, фосфора - 1,6-2,7%, калия -

I,65-3,9% и от 104 до 108 КОЕ/г активных микроорганизмов. Омуг производили в порошкообразной (влажность 36,5-56,9%) и гранулированной форме с влажностью 5,214,0% (диаметр гранул от 6 до 10 мм), в 2005 и 2006 годах были испытаны партии Омуга. в которые при грануляции добавляли от 5 до 20% по весу минеральных

удобрений (NPK). В опытах с разложением нефти использовали биопрепарат «Омуг-15», созданный на основе Омуга и микроорганизма-алканотрофа Bacillus cereus штамм Зк.

В отдельных опытах использовали биоудобрения: Бамил, полученный из активного ила аэротенков очистных сооружений свинооткормочного комплекса «Восточный» (влажность JO-12%, No6,r -4-5%, Ро6щ. - 2.0%, К1)6щ,- 0,8%), и Пудрет, полученный при инфракрасной сушке бесподстилочного помета (влажность 9,5%, N^,,,. -3,5%, Ро6щ. - 1.0%, Кобщ.,-1,0%).

В опытах по улучшению качества компостов из твердых бытовых отходов (ТБО) использовали органическую фракцию ТБО (завод МПБО-1 пос.Горелово, С.-Петербург) и компост из несортированных ТБО (завод МПБО-2 пос.Янино, С.-Петербург).

2.2.Схемы экспериментов

Влияние антропогенных и естественных факторов на размеры микробной биомассы было вычленено в результате обобщения данных целого ряда лабораторных, лизиметрических, вегетационных и полевых экспериментов, проводимых в лаборатории с различными целями.

Влияние режима влажности (60 и 90% 1111В (полной полевой влагоемкости)) и внесенного доступного углерода (целлюлоза из расчета Cuen:Nya=25:l) на микробиологическую трансформацию углерода и азота изучали в лабораторном опыте на дерново-подзолистой среднесуглинистой почве с содержанием СгуМ 2,98%, N06,u 0,235%. В почву вносили меченный по 15N сульфат аммония (обогащение 25,387 ат.%) из расчета 100 мг N на кг почвы.

Изучение роли нативного и внесенного доступного органического вещества почвы на трансформацию азотных удобрений в присутствии растений проводили в вегетационном опыте с пекинской капустой, заложенном на почвах, отобранных с длительного полевого опыта Люберецкой опытной станции НИИУИФ (г.Москва). Для исследований взяли почву с 4-х вариантов: PK, NPK, РК+навоз и NPK+навоз. На них накладывали варианты опыта: 1) PK; 2) NPK; 3) NPK+ глюкоза. Азот удобрений вносили в виде K15N03 (обогащение 47,032 ат.%) из расчета 100 мг N на кг почвы; глюкозу - из расчета 1 г С/кг почвы.

Оценку влияния биоудобрений на образование и доступность подвижных гумусовых соединений проводили в опыте на дерново-подзолистой легкосуглинистой почве (С„,м - 1,88%; Notta - 0,142%; рНка 6,5; подвижные Р205 и К20 - 28,8 и 21,0 мг/100 г) с закопанными сосудами (объемом 7,5 л), растения - райграс. Схема опыта: 1) PK; 2) PK+N^; 3)РК + бамил; 4) PK + омуг; 5) PK + пудрет. Удобрения вносили из расчета 100 мг действующего вещества на кг почвы. Во время первого укоса (45 день) было снято по два сосуда с варианта. Оставшиеся сосуды были выкопаны на 347-й день опыта. Выделяли нейтральным ОД Н пирофосфатом Na гумусовые соединения и проводили анализ их доступности для микроорганизмов.

Исследования влияния системы удобрения и положения на склоне (угол наклона 5 ) на качество почвенного органического вещества и микробную биомассу проводили в полевом агроландшафтном опыте (ЦОС «Барыбино», ВИУА) в 1995-1998 годах на дерново-подзолистой тяжелосуглинистой почве. Образцы отбирали весной на вариантах

минеральной и органно-минеральной систем удобрения до проведения агромероприятий. Навоз в органно-минеральной системе вносили при закладке опыта.

Почвенные образцы из междурядий и ризосферы озимой ржи (1998 г), посеянной по сидеральному (сидерат - озимая рожь в фазе цветения) и по черному (с навозом осенью) пару отбирали в полевом опыте на базе опытной станции АФИ в Меньково (Ленинградская область). Почва дерново-подзолистая, легкосуглинистая, хорошо-окультуренная. Почву из ризосферы отбирали, стряхивая почву с корней растений, по фазам развития растений: 4 июня (фаза трубкования), 23 июня (колошение) и 2 июля (фаза полного цветения).

Полевой опыт с картофелем сорта "Невский" для изучения влияния Бамила на трансформационные процессы в почве был заложен на дерново-подзолистой среднесуглинистой почве (рНкс1 - 6.5, общий азот - 0.20 %, гумус - 2.6 %), площадь делянки - 23 м2, повторноеть трехкратная. Схема опыта: 1) контроль; 2) N^90*420; 3) ^1501^90^1205 4) бамил (Ы - 5 % на сухое вещество), 2 т/га; 5) бамил, 2 т/га + Ы9ЭР90К12о.

Полевые опыты с внесением биоудобрений с овощными (свекла, морковь, лук, кабачки, кольраби) и зерновыми (ячмень) культурами проводили на опытном поле ГНУ ВНИИСХМ на дерново-подзолистой окультуренной почве легкого механического состава. Опыты проводили на двух, отличающихся по плодородию участках. Участок № 1 (опыты в 2000-2006 годах) характеризуется следующими агрохимическими параметрами: С,^ 1,84-2.03%, N„6,,, - 0,130-0,162%, подвижного фосфора - 11,5-14,45 мг/100 г; обменного калия - 7,8-13,5 мг/100 г, величина рНКа 5,00-5,62. Участок № 2 (опыты 2007-2009 годов) имел параметры: Сом 2,19-2,96%, Ыо5щ - 0,160-0,210%, подвижного фосфора - 31,0-37,0 мг/100 г; обменного калия — 6,1-12,0 мг/100 г, рНка 6,34-6,52. Опыты с разными дозами Омуга (участок 1) с корнеплодами (свекла и морковь) и зерновыми (ячмень) включали варианты: контроль (без удобрений, минеральные удобрения), внесение Омуга в дозах 4 и 6 т/га, смешанная система удобрений (Омуг 4 т/га+Ы50Р5оК17о). Эффективность гранулированного Омуга по сравнению с порошкообразным была испытана в 2005-2009 г, почва участков 1 и 2. Схема опытов: контроль без удобрений, полная доза минеральных удобрений, сравнение порошкообразных и гранулированных форм, сплошного и локального внесения. В случае наличия гранул с добавлением от 5 до 20% минеральных удобрений в схему опытов вводили дополнительные контроли с соответствующим добавлением минеральных удобрений к порошкообразному Омугу. Доза Омуга рассчитывалась по содержанию в нем общего азота, и составляла 60 и 90-100 кг Мга.

Биопрепарат «Омуг-15» был испытан в условиях Крайнего Севера (г.Усинск, Коми) па разливе нефти 8-10-летней давности участка № 20 (НДУ Комиарктикнефть, ЦДНГ-8, ДНС-3). На опытную делянку площадью 2000 м2 (25x80 м) внесли (под фрезу) 200 кг мела для оптимизации рН, 50 кг аммофоски (М:Р:К=16:16:16) и 10 кг аммиачной селитры, биопрепарат Омуг-15 в дозе 100 г/м2.

Опытная установка по компостированию сортированных ТБО с введением биоактиваторов (Бамил и Пудрет в количестве 15% от массы ТБО) состояла из 3-х модулей, каждый модуль включал.ферментер, линию подачи воздуха, линию отходящих

газов, термометр. Ферментацию проводили в течение 48 часов при температуре 50-55 °С и расходе воздуха 1,0 м3/кг.

Исследовали влияние добавления биоудобрения Омуг в количестве 5, 10 и 15% на процесс дозревания дробленого компоста из несортированных ТБО. Провели оценку удобрительной ценности полученных компостов из ТБО в вегетационном опыте на дерново-подзолистой окультуренной почве (Собщ 2.98%, No6lll 0.235 %) с травами. Из готовых компостов, полученных при дозревании компостов из ТБО с Омугом, по разработанной рецептуре были изготовлены почвогрунты для выращивания газонов и хвойников, использованные для вегетационных и производственных опытов.

Полученные экстракцией 2% растворами NaOH, Na2C03 при соотношении компост ТБО:раствор равных 1:5 и 1:10 гуматы были испытаны в качестве стимуляторов роста растений. Оценка химических и биологических свойств гуматов проводилась на семенах крссс-салата (замачивание на 1 час растворами 1:100 и 1:150) и на вегетирующих растениях (салат, 3 внекорневые подкормки). В качестве контроля использовали препараты «Идеал» и «Универсал» (извлечение из торфа).

2.3.Методы анализа

Основные химические и микробиологические показатели почв получены при помощи общепринятых методов (Агрохимические методы ..., 1975; Практикум..., 1984; Основные микробиологические..., 1987; Некоторые новые методы..., 1987; Растворова, 1983; Лыков и др., 1981). Фракционно-групповой состав гумуса определяли по Пономаревой-Плотниковой. Органический углерод в вытяжках определяли методом сжигания с хромовой смесью (Паников и др., 1987). Определение содержания общей микробной биомассы проводили регидратационным методом (Благодатский и др., 1987), физиологически активной - методом субстрат-индуцированного дыхания (West, Sparling, 1986). Доступность органического углерода нейтральной пирофосфатной вытяжки определяли по убыли углерода за счет роста микроорганизмов на стерильной вытяжке (3-х дневная дробная стерилизация). Колбы инкубировали в течение 28 дней на качалке, в темноте, при 23-25°С. После снятия опыта пробы из колб центрифугировали 15 минут при 12000 об/мин и в центрифугате определяли содержание органического углерода. По разнице со стерильным контролем судили о количестве доступного органического углерода. Доступный для микроорганизмов углерод определяли инкубационным методом (Исламов и др., 1989). Анализы биоудобрсний и компостов проводили общепринятыми методами (Справочник..., 2000). Качество урожая характеризовали стандартными методами (Ермаков, 1987; Практикум по биохимии растений, 1996). Содержание тяжелых металлов по «Методическим указаниям по определению тяжелых металлов в почвах сельхозугодий и продукции растениеводства» (1992). Изотопный состав азота определяли методом эмиссионной спектрометрии на установке, разработанной НИФИ ЛГУ (Лазеева и др., 1999). Содержание остаточной нефти определяли весовым методом. Кластерный и граф анализ полученных данных -по специальным программам (Воробьев и др., 2005). Результаты аналитических определений обработаны статистическими методами (Доспехов. 1986) с использованием программ Microsoft Excel и Statistica.

Глава 3. Особенности оценки доступности органического вещества почвы микробиологическими методами

3.1. Преимущества разделения доступной фракции органического вещества, определяемой инкубационным методом, на два пула. Двухкомпонентная схема разделения ОВ почвы на легко- и трудно-минерализуемую фракции не всегда достаточна для адекватного отражения различий между вариантами. Предлагается дополнить метод определения КОД (Исламов и др., 1989) кинетическим анализом кумулятивных кривых выделения С02, позволяющим разделить суммарное количество доступного углерода на негумифицированные легкоминерализуемые вещества (Слм) и доступные для минерализации гумусовые вещества (Сд г), а также определить константу скорости минерализации гумусовых веществ (к). На примере почв длительного полевого опыта Люберецкой опытной станции показано, что основным источником Слм служат пожнивные остатки, о чем свидетельствует тесная корреляционная связь этого пула с урожаем кукурузы (г=0,98), Слм не совпадает с микробной биомассой (г=0,58). Количество Сдг. было тесно положительно связано с содержанием ГК 1-й фракции (г=0.82), связь же с 1-й фракцией фульвокислот отсутствовала (г=-0.15). Константа скорости разложения гумуса (к) практически не связана с негидролизуемым остатком (г=-0,04), т.е. к относится к минерализуемой части гумуса. В лабораторном опыте с внесением целлюлозы при разных уровнях влажности было показано, что к тесно связана с численностью гумусоразлагающих микроорганизмов (г=0,97).

Преимущества дополнительного кинетического анализа данных показаны на рисунке 1. Так, два варианта на рисунке 1.А практически одинаковы по суммарному содержанию доступного углерода (ХСдост), но сильно отличаются по количеству как Сл м , так и Сд г , различна и величина к. С другой стороны значительные различия между вариантами по общему количеству доступного углерода (рис. 1.Б) вызваны только количеством негумифицированных веществ (Сл м), а Сд г и к имеют близкие значения. С-СО2.4МГ/ЮО г А Б

сутки сутки

Рисунок 1 - Схематические примеры, иллюстрирующие преимущества предлагаемого кинетического анализа кривых дыхания почв при определении КОД

Применение кинетического анализа позволило выявить увеличение доступности гумуса при минеральной системе по сравнению с органоминеральной системой: доля доступного гумуса 30,7 и 22,7% соответственно (величина КОД одинаковая - 32%). В варианте РК гумус «сработан», и он труднодоступен для микроорганизмов, о чем свидетельствует наименьшая доступность гумуса (13,5%) и наибольшая величина негидролизуемого остатка (55,7%). Следовательно, если в варианте РК процент минерализуемого гумуса уменьшился за счет снижения его доступности, то в варианте NPK+навоз - за счет защиты основной части гумуса легкоминерализуемыми соединениями. При одинаковых значениях КОД (8,8%), доступность гумуса в варианте с Бамилом ниже, чем в NPK: соответственно 6,1 и 7,7%, соответственно потери гумуса -0,03 и -0,16% от веса почвы.

Таким образом, для правильной оценки направленности возможного сдвига гумусного равновесия в краткосрочных опытах рекомендуется разделение суммарного доступного органического вещества на два пула.

3.2 Определение доступности для микроорганизмов лабильного гумуса (нейтральная пирофосфатная вытяжка). Содержание подвижного углерода в почве, определяемое химическими методами, не всегда отражает его доступность для микроорганизмов. Доступность С лабильного гумуса для микроорганизмов (по убыли С после роста микроорганизмов на стерилизованной вытяжке) определяли в вегетационном опыте с закопанными сосудами при внесении биоудобрений Бамил, Омут, Пудрет.

Выявлено, что вносимые удобрения влияли на количество и состав лабильного гумуса, а также его доступность для микроорганизмов. Наиболее существенные различия между вариантами по количеству и качеству вытяжки наблюдали в 1-й срок (45 день). Биоудобрения увеличивали содержание лабильного гумуса в почве относительно контроля на 14-47%, при росте содержания ГК (гуминовых кислот) вытяжки на 17,0-52,8%. В варианте NPK ниже содержание ГК, при меньшей степени их зрелости и обогащенности азотом, относительно как контроля, так и биоудобрений. Весной (347 день) во всех вариантах соотношение C:N органических веществ сузилось, снизилось содержание ГК, при этом они стали более зрелыми. Показана тесная связь динамики лабильного гумуса и урожая райграса по укосам, дающая основание предположить, что для формирования зеленой массы растения использовали минерализованный микроорганизмами азот этого пула.

Доступность углерода пирофосфатной вытяжки для микроорганизмов была в пределах 5,3-16,3% (табл. 1), что ниже, чем для водорастворимых веществ - до 39,9% (Zsolnay, Steindl, 1991; Boissier, Fontvieille, 1993; Nelson et al„ 1994), но выше, чем для чистых гуминовых препаратов - меньше 5% (Yano et al., 1998). Прямой связи доступности с соотношением углерода и азота вытяжки не наблюдали, так весной соотношение C:N сужается, а доступность - ниже.

Весной, при низком уровне доступности углерода пирофосфатной вытяжки для микроорганизмов в наибольшей степени проявилась разница между вариантом с минеральными удобрениями и биоудобрениями. Большая доступность лабильного

гумуса при внесении Бамила не привела к росту потерь общего гумуса из почвы. То есть, лабильный гумус служил буфером между микроорганизмами и основной частью гумуса.

Таблица I. - Убыль углерода лабильного гумуса за 28 дней («доступный» для микроорганизмов углерод)

Варианты 45-й день (23.07.01) 347-й день (22.05.02)

мг/кг % от исх. мг/кг % от исх.

РК 53,8±5,2 14,1 32,8±9,8 10,3

58,0+4,7 16,3 16,6+3,0 5,3

Бамил 91,3+8,2 16,3 31,9+12,8 10,8

Омуг 71,5+7,9 13,8 19,7±2,2 7,6

Пудрет 58,5±2,4 13,4 25,2±4,4 7,8

Таким образом, показано преимущество использования для оценки активного ОВ инкубационных методов по сравнению с химическим фракционированием.

Глава 4. Биомасса почвенных микроорганизмов как активная часть почвенного

органического вещества

Одним из важнейших пулов активного ПОВ является биомасса почвенных микроорганизмов, которая одновременно отражает как количество легкоминерализуемого органического вещества, так и количество агента, ведущего почвенные трансформационные процессы.

4.1. Классификация факторов, определяющих количество микробной биомассы (регидратационным методом) в дерново-подзолистых почвах

Анализ данных наших многолетних исследований показал, что основными факторами, влияющими на размеры С микробной биомассы дерново-подзолистых почв являются механический состав и содержание органического вещества. Эти факторы сложно разделить, так как более тяжелые по механическому составу почвы обычно содержат больше гумуса. При близких значениях содержания гумуса, биомасса будет выше в более тяжелой по механическому составу почве (табл. 2). При одинаковом механическом составе биомасса будет выше в почве с большим содержанием гумуса. В случае значительной разницы в качестве ОВ, почва с большей его подвижностью и/или доступностью будет содержать больше микробной биомассы, даже если содержание гумуса в ней ниже.

Следующими по значимости факторами являются гидротермические условия, влияющие на сезонную динамику биомассы. Характер сезонной динамики биомассы для дерново-подзолистых почв одинаков. Известно, что гидротермические условия чаще всего оказывают на развитие микроорганизмов косвенное влияние, замедляя или ускоряя их рост и размножение, и становятся основными регуляторами биологических процессов в почве только в экстремальных условиях (Аристовская,1980; Звягинцев,

Голимбет, 1983; Veen et al., 1984; Zelles et al., 1984). Это подтвердили и наши исследования: только при сильной засухе на супеси (влажность почвы от 3,41% до 5,87%) наблюдали резкое, в 3 раза, снижение количества микробной биомассы.

Таблица 2. - Влияние механического состава и содержания органического вещества в почве на размеры общей микробной биомассы

Механический состав почвы Сгумэ ^ С-биомассы, мг/кг

песчаная 0,27-0,47 94-136

супесчаная 0,60 0,80 230-290 230-340

1,58-1,69 470-510

легкий суглинок 1,88-2,60 320-750

9,59-10,38 830-1000

средний суглинок 2,70-2,85 752-921

тяжелый суглинок 0,74-0,83 190-220

1,04-1,29 450-660

1,51-1,77 620-750

Одним из мощных антропогенных факторов для сельскохозяйственных почв является внесение удобрений. Внесение традиционных органических удобрений (навоз, компосты, сидераты) предсказуемо увеличивает С биомассы почвенных микроорганизмов на 5,9-71%. Однако даже систематическое внесение высоких доз органических удобрений увеличивает С-биомассы до определенного предела (Орлова и др., 2006). При использовании биоудобрений (Омуг, Бамил, Пудрет), которые, благодаря высокой концентрации в них азота, вносят в почву в низких дозах - от 2 до 6 т/га, часто увеличение содержания углерода и азота микробной биомассы наблюдали только в первый месяц после внесения.

До сих пор не существует однозначного мнения по поводу влияния минеральных удобрений на численность и биомассу почвенных микроорганизмов. Главным фактором, определяющим действие азотных минеральных удобрений на размеры биомассы является наличие в почве доступного углерода. При внесении умеренных доз минерального N в почву (до 100 кг/га для полевых опытов), при отсутствии в севообороте органических удобрений, содержание С-биомассы микроорганизмов практически не меняется (табл. 3.). Следует учитывать, что речь идет только о краткосрочных опытах, так как в длительных полевых опытах под влиянием внесения азотных удобрений происходит дифференциация вариантов по количеству и качеству органического вещества в почве. В таком случае уже этот фактор будет играть главенствующую роль, а не сами азотные минеральные удобрения.

При загрязнении почв помимо токсичности и дозы загрязнителя, важны свойства почвы. Многие органические загрязнители, включая нефть и нефтепродукты, в низких дозах приводят к усилению биологической активности почв и росту биомассы, так как

используются всей или частью микрофлоры как источник углерода. В ряде случаев действие загрязнителя на микробную биомассу не только прямое (например, благодаря своей гидрофобности нефть существенно изменяет питательный и водный режимы почв). В результате можно наблюдать как отсутствие заметного воздействия, так и более или менее значительное снижение биомассы.

Таблица 3. Влияние внесения минеральных удобрений на содержание С микробной биомассы в полевых опытах

Почва Углерод биомассы, мг/кг

Контроль Ы100РК

Супесь, Люберецкое опытное поле, Москва (для 4-х почв с разным содержанием гумуса) 174±18 237±19 221±20 21 Шв 164±14 241±25 229±14 254±25

Легкий суглинок, пос. Меньково, Ленинградская обл. 385±33 394±31

Легкий суглинок, опытное поле ГНУ ВНИИСХМ, полевые опыты 427±26 359±38 421±34 346±31

± - доверительный интервал

Для многих агротехнических приемов (вспашка, уплотнение почв, севооборот) существенного влияния на содержание общей микробной биомассы не было обнаружено, если не было изменения содержания гумуса в почве.

Предлагается выделять одномерные (механический состав почвы; содержание органического вещества, особенно доступного; температура; содержание и доступность воды в почве; содержание минеральных элементов; загрязнение тяжелыми металлами) и составные (растение; ландшафт; система земледелия; загрязнение нефтью и органическими ксенобиотиками) факторы. Составные факторы - это те, которые можно разложить на несколько, и чаще всего, мы в своих исследованиях имеем дело именно с ними. Так, влияние ландшафта складывается из экспозиции склона (температура и влажность), степени эрозии (механический состав, содержание гумуса), положения на склоне (влажность, механический состав, доступное органическое вещество, элементы питания) и т.д. Среди одномерных факторов можно выделить 1) основные (механический состав и содержание органического вещества), влияющие на размеры С-биомассы, 2) действующие на активность микробоценоза (умеренные температуры, влажность и т.д.), и 3) факторы, влияющие на количество микробной биомассы при экстремальных значениях (температура, гербициды, пестициды и т.п.).

Тот факт, что значительная часть микробной биомассы в пахотных почвах находится в пассивном состоянии, может объяснить отсутствие или слабое влияние многих факторов на микробную биомассу, определяемую регидратационным методом (аналог фумигационного). Например, четкая разница между вариантами с биоудобрениями и компостами (табл. 4) обнаруживается только по размерам активной

биомассы и, особенно доли её от общей биомассы. Компосты, повышая запасы общей микробной биомассы в почве, дают возможность активно функционировать не более 25%, что связано с разной доступностью органического вещества в компостах и биоудобрениях.

Таблица 4. — Содержание общей и активной микробной биомассы в дерново-подзолистой почве при внесении удобрений (вегетационный опыт с райграсом)

Углерод биомассы, мг/кг % активной

Варианты Общая Активная (метод субстрат- биомассы от

(регидратационный индуцированного дыхания) общей

метод)

РК 542 284 52,4

ИРК 551 328 59,5

навоз 574 338 58,9

Бамил 630 421 66,8

Экуд 684 545 79,7

Пудрет 605 507 83,8

Солом.компост 774 198 25,6

Муницип.компост 647 146 22,6

Вермикомпост 727 156 21,4

НСР 88 69

Поэтому, если изучаемый фактор (или его количество/уровень) скорее будет влиять на активность, а не на количество микроорганизмов, либо влияние кратковременное, следует отдать предпочтение определению активной микробной биомассы. Если же речь идет о длительных опытах, разных почвах, либо воздействие на почву будет сильным, тогда для характеристики отклика микробоценоза почвы следует использовать общую микробную биомассу.

4.2. Оценка использования биомассы почвенных микроорганизмов как индикатора почвенного плодородия

Появление биохимических методов определения микробной биомассы в почве вызвало всплеск исследований с применением этих методов. Казалось, что наконец-то найден метод, который позволит наглядно показать огромную роль микроорганизмов в почве, продемонстрировать их связь с плодородием почвы, иметь быстрый индикатор изменения почвенных условий и т.п. Однако, по мере накопления данных, наступило некоторое разочарование, рассмотрим в чем причина этого.

Во-первых, С- биомассы почвенных микроорганизмов оказался не столь чувствительным индикатором к изменению почвенных условий, как ожидалось. Очень часто С биомассы существенно не меняется, особенно если параллельно нет значительных подвижек в содержании доступного органического вещества или фактор не приводит к массовой гибели микроорганизмов. Это происходит потому, что биомасса

почвенных микроорганизмов регидратационным методом, определяется для ВСЕХ живых микроорганизмов (и не только их), вне зависимости от их вида и состояния (аэробные и анаэробные, патогенные и их антагонисты, автотрофные и гетеротрофные, бактерии и микромицеты и т.д.). Поэтому С- общей микробной биомассы является достаточно стабильной характеристикой для дерново-подзолистых почв, аналогично способности почвы сохранять определенное количество микроорганизмов (Звягинцев, 1989). Этот показатель не отражает структурные изменения в микробоценозе: условия, благоприятные для одних микроорганизмов, могут быть губительны для других, а сумма их при этом может измениться незначительно.

Другой причиной отсутствия четких закономерностей будет то, что чаще всего ученые в своих исследованиях (за исключением опытов в контролируемых условиях) имеют дело с составными, а не одномерными факторами. Так как составные факторы представляют собой сложную, динамически непостоянную систему нескольких одномерных факторов, то часто невозможно получить однозначные и/или одинаковые в разных опытах закономерности по влиянию изучаемых составных факторов на микроорганизмы. При оценке составных факторов лучше изучать их влияние на состояние микробоценоза комплексно, используя систему показателей, дополняя определение С-общей биомассы микроорганизмов оценкой биологической активности, интенсивности различных процессов (нитрификация, азотфиксация и т.п.), агрохимических параметров почвы, лучше динамики. Так уже было показано, что С-общей микробной биомассы достаточно стабильный показатель (см.п.4.1). Содержание N-6иомассы более чувствительно и реагирует на количество доступного органического вещества в почве, отражая активность микроорганизмов. Активная биомасса (субстрат индуцированное дыхание) является очень чувствительным показателем для большинства воздействий на почву, но характеризуется высокой временной и пространственной вариабельностью. Увеличение активности микроорганизмов не всегда сопровождается увеличением размеров С- микробной биомассы. Для определения влияния фактора на биомассу более правильно использовать средние значения за сезон. Потоки азота и углерода через биомассу являются наиболее информативными показателями, так как отражают как количество, так и активность биомассы.

Следующее, что может вызвать разочарование у исследователя - по размерам микробной биомассы не всегда можно судить о благоприятности условий в почве для растений. Многие факторы, жизненно важные для растений, слабо влияют на размеры микробной биомассы. Так, общеизвестно, что при внесении органического вещества с широким соотношением С:И без минерального азота, рост растений ингибируется, тогда как биомасса микроорганизмов возрастает. В отличие от растений микробоценоз почвы легко переносит переувлажнение, даже длительное. Изменение микробоценоза, происходящее при переувлажнении не отражается на количестве С-биомассы микроорганизмов (средние значения), соответственно при нормальном увлажнении и переувлажнении 750-865 мг С/кг и 850-920 мг С/кг (лабораторный опыт).

Таким образом, можно сделать вывод, что «интересы» растений и микроорганизмов совпадают, если речь идет о потенциальном плодородии почв, но не всегда, если рассматривается эффективное плодородие.

4.3. Определение размеров и активности микробной биомассы в ризосфере Влияние растений на биомассу почвенных микроорганизмов изучали в посевах ржи, отбирая почву из ризосферы (стряхивая с корней) и междурядий.

Растения влияли на содержание минерального азота и подвижного углерода в почве корневой зоны. Обнаруженная повышенная концентрация органического углерода солевой вытяжки в отдельные сроки в почве под растениями ржи связана, вероятно, с корневыми выделениями растений. Под рожью концентрация минерального азота в ризосфере в большинстве случаев была ниже, чем в междурядьях.

Известно, что в ризосфере растений увеличивается численность и активность микроорганизмов (Аристовская, 1980; Горбенко, 1986; Тесаржева, 1986), что определяется наличием корневых выделений. Однако, в нашем опыте в прикорневой зоне растений не выявлено нарастания С- общей биомассы микроорганизмов относительно междурядий (рис.2). Запасы N в микробной биомассе под растениями в большинстве случаев были выше. В результате соотношение С/1М микробной биомассы более узкое в ризосфере.

4 июня 23 2 июлям ИЮНЯ 23 2 июля

|ИЮНЯ[ I ИЮНЯ I

.|й пар ] сидеральный пар

4 июня ¡23 июня[2 июля черный пар

4 июня ¡23 июня|г июля сидеральный пар

Рисунок 2. - Содержание С и N в общей микробной биомассе в почве. Место отбора образцов: м/р - междурядья; п/р - под растениями

Наши данные подтверждают большую метаболическую активность микроорганизмов ризосферы (табл.5). Об этом свидетельствует большее выделение углекислоты, рост суммарной (грибы + бактерии) активной биомассы и её доли от обшей, а также увеличение потоков С и N через биомассу.

Таким образом, показано влияние растений на трансформационные процессы углерода и азота в почве. По-видимому, растения, изменяя объем и состав корневых выделений, могут регулировать активность микроорганизмов и их способность к иммобилизации минерального азота.

Таблица 5. - Влияние растений на отдельные микробиологические показатели (опыт с

рожыо, 2 июля 1998 г)

Показатель Единица Черный пар Сидеральный пар

измерения междур ризосфера междур. ризосфера

С общей биомассы мг/кг 441±54 338±26 312±11 400±20

N общей биомассы мг/кг 95±1 114±4 95±1 141±3

Поток* С через биомассу * мг/кг 1068 1918 1144 1781

Поток* N через биомассу * мг/кг 218 459 251 524

С- суммарной активной мг/кг 174±35 366±49 235±12 355+5

биомассы % от общей 39,4 100,0 75,3 88,8

* Поток - это количество элемента, проходящее через общую микробную биомассу с учетом ее оборачиваемости за определенный период (в данном случае 28 дней)

Глава 5. Роль микробной биомассы в трансформации азотных минеральных

удобрений

5.1 Влияние влажности и наличия доступного внесенного органического углерода на микробиологическую трансформацию азота в почве

Выявление роли количества и активности микробной биомассы в закреплении азота удобрений в почве проводили в лабораторном опыте с внесением целлюлозы. Почву инкубировали при двух режимах влажности 60% и 90% ППВ, внесении сульфата аммония, меченого 151ч| (доза 100 мгЫ/кг) ицеллюлозы из расчета Сцел:Куд =25:1.

Изученные факторы, включая целлюлозу, слабо влияли на среднее за опыт содержание С- микробной биомассы в почве. Внесение минерального азота без целлюлозы в обеих сериях опыта, достоверно уменьшало запасы азота в микробной биомассе. В пользу главенствующей роли энергетических процессов в формировании азота микробной биомассы свидетельствует тесная положительная связь ее с внесением в почву целлюлозы (г=0.69). Внесение целлюлозы увеличивало иммобилизацию азота в микробную биомассу, потоки углерода и азота, а также уменьшало время генерации микроорганизмов. Переувлажнение почвы снижает активность микробоценоза, о чем свидетельствует обеднение азотом (более широкое соотношение С:1Ч), рост времени генерации и существенное уменьшение потоков углерода и азота через микробную биомассу. Отрицательное влияние переувлажнения почв на эти показатели усиливалось при внесении минерального азота. Следовательно, в переувлажненной почве для оптимизации трансформационных процессов внесение минеральных удобрений требует более широкого соотношения Сцсл: 1МУд.

В почве нормального увлажнения, особенно при внесении целлюлозы, наблюдали резкие колебания иммобилизованного биомассы, которые идут в противофазе с колебаниями меченого минерального азота. То есть, процессы иммобилизации •м-реминерализации азота удобрений микрофлорой более существенны в почве нормального увлажнения при внесении энергетического материала. Другой важный вывод, вытекающий из этого наблюдения, тот, что пополнение пула минерального азота

в почве тесным образом связано с минерализацией азота микробной биомассы.

Переувлажнение почвы снижало активность микробоценоза и иммобилизацию N удобрений в микробной биомассе и ПОВ относительно нормального увлажнения (рис. 3). Целлюлоза способствовала росту иммобилизации азота удобрений как в микробную биомассу, так и ПОВ, при обоих режимах влажности. Иммобилизация И-удобрения в микробную биомассу не превышала 13,0% от внесенной дозы азота, основная часть закрепленного азота-15 в вариантах с целлюлозой находится в составе почвенного органического вещества.

Рисунок 3. - Влияние влажности почвы и целлюлозы на баланс 15Ы-удобрений в опыте (%): а, б-влажность почвы 60% ППВ; в, г- влажность почвы 90% ППВ.

Иммобилизация азота удобрений микробной биомассой связана не с содержанием углерода в ней (г=-0,19), а с активностью: размерами потоков углерода и азота через микробную биомассу (г= 0,99 и 0,98). Включение |5Ы в состав почвенного органического вещества также определяется микробиологической деятельностью, о чем говорят высокие положительные коэффициенты корреляции с потоками углерода и азота через биомассу (г=0,98 и 0,97), скоростью разложения органического вещества (1-0,98). Тесная положительная связь иммобилизации 15К в почвенное органическое вещество с содержанием азота микробной биомассы (1=0,99) говорит, что процессы иммобилизации азота удобрений и азота почвенного происхождения подчиняются одним и тем же законам. Более слабые и отрицательные корреляционные связи размеров газообразных потерь азота удобрений с потоками углерода и азота через микробную биомассу указывают, что иммобилизация в микробную биомассу и в почвенное органическое вещество уводит 15ТЧ-удобрений из поля деятельности денитрифицирующих бактерий.

□ минеральный

О органическое вещество

□ микробная биомасса

а потери_

5.3 Влияние нашивного и внесенного доапупного органического вещества почвы на трансформацию азотных удобрений в присутствии растений

Следующим этапом изучения сложной взаимосвязи количества и активности микробной биомассы, с трансформацией азота в почве стал вегетационный опыт с растениями пекинской капусты, когда по фону различного по качеству почвенного ОВ вносили легкодоступный субстрат (глюкоза) и минеральный азот. В качестве различающихся по качеству ПОВ взяли почвы с длительного опыта по применению различных систем удобрений Люберецкой опытной станции (г.Москва) (табл. 6).

Таблица 6. - Характеристика почвенного органического вещества в вариантах длительного полевого опыта (ЛОП, Москва), взятых для вегетационного опыта

Показатели «РК» «РК+навоз» «ЫРК+навоз» НСРо.о 5

Сгум> % 0,58 0,65 0,81 0,78 0,04

ЕС „ост, мг/100 128 321 354 347 19,0

Слег, мин мг/100 52 121 118 168 11,0

Слаб гумусаэ МГ/КГ 250 354 354 430 93

Сорг(К2804),мг/кг 29 36 40 42 7

Количество доступного ОВ, как иативного, так и внесенного определяло содержание С и N микробной биомассы (табл. 6 и 7). Глюкоза используется микроорганизмами главным образом для иммобилизации азота: нарастание С- биомассы слабое на срок не более 10-20 дней, против роста в 1.5-2 раза запасов азота биомассы (на третий день опыта до 40 мг азота удобрения обнаруживается иммобилизованным в биомассе микроорганизмов). Внесение только №К практически не изменило средние размеры углерода и азота биомассы.

Внесение глюкозы, как и ожидалось, увеличило биологическую активность почв (ускорение оборачиваемости микроорганизмов, и соответственно рост потоков через биомассу). Но отклик микробного ценоза зависел и от содержания в почвах подвижного органического вещества. Наиболее контрастными были варианты «РК» и «ЫРК+навоз» длительного опыта.

Величина выноса азота удобрения растениями практически не зависела от почвы (таблица 8). Внесение глюкозы снизило потребление азота удобрения растениями на 3040%. Наиболее активно азот удобрения поступал в растения в период между 10-м и 22-м днями опыта (70-80% от поглощенного азота удобрения). Исключением является 4-я почва, где поступление азота было почти поровну разделено между тремя сроками определения.

Таблица 7 - Интегральные показатели деятельности микроорганизмов в вегетационном

опыте (средние за опыт значения)

Точва Вариант вегетац.опыта с- биомассы мг/кг № биомассы мг/кг Поток* С через биомассу, мг/кг Поток* N через биомассу. мг/кг Время генерации ,сутки

РК 179,0 8,8 144,1 7,1 23,4

й л. МРК 155,4 8,7 208,4 11,7 15,3

ЫРК+глюкоза 207,8 34,6 553,4 92,2 7,3

й о, £ РК 248,8 18,0 161,3 11,7 28,5

NPK 240,6 13,1 239,2 13,0 19,5

№К+глюкоза 288,6 30,3 497,9 52,3 10,9

+ л РК 230,1 17,1 212,7 15,8 20,2

^ 5 % § NPK 233,0 18,8 230,0 18,6 19.4

№К+глюкоза 259,5 33,5 535,0 69,1 9,4

+ « РК 269,9 22,7 272,6 22,9 19,2

и Я § § ЫРК 253,8 24,5 341,0 32,9 14,4

Я ЫРК+глюкоза 280,9 40,0 691,1 98,4 7,9

НСРо.оз 54,3 6,2 0,7

* поток за 28 дней

Таблица 8 - Урожай салата и баланс азота удобрений в вегетационном опыте

Почва Вариант вегетац.опыта Урожай, сыр.вес, г/сосуд Вынос N почвы, мг/сосуд Содержание 1:,1Ч, % от внесенного

Растения биомасса микроорг. пов Потери

«РК» РК 6,7 12,2 - - - -

№К 70,4 14,4 81,9 1,3 6,8 9,9

№К+глюкоза 38,4 11,9 43,1 16,3 40,6 0

«№К» РК 20,3 31,7 - - - -

ИРК 82,9 30,1 82,2 1,5 10,5 5,8

К'РК+глгакоза 55,7 23,3 53,2 1,8 45,0 0

«РК+ навоз» РК 12,1 19,4 - - - -

ЫРК 77,9 20,7 82,6 1,0 15,0 1,4

МРК+глгокоза 44,3 17,3 45,8 1,2 53,0 0

«ЫРК+ навоз» РК 20,7 32,1 - - - -

№К 72,7 30,0 78,8 2,9 16,7 1,7

ЫРК+глюкоза 45,9 22,7 47,3 11,7 41,0 0

НСР 1,6 1,9 2,1 0,2 4,2 1,3

Примечание: в минеральной форме азота удобрений в конце опыта не было

Внесение минерального азота практически не повлияло на поступление почвенного азота в растения относительно РК. Добавление глюкозы, как и следовало ожидать, уменьшило поступление почвенного азота в растения из-за иммобилизации его почвенными микроорганизмами. Это снижение мало ощутимое на почвах «РК» и «РК+навоз» (2 и 11% соответственно), на почвах с предшествующим систематическим внесением мочевины составило 26 и 29%.

Вынос растениями почвенного азота тесно связан с количеством С и N микробной биомассы, коэффициенты корреляции 0,890 и 0,906 соответственно (при исключении вариантов с внесением глюкозы). Включение азота удобрений в почвенное органическое вещество также тесно связано с биологическими процессами: коэффициенты корреляции равны 0,894 и 0,891 для среднего содержания азота биомассы и потока С через биомассу соответственно.

Таким образом, для включения внесенного азота в органическое вещество почвы оказывается очень важным не только наличие доступного углерода, но и активность, оборачиваемость микробной биомассы, частота смены популяций. Микробная биомасса является тем посредником, который поглощает внесенный минеральный азот, сохраняя его, а затем азот при разложении биомассы переходит обратно в минеральную форму (питание растений) или закрепляется в почве. Микробная биомасса при этом должна быть обогащена азотом, общее количество С- микробной биомассы может быть мало значимым.

Глава 6. Механизм регуляции микробиологических трансформационных процессов при внесении биоудобрений

6.1. Изучение влияния биоудобрений на эффективность и интенсивность исследуемого процесса, а такзке состав и функционирование микробного сообщества

Известно, что внесение активных микроорганизмов может существенно изменить конечный результат процесса. Внесение в почву соломы пшеницы, обработанной биопрепаратом Баркон, привело к существенным изменениям в структуре и функционировании микробного сообщества почвы по сравнению с вариантом применения для разложения соломы почвенной микрофлоры. Эти изменения нашли отражение в обычных агрохимических показателях. В варианте с использованием Баркона микробное сообщество функционирует более интенсивно: величина потоков азота через микробную биомассу выше на 38%, потоков углерода — на 11%, дыхания почвы - на 12,2%, при этом происходит усиление гумусообразовательных процессов, о чем свидетельствует увеличение количества лабильных гумусовых веществ (нейтральная пирофосфатная вытяжка) и содержание гумуса в почве в конце опыта (соответственно в контроле, варианте с почвенным инокулюмом и Барконом 1,34±0,02 и 1,25±0,05 против 1,48±0,06).

Биоудобрения Бамил и Омуг могут рассматриваться и применяться как-высокоэффективные микробные препараты, способные вести разложение даже

труднодоступных органических веществ (нефть, твердые бытовые отходы (ТБО), опилки). Использование Бамила и Омуга интенсифицировало процесс разложения ТБО: повышалась относительно контрольного варианта содержание С02 в газовой фазе, на 10-20% температура компоста, в 2-20 раз численность термотолерантных аммонифицирующих и целлюлозоразлагающих бактерий. Добавление Бамила и Омуга к ТБО обогащает получаемый компост азотом, фосфором, гумусовыми соединениями. Активация разложения трудноразлагаемых субстратов связана как с микробиологической составляющей биоудобрений, так и с их OB.

Для органического вещества Бамила и Омуга характерно узкое соотношение C:N - от 7:1 до 10:1. Следовательно, OB биоудобрений более благоприятно для развития бактерий с соотношением C:N в биомассе 4:1-5:1, а не грибов с соотношением C:N 11:115:1 (Sterner, Elser, 2002). Это подтверждает, отсутствие или низкая численность грибов в биоудобрениях. Внесение биоудобрений в почву влияет на соотношение между грибами и бактериями. Так, в почве после уборки моркови (2005 г) в варианте NPK было обнаружено в 3 раза меньше бактерий и в 5 раз больше грибов, чем при внесении Бамила и Омуга. При внесении биоудобрений происходило уменьшение не только численности грибов, но и их биомассы. Снижение доли грибной биомассы при внесении биоудобрений с 41-43 до 15-18 % по сравнению с компостами (вермикомпост и компост из бытовых отходов) было отмечено в вегетационном опыте с райграсом. Обычно в почвах, характеризующимися множеством экологических ниш и разнообразием микроорганизмов и OB внесение биоудобрений не обеспечивало преимущества бактерий над грибами в течение всего срока наблюдений. Важная роль именно внесенного органического вещества в изменении соотношения грибов и бактерий в субстрате подтверждается в вегетационном опыте с люцерной (рис. 4). При внесении Омуга в верховой торф, в котором мало доступного для бактерий органического вещества, наблюдали снижение доли грибной биомассы в микробоценозе практически в течение всего периода наблюдений. Важно и количество поступающего органического вещества, например, в варианте с локальным внесением Омуга (вариант 3) снижение доли активной грибной биомассы в микробоценозе менее выражено, чем при сплошном внесении, так как концентрация органических веществ в этом случае ниже.

Рисунок 4 — Влияние внесения Омуга на долю грибной активной биомассы в торфе (2009 г.). Варианты опыта: 1 - контроль; 2 - Омуг сплошное внесение; 3 - Омуг локально.

Таким образом, благодаря своей способности подавлять развитие грибов, биоудобрения способны оказывать значительный биоконтрольный эффект. Наличие такого свойства является чрезвычайно важным, так как позволяет использовать биоудобрения не только для улучшения роста и развития растений, но и для защиты их от болезней.

6.2. Особенности механизма действия биоудобрений)

Биоудобрения Бамил и Омуг обладают полифункциональными свойствами. Основными действующими началами биоудобрений являются: 1) минеральные элементы питания (азот, фосфор, калий): 2) активная микробная ассоциация; 3) органическое вещество (рис.5). Роль активных микроорганизмов и свойств ОВ биоудобрений рассмотрена в предыдущем пункте. Механизм действия биоудобрений на почву связан, кроме того, с активизацией почвенной микрофлоры, осуществляемое через внесенное активное органическое вещество.

Биоудобрения значительно отличаются от компостов и навоза по своему механизму действия в почве в том числе и благодаря применению в низких дозах (1-6 т/га), поэтому не происходит перехода почв на другой энергетический уровень, что, хотя и временно, имеет место при внесении 30-40 тонн навоза или компоста в почву. Существенные различия между компостами и биоудобрениями по механизму действия на гючвенно-растительную систему были выявлены при построении дендрограммы различий вариантов в вегетационном опыте с райграсом. Варианты разделились на две группы: в первую вошли все компосты (компост из ТБО, вермикомпост, соломенные компосты) а во вторую - биоудобрения (Бамил, Омуг, Экуд и Пудрет). Биоудобрения характеризовались большим содержанием активной микробной биомассы — 67-84% от общей биомассы, против 20-25% в вариантах с внесением компостов.

ЬИОУДОБРЕНИЯ

органическое вещество

биологически активные соедин. іоступн.ое для гикрчррганизмсЛ = ■умусовые зо единения

Рисунок 5 - Механизм гголифункционального действия биоудобрений на почвенно-растительный комплекс

Гранулированные биоудобрения. Биоудобрение Омуг производится в двух формах: порошкообразная (влажность 30-40%) и гранулированная (влажность 8-12%). Грануляция Омуга изменила его воздействие на ночвенно-микробиологические процессы по сравнению с порошкообразным. Главной причиной изменений при использовании гранулированного Омуга, по нашему мнению, является пролонгированиость действия гранул. В результате такого медленного поступления подвижных форм элементов в почву из гранулированного Омуга наблюдается высокая микробиологическая активность в течение более длительного срока. Усиление микробиологической активности привело к улучшению условий питания растений, что выразилось в увеличении урожая от грануляции на 18,6-34,4%. Эта усиленная активность микрофлоры носит положительный характер еще и потому, что помимо роста урожайности культур происходит нарастание содержания гумуса за счет увеличения синтеза гумусовых веществ. Содержание гумуса в почве после применения гранулированного Омуга увеличивается на 6,5-19,6%.

Положительное действие нахождения почвы в состоянии повышенной активности микробоценоза было изучено в лабораторном опыте с различным режимом внесения (одноразово и дробно) органического вещества разной степени доступности (глюкоза, водорастворимые ГК). Показано, что при дробном внесении глюкозы, по сравнению с разовым, микробное сообщество более активно (выше дыхание, абсолютное и относительное содержание активной биомассы, время удвоения микробоценоза), что находит свое отражение в изменении структуры микробного сообщества к концу опыта (медленнорастущие гумусразлагающие микроорганизмы составили для дробного внесения глюкозы 14% против 33-39% в контроле и одноразовом внесении).

Таким образом, эффект от гранулированного удобрения множественный: сбалансированное питание, улучшение физики почвы, благоприятные условия для растений, активизация почвенной микрофлоры и пролонгированиость действия. Кроме того, снижается влажность биоудобрения, следовательно, повышается срок хранения, уменьшается доза, облегчается внесение в почву, а также возможно модифицировать удобрения за счет добавок, вводимых при грануляции.

Глава 7. Регулирование микробиологических процессов трансформации гумуса в дерново-подзолистых почвах как функция ее биологической активности

Как было показано ранее, количество и качество доступного органического вещества, внесенная микробная ассоциация могут существенно влиять на функционирование микробного ценоза почвы, а следовательно, и на её гумусное состояние. Следующим этапом становится оценка взаимосвязи интенсивности микробиологических процессов и устойчивости гумусного состояния почв.

7.1. Анализ взаимосвязи интенсивности трансформационных процессов в почве и баланса гумуса в ней

Отсутствие градаций создает неопределенность при оценке многих биологических показателей. Например, усиление минерализации ОВ улучшает питание

растений, но интенсивная минерализация может привести к деградации гумуса в почве.

Если почвы находятся в равновесном состоянии, активность микробиоты является индикатором почвенного плодородия. Это положение верно для почв разного генезиса и вариантов длительных опытов. В этом случае усиление интенсивности внутрипочвенного круговорота углерода не только не ведет к потере гумуса, а скорее является необходимым условием его сохранения. Сложнее предсказать воздействие изучаемого фактора, повышающего биологическую активность, на гумусное состояние почвы при кратковременном воздействии.

Адаптируюсь к формирующимся условиям, почвенная микрофлора может существенно изменять специфику своего метаболизма, определяющего интенсивность и направленность трансформации свежего органического вещества и биосинтеза гумуса. Здесь очень важным является понятие устойчивости почвы как системы. По отношению к почвенному плодородию устойчивость означает сохранение в почве содержания гумуса и основных питательных элементов (Кленов, 2012). То есть, под устойчивостью почвы понимается ее способность к осуществлению интенсивных трансформационных процессов, обеспечивающих высокий урожай без падения агрономически значимых свойств почвы. Следовательно, устойчивость почв является биологической функцией. С этой точки зрения проблема стабильности почвы как системы тесно связана с содержанием в почве доступного органического вещества и микробной биомассы, как активного агента почвенных процессов.

Нашими исследованиями установлено, что увеличение потоков через биомассу (рост биологической активности) в большинстве случаев не сопровождается усиленной минерализацией гумуса. Напротив, рост потоков зачастую свидетельствует о большей устойчивости и продуктивности системы. Это связано с тем, что поток, отражает не только минерализациопные процессы, но и процессы синтеза. Так ранее было показано, что рост потоков через биомассу положительно влияет на закрепление азота удобрений вПОВ.

Внесение целлюлозы увеличивает активность микроорганизмов и потоки углерода через микробную биомассу и снижает потери гумуса за время компостирования (табл. 9). Применение минерального азотного удобрения, как правило, сдерживало деструкцию гумуса. Потери гумуса имели тесную обратную связь с потоками углерода через микробную биомассу (г=-0.76) и со скоростью разложения всего почвенного органического вещества, включая целлюлозу (г=-0.85), тогда как связь с константой скорости разложения гумусовых веществ отсутствовала (г = -0.11). Следовательно, увеличение потока углерода через микробную биомассу за счет внесения целлюлозы является главным фактором не только для иммобилизации азота-15 в почвенное органическое вещество (г=0.96), но и сокращения потерь гумуса. Быстрота круговорота синтезоразложение легкодоступного органического вещества способствует сохранности гумуса в целом. Таким образом, усиление потока углерода через микробную биомассу вызванное обогащением почвы органическим веществом, экранирует гумус от разрушения.

Таблица 9 - Потоки углерода (Ре) через микробную биомассу, константа скорости разложения гумуса (к) и содержание гумуса в почве лабораторного опыта

Вариант Влажность 60% ППВ Влажность 90%

Рс, мг/кг к Сгум, % Рс, мг/кг к Сгум, %

РК 1670 0,152 2,90 1508 0,096 2,82

№К 1303 0,124 2,95 1018 0,070 2,86

РК+цел-за 4358 0,082 2,94 4195 0,105 3,01

1ЧРК+цел-за 5620 0,095 3,00 4032 0,094 2,94

пср0і0і 106 0,03 106 0,03

Примечание: исходное содержание С,,/м - 2,98%. потоки рассчитаны за 90 дней.

Внесение в почву только минерального азота в данном опыте вело к снижению потока углерода через биомассу при достоверном повышении содержания гумуса относительно вариантов РК. Кроме того, в вариантах ЫРК снижается величина константы скорости минерализации гумуса. То есть здесь помимо снижения биологической нагрузки на ПОВ также задействован и механизм снижения доступности гумуса для микроорганизмов в присутствии азотных удобрений.

Снижение потерь гумуса при повышении биологической активности почвы за счет изменения его доступности наблюдали и в опыте с внесением ингибитора нитрификации КМП (1-карбомоил-3(5)-метилпиразол). При систематическом внесении КМП содержание гумуса не менялось, но произошло уменьшение подвижности и доступности органического вещества (табл. 10). Наблюдаемое при систематическом применении КМП увеличение почвенного дыхания и потоков С и N через микробную биомассу связано с увеличением массы корней и их экссудатов в ингибиторных вариантах, а не с разложением гумуса.

Таблица 10 - Состояние органического вещества почвы при внесении ингибитора нитрификации КМП (мелкоделяночный опыт, ЛОП, ВИУАА)

Вариант СобЩ! 0/° С-биомассы, Р * гс * с-со2, С-дост., Негидр, остаток.

мг/кг мг/кг мг/кг час мг/100 % ОТ Собщ

РК 0,69 322 1162 2,7 92 50,7

ЫРК 0,69 398 1166 2,5 258 49,8

ЫРК +КМП 0,72 363 1259 2,8 113 58,7

сист.**.

№К + КМП 0,73 389 1216 3,1 269 59,3

1 раз

НСР0,05 0,03 45 0,4 12

* Поток С через биомассу за 66 дней; ** - в течение 4 лет

При отсутствии такой химической консервации повышение микробиологической активности может иметь негативное последствие для содержания гумуса. Так

произошло в опыте по влиянию азотных удобрений при разных уровнях уплотнения почвы. Азотные удобрения увеличивают относительно контроля количество вовлекаемо го в круговорот углерода (рост дыхания и потоков углерода). При среднем уплотнении отмечено значительное снижение доли негидролизуемого остатка и увеличение суммы гуминовых кислот с ростом дозы мочевины, что сопровождалось существенными потерями гумуса за сезон (до 20%). В уплотненной почве столь резких изменений в фракционно-групповом составе гумуса от доз мочевины не наблюдали, меньше были и изменения в содержании гумуса (до10%). Наиболее сильное увеличение потоков углерода и азота при всех дозах было при сильном уплотнении почвы.

Таким образом, при отсутствии внесения органического вещества увеличение подвижности гумуса при внесении азотных минеральных удобрений, сопровождающееся ростом биологической активности, с большой вероятностью приведет к снижению содержания гумуса. Если же, при росте микробиологической активности на фоне внесения минерального азота происходит снижение подвижности гумуса, азотные удобрения будут способствовать сохранению гумуса.

Применение биоудобрений увеличивает синтез гумусовых веществ (ГВ), как в опыте с райграсом, улучшается их качество (выше степень зрелости, содержание азота, доступность для микроорганизмов) по сравнению с внесением минеральных азотных удобрений. Высокая доступность для микрофлоры лабильных ГВ обеспечивает сохранение гумуса в почве. Наибольшая убыль лабильного гумуса происходила в варианте с Бамилом (за 40 дней - на 337 мг/кг), а потери гумуса здесь наименьшие (0,03% от веса почвы). Лабильный гумус активно разлагается микроорганизмами, и служит буфером, защищая основную часть гумуса

Следовательно, сохранение гумуса в почве, при повышении интенсивности трансформационных процессов, будет происходить при следующих условиях: 1) в ночве много свежего органического вещества, которое и разлагается; 2) минерализуемого ОВ меньше, но происходит усиление процессов гумификации и баланс гумуса не нарушается за счет экранирующей роли новообразованных ГВ (характерно для биоудобрений); 3) при отсутствии достаточного количества минерализуемого ОВ в результате действия фактора уменьшается доступность почвенного органического вещества для микроорганизмов, выражающееся в росте доли негидролизуемого остатка, снижении константы скорости минерализации гумусовых соединений, уменьшении величины КОД, параллельно может происходить ускорение оборачиваемости и реутилизации микробной биомассы.

7.2.Разработка приемов регуляции микробиологических процессов трансформации почвеппого органического вещества с помощью биоудобрений из отходов животноводства

Применение биоудобрений, в основе механизма которых лежит рост активности микрофлоры, подтверждает наличие прямой зависимости между биологической активностью и продуктивностью растений. Увеличение активности микроорганизмов имело прямую корреляцию с урожаем моркови: г= 0,657-0,659 с потоками, и 0,794 с

активной биомассой (данные 2008 г). Причем связь урожая с биологическими показателями выше, чем с содержанием в почве гумуса (г=0,082), общего (г=0,024) и минерального азота (г=0,337-0,440).

Однако важно, чтобы отмечаемое увеличение интенсивности микробиологических процессов в почве не приводило к усилению минерализации гумуса и за счет этого к ухудшению плодородия дерново-подзолистых почв.

Действительно, положительный эффект от внесения биоудобрений на баланс гумуса, наблюдали не всегда. В полевых и вегетационных опытах было показано, что биоудобрение Бамил способствует сохранению и даже накоплению гумуса в почве, тогда как Омуг часто такого эффекта не имеет. Так, в вегетационном опыте с райграсом в варианте с Бамилом изменение гумуса за год несущественно (-1,9% от исходного), а в варианте с Омугом хотя и меньше чем в контроле, но падение гумуса в почве происходит (соответственно в контроле и при внесении омуга убыль на 11,2 и 7,0% от исходного). Бамил оказывал положительное действие на баланс гумуса даже в опытах с пропашными культурами (картофель): содержание гумуса увеличивалось на 0,04%, при этом падение гумуса в контроле и при внесении минеральных удобрений составляло -0,12% от веса почвы.

Влияние Омута на баланс гумуса зависело от возделываемой культуры, дозы и наличия минеральных удобрений, (рис. 6).

° 0,36

Е- 0,3 о

О! ъ 0,25

5 ®

я 5 0,2

!«> Ф о

д л пн о Ш 0,1

о о 0,05

¡^ 0

| -0,05

5 -0,1

контроль омуг 4 т/га омуг 6 т/га омуг 4 т/га+ 1/2 МРК

□ морковь Всвекла ЕЭячмень

Рисунок 6. - Влияние дозы Омуга на содержание гумуса в дерново-подзолистой почве под различными сельскохозяйственными культурами

Падение содержания гумуса при внесении Омуга не связано с увеличением интенсивности микробиологических процессов в почве. Коэффициенты корреляции, рассчитанные в опыте с ячменем (баланс гумуса - положительный), показали, что усиление микробиологической деятельности вело, напротив, к нарастанию процессов синтеза гумуса: содержание гумуса положительно зависело от С и N микробной биомассы (г= 0,942 и 0,781), дыхания (г=0,592).

Причиной различий в действии Бамила и Омуга на баланс гумуса в вышеописанных опытах, по нашему мнению, стала форма биоудобрений - влажный порошок (Омуг) или сухие гранулы (Бамил). Действительно, содержание гумуса в почве после применения гранулированного Омуга в среднем по опытам с морковью, луком и

кабачками, увеличивается на 6,5-19,6%. При этом дозы гранулированного Омуга уменьшаются и становятся как для бамила - 1-3 т/га.

Главной причиной увеличения содержания в почве гумуса при внесении гранулированного Омуга, по нашему мнению, является пролонгированность его действия. Грануляция обеспечивает более медленное поступление питательных веществ в почву (см.гл.6), время активации микробоценоза продлевается, что обеспечивает увеличение в течение всего сезона доли активной микробной биомассы по сравнению с внесением порошкообразного Омуга. Усиление микробиологической активности улучшает условия питания растений, приводя к прибавке урожая от грануляции (в среднем на 18,6-34,4%), и увеличивает количество растительных остатков и синтез подвижных гумусовых соединений.

Следовательно, биоудобрения способствуют сохранению гумуса в почве по следующим причинам: 1) увеличивается поступление в почву органического вещества, в том числе и за счет увеличения массы растений (прижизненные выделения и отмершие остатки); 2) пролонгированное™ поступления в почву и низкие концентрации органического вещества удобрений усиливают синтез лабильных гумусовых веществ, которые накапливаются (положительный баланс гумуса), либо служат буфером, защищая основную часть гумуса от разложения (бездефицитный баланс); 3) новообразованные гумусовые соединения более доступны для микроорганизмов и служат буфером между микроорганизмами и основной массой гумуса; 4) органическое вещество биоудобрений находится на поздних стадиях разложения и стимулирует гумусообразующие микроорганизмы, изменяется и состав микробного сообщества почвы.

Таким образом, по результатам этой и предыдущей главы, показано, что внесением биоудобрений можно регулировать активность и состав микробного сообщества почвы, и этим оказывать воздействие не только на урожай, но и на потенциальное плодородие почв.

7.3. Комплексный анализ почвенно-мнкробиологических экосистем на основе построения графов максимальных корреляционных связей

При комплексных исследованиях влияния составных факторов возникает та проблема, что полученный значительный массив микробиологических, агрохимических и физических данных, бывает сложно обобщить и оценить реальную микробную деятельность в конкретных почвенных условиях.

Для представления микробной экосистемы в виде имитационной модели предлагается использовать математический анализ (множественный корреляционный анализ) обширной базы сопряженных данных: микробиологических, физических, физико-химических, биохимических, агрохимических, отражающих почвенное состояние (Кутузова и др., 2001; Воробьев и др., 2005). Графы являются визуальным способом отражения такой математической систематизации.

Использование данного подхода к анализу данных полевого агроландшафтного опыта ( «Барыбино», ВИУА), позволило выявить различия минеральной и органо-минеральной систем удобрений в верхней и нижней частях склона. Исследованиями

было выявлено, нто в зависимости от системы удобрений микроорганизмы в качестве основного источника ОВ используют различные пулы. При минеральной системе микроорганизмы отдают предпочтение гумусу, тогда как при органно-минералыюй системе - растительным остаткам. В итоге становятся ясны причины различий и в абсолютных значениях этих пулов при сравниваемых системах удобрений: при минеральной системе удобрений достоверно ниже содержание гумуса (1,04 против 1,14), при органно-минеральной системе в 2 раза ниже содержание растительных остатков (100 мг С/кг против 200 мг С/кг).

Только используя анализ микробных экосистем, нам удалось показать различия в трансформационных процессах С и N верхней и нижней частей склона. Как было сказано, при минеральной системе удобрений микроорганизмы отдают предпочтение использованию гумуса. Однако, в разных частях склона его трансформация связана с различными процессами. В верхней части склона денитрифицирующие и сбраживающие микроорганизмы используют гумусовые соединения в качестве акцептора кислорода при восстановлении нитратов. Деятельность денитрифицирующих и сбраживающих микроорганизмов сопровождалась иммобилизацией азота, что отражалось на изменениях N- общей микробной биомассы. На размеры С- общей микробной биомассы значительно влияли олигонитрофилы и денитрификаторы. В нижней части склона в трансформации гумуса участвуют аммонификаторы и грибы, причем гумус в данном случае служит только источником азота микробной биомассы, тогда как изменения углерода общей микробной биомассы были связаны с олигокарбофилами и растительными остатками. В результате, в первом случае между Си N- общей микробной биомассы существует тесная корреляционная зависимость (0,76), а во втором она отсутствует.

Комплексный подход к сбору фактического материала и математический анализ полученных данных позволили получить несравненно более обширную и значимую информацию, нежели предоставляемую только абсолютными значениями изученных показателей, а также позволил увидеть за различиями в абсолютных значениях этих показателей реально происходящие в почве процессы.

Построение графов корреляционных связей для разных сроков наблюдений, как для полевого опыта с внесением Бамила под картофель (1996 г) позволяет выявить динамику микробных экосистем. Графы были построены для каждого из двух сроков наблюдений - месяц после внесения удобрений (рис. 7) и во время уборки (рис. 8).

Формирование урожая зависело от условий азотного питания растений в начальный период развития (нитрификационная способность, содержание нитратов в почве) (рис. 7). В начале вегетации Бамил активизирует деятельность почти всех физиологических групп микроорганизмов. Однако, сравнительно небольшое количество ОВ, поступившее в почву с Бамилом, обеспечило лишь кратковременную вспышку численности микроорганизмов, в конце вегетации лишь грибы сохраняли высокий уровень численности и тесную корреляционную связь с Бамилом (г=0.98) (рис. 7 и 8).

ОпюэшрОс* филыод» Я -

АіляСявОт-цкргСщг» вдар*'«»***- І в. -■■■'" 1 >уекпв* »— І елОЮбШКЭЬ І

------- \ , ! Двивіріоіі»- -0 : і»» ."к | с-пэцт»г ;-У жтогун*» Г

1 -«,52 Ь-Л ... СЧйшвн ......*Т .....ч \оз!

-1-

Л «чбпяг.

ч ^_ ...

Рисунок 7. - Граф корреляционных связей в микробной экосистеме для 1 -го срока анализа (30 дней)

К-Щ ССражжа»- о.зэ; м-мс^ і о аэ ; О «ПУбиях 1 Ой«! ПЧвиа

■а.гц 0.99 \— „_088. . / ""V...................

І (ИруіОШйв !-*■"« ымдаЗД-Эй 15-й Ь! j І Янощесы

Рисунок 8. - Граф корреляционных связей в микробной экосистеме для 2-го срока анализа (90 дней).

В начале вегетации источником азота для микроорганизмов были в большей степени почвенные нитраты (рис.7). К концу вегетации запасы N микробной биомассы коррелируют с гумусом (г-=0.84). и с Бамилом (г=0.68), так как пул N-NN4 почвы пополняется за счет обоих источников (1=0.54 и 0.90), и определяет поглощение N

микробной биомассой (г=0.80) (рис. 8). В присутствии Бамила достоверно (на 6-18 мг М/кг) возрастают запасы микробного азота в сравнении с предыдущим сроком, тогда как в вариантах ШОРК и М150РК идет его убыль (на 6-9 мг Ы/кг).

В первый срок наблюдений доминировал процесс новообразования гумусовых соединений, где главным действующим агентом могут быть грибы, между которыми и С-лабилыюго гумуса была выявлена сильная корреляционная зависимость (1=0.91) (рис. 7). Во второй части вегетации начинает преобладать разложение С-лабильного гумуса.

Сочетание анализа микробных экосистем и абсолютных значений изучаемых параметров способствовало выявлению специфики почвенно-микробиологических процессов в вариантах с Бамилом относительно вариантов с селитрой. В начале вегетации Бамил усиливает деятельность микроорганизмов, минерализующих органический азот, обеспечивая растения азотом в период наибольшей в нем потребности. В результате урожай картофеля в варианте с Бамилом в два раза выше, чем в контроле без удобрений, а при совместном внесении Бамила с минеральными удобрениями не уступал варианту N150. Постепенное поступление азота в растение в вариантах с Бамилом позволяет получить экологически более чистую продукцию, о чем свидетельствует снижение содержания нитратов в клубнях картофеля относительно вариантов с №К. Бамил изменил функционирование почвенных микроорганизмов таким образом, что использование ими в качестве источника углерода лабильного гумуса препятствует смещению процессов синтеза-минерализации гумуса в сторону последних, и сохраняет потенциальное плодородие почвы на уровне контроля без удобрений в условиях пропашной культуры.

Таким образом, применение граф-анализа для обработки значительного массива данных является важным инструментом для понимания функционирования микробоценоза.

Глава 8. Рекомендации по применепию биоудобрений 8.1. Влияние биоудобрения омуг на урожай и качество сельскохозяйственных культур и почвенное плодородие

Эффективность применения Омуга зависела от культуры и дозы (табл.11). Наиболее отзывчивыми были картофель, кабачки, кольраби и травы. Прибавки урожая моркови от внесения Омуга по годам стабильны и составляют 35-38% на слабоокультуренной почве и 20% на хорошо окультуренной.

Испытания эффективности применения гранулированного биоудобрения Омуг, проведенные в течение 3-х лет на моркови, показали увеличение урожая на 17,6-44,2% относительно порошкообразного Омуга. Положительный эффект от применения гранулированного Омуга по сравнению с порошкообразным был получен также на луке (сорт Штутгарт ризен) - прибавка 4,0-23,8% и кабачках (сорт Грибовские) - прибавка 26,6-34,8%.

Таблица 11. - Прибавка урожая различных сельскохозяйственных культур при внесении порошкообразного Омуга (% к контролю)

Культура Доза Омуга

2 т/га 4 т/га 6 т/га

(=60 кг N/ra) (=90-100 кг N/ra) (=170 кг N/ra)

Свекла - 32,8 40,5

Лук 24,5 34,5 -

Морковь 15 3,7-38,6 68,6

Картофель - 69 155

Кабачки 32,3 78,4 -

Кольраби 40-52 12-74,4 -

Ячмень - 5 17,5

Райграс - 45-57,2 143

Эффективность омуга, гранулированного с минеральными удобрениями, зависела от количества последних и климатических условий года. Наилучшие результаты были получены в варианте с гранулированным совместно с 15% NPK Омутом в 2005 году, прибавка урожая достигает 44,2%. Добавление к Омугу при грануляции 30% NPK было не эффективно с экономической точки зрения, так как прибавка урожая была ниже, чем при добавке 15% удобрений. При засушливых условиях 2006 года добавление к омугу минеральных удобрений в целом снижает эффект от грануляции. Эффект от грануляции зависел и от диаметра гранул, так прирост урожая составлял для омуга без NPK 20,6% при диаметре гранул 6 мм, и 28,5% при диаметре 10 мм.

Локальное внесение Омуга в большинстве случаев увеличивает урожай овощей в полевых опытах. Прибавка для кольраби составила 8,7 и 55% для доз N60 и N90, для лука на обеих дозах прибавка была 10,8%. Наилучшие результаты с локальным внесением омуга получены для кабачков: урожай возрастает на 29,0-39,4% относительно сплошного внесения гранул в эквивалентных дозах. Локальное внесение Омуга под кабачки позволяет снизить дозу удобрения до трех раз (с 60 до 20 кг N на гектар), урожай при этом остается на 98.8% выше контроля без удобрений, что только на 20% ниже, чем при внесении полной дозы.

Как и для минеральных удобрений (Трапезников, 1999) была установлена целесообразность уменьшения дозы Омуга на 25% при локальном внесении. Так в последний срок (44-й день) при локальном внесении биоудобрения под рассаду томатов сырой вес растений был выше на 7,4-15,4% (соответственно для доз 200 и 150 мг N/л); вынос азота - на 39,6-24,9%; вынос фосфора - на 15,7-2,4% чем при сплошном внесении. Внесение сниженных доз Омуга снимает отрицательное действие полных доз при локальном внесении под морковь.

Применение Омуга (порошкообразного и гранулированного), как и других биоудобрений, позволяет получить урожай высокого качества. Питательные элементы, особенно из гранул, поступают в почву медленно, в низких концентрациях. Количество

нитратов в моркови, картофеле и свекле было значительно ниже ПДК для соответствующих культур и не отличалось от контрольных вариантов. Качество корнеплодов возрастало и по другим показателям. Внесение Омуга увеличило содержание в моркови каротиноидов на 26 и 43% соответственно при дозе 4 и 6 т/га; в картофеле содержание витамина С возрастало на 41-45% относительно контроля, содержание крахмала - на 25-30%.

Важным аспектом применения биоудобрений является влияние на почвенное плодородие. Так как механизм действия биоудобрений связан с активизацией микроорганизмов то при их внесении происходит рост биологической активности: увеличение численности и биомассы микроорганизмов, дыхания, величины потоков через биомассу. Однако, существенное повышение биологической активности отмечается чаще всего только в начале вегетации. Это связано с невысокой дозой применения биоудобрений. Сравнение влияния гранулированных и порошкообразных форм биоудобрений на биологическую активность почвы показало некоторое преимущество порошкообразной формы Омуга над гранулированной в начальный период. При внесении Омуга почва в большинстве случаев сохраняет или повышает потенциальное плодородие, особенно при использовании гранулированной формы.

В многолетних испытаниях была показана высокая эффективность использования биоудобрения Омуг под различные сельскохозяйственные культуры в Северо-Западном регионе. При этом помимо высокого урожая с хорошим качеством, повышается интенсивность микробиологических процессов в почве, что способствует росту ее устойчивости к стрессам и сохранению почвенного плодородия.

На основании влияния на урожай и с учетом влияния на плодородие почв были разработаны нормы внесения биоудобрения Омуг под овощные культуры (табл. 12).

Таблица 12 - Нормы внесения биоудобрения Омуг в качестве основного удобрения под овощные культуры (т/га)

Культуры Порошкообразный Омуг (влажность 3040%) Гранулированный Омуг (влажность 12-15%)

Сплошное внесение Локальное внесение

Картофель 4-6 2-3 1,5-2,5

Свекла, морковь 4-6 2-3 1,2-2,0

Кольраби, капуста 4-6 2-4 1,5-2,2

Кабачки 4-6 2-4 1-3

Рекомендуется применять омуг как основное удобрение (внесение вразброс или локально) и в виде подкормки. Эффективность биоудобрения под картофель и корнеплоды повышается при совместном внесении с калийными удобрениями.

8.2. Применение биоудобрений из отходов птицеводства для очистки нефтезагрязненных почв, рекомендации для зон с низкими темпами разложения

ГНУ ВНИИСХМ и СПбГТИ(ТУ) для очистки нефтезагрязненных почв были разработаны биопрепараты Бамил-15 и Омуг-15, получаемые на основе соответствующих биоудобрений и иммобилизованных на них микроорганизмов-алкацотрофов (Архипченко., Зольникова., 2002).

Значительная нефтеразлагающая способность биоудобрений Омуг и Бамил связана как с наличием в них бактерий алканотрофов - до 8-10 КОЕ/г, так и с тем, что они выполняют роль твердого носителя для бактерий и тем самым снижают стресс для микроорганизмов.

Применение биопрепарата Омуг-15 для очистки нефтезагрязненного торфа в условиях Крайнего Севера оказалось очень эффективно, несмотря на короткий вегетационный период. За 2,5 месяца увеличились влагоемкость торфа с 303,3 до 581,8 %, гидролитическая кислотность - в 5.9 раза, сумма обменных оснований — на 20%. Под действием препарата на порядок возросло дыхание. Содержание нефти снизилось на 71% от исходного.

При внесении Омута в дерново-подзолистую почву с уровнем загрязнения нефтью 15 г/м2 наблюдали уменьшение содержания остаточной нефти к концу опыта относительно контроля на 40,6 и 85,1% соответственно для дозы биоудобрсния 50 и 100 г/м . Установлено, что при слабом загрязнении нефтью (до 15 г/кг) эффективнее всего использовать биоудобрение Омуг в нативном виде в дозе 100 г/м2. Внесение бактерий -алканотрофов без Омуга было эффективно только при низкой дозе загрязнения, тогда как при высоком уровне нефти целесообразно использование бактерий совместно с Омугом. При сильном нефтезагрязнении (45 г/кг) лучше всего разрушает нефть биопрепарат Омуг-15 в дозе 50 г/м2. Потеря нефти в этом варианте составила 31,3 % к контролю.

Система очистки почв от нефтяных загрязнений с использованием биопрепарата Омуг-15 может позволить значительно снизить финансовые затраты на рекультивацию, так как предлагаемый биопрепарат технологичен, легко вносится, снижается доза минеральных удобрений за счет содержащихся в Омуге питательных веществ, действие последних более пролонгировано, так как они находятся в органической форме и не происходит эвтрофикации и загрязнения грунтовых вод, внесение - один раз за сезон.

8.3. Использование биоудобрепий в качестве активаторов компостирования твердых бытовьис отходов мегаполиса

С экологической точки зрения наиболее выгодным способом утилизации ТБО представляется компостирование, так как при этом минимальны вредные выбросы в окружающую среду и сохраняется органическое вещество для возвращения в почвы (Арзамасова. 1979; Auso et al., 1996; Choi, 1996). Однако, при существующих в РФ технологиях компостирования, реализация и использование компоста затруднено из-за его низкого качества.

В нашей лаборатории работы по улучшению качества компоста проводились в двух направлениях: 1) повышение качества исходного сырья: сортировка ТБО и

активация процесса введением биоудобрений на стадии биокомпостирования; 2) дробление первичного компоста из ТБО (после биобарабана) и введение биоудобрений на стадии дозревания компоста с целью её ускорения.

8.3.1. Активация компостирования сортированных ТБО

Предварительная сортировка ТБО повышала содержание органических веществ с 24 до 87%, количество балластных веществ (металл, пластик, камни, стекло) снижалось.

Для интенсификации процесса компостирования в ТБО вводили в качестве биологически активных добавок биоудобрения Бамил и Пудрет, что повышало температуру компоста на 10-20 % относительно контрольного варианта, увеличивается и содержание С02 в газовой фазе. То есть происходит ускорение процесса ферментации. В процессе ферментации ТБО наблюдали постепенное увеличение коэффициента термофильное™ микроорх-анизмов. Так для аммонифицирующих бактерий эта величина увеличивается с 1,2-2,0 до 40-69 в конце процесса, а для бактерий, использующих минеральный азот с 0,5-0,9 до 8-23,5. Максимальный рост термотолерантных аммонифицирующих бактерий в варианте с Бамилом отмечен уже через 12 часов и остается постоянным в течение 24-х часов, после чего, через 36 часов - снижается. Из этого следует, что внесение биоактиваторов может сократить время компостирования ТБО в ферментере до 36 часов. Внесение биодобавок оказало существенное положительное влияние на численность и биохимическую активность термофильных целлюлозоразлагающих бактерий (рис. 9).

Термотолерантные (55°С)

КОЕ/1 г

8000 6000 4000 2000 О

ТБО+пудрет ТБО+бамил

тыс. КОЕ/г

| и ТБО в ТБО+бамил РТБО+пудрет [

Рисунок 9 - Численность аэробных компостировании ТБО с биодобавками

'БО+пудрет ТБО+бамил

О ТБО Э ТБО+бамил ПТБО+пудрэт J

целлюлозолитических бактерий

при

Добавление Бамила увеличивает содержание подвижных фракций ОВ в готовом компосте: за время ферментации содержание гумусоподобных веществ увеличивается на 14,5%, а солерастворимых органических соединений - на 43,7%. Введение Бамила в ТБО обогащает получаемый компост азотом: содержание общего азота в вариантах контроль, Бамил и Пудрет 1,7%; 2,2% и 1,8% соответственно. Это обеспечило наибольшую прибавку зеленой массы райграса для компоста, полученного с Бамилом в качестве биодобавки - 32,9%.

8.3.2. Введение биоудобрений для улучшения качества компоста из несортированных ТБО

Для опытов по ускорению дозревания использовали компост из ТБО сразу после биобарабана, производимый на 03 МПБО-2 (пос.Янино, Санкт-Петербург). С целью улучшить внешний вид компоста и его гомогенность компост дробили. Дробление существенно улучшает фракционный состав компоста: выход фракции <5 мм увеличивается до 87,4%, доля крупных стекол снижается в 11,6 раза.

Введение биоудобрения Омуг ускоряет микробиологические процессы в компостах из ТБО при дозревании, что выражается в повышении температуры компоста, содержания углекислоты в газовой фазе и численности микрофлоры. Причиной служит привнесение, во-первых, активной микрофлоры, а во-вторых, доступных органических веществ и азота, что позволяет микроорганизмам полнее перерабатывать труднодоступные органические вещества. Испытание разных доз биоудобрения (5, 10 и 15% от массы компоста) выявило оптимальную дозу добавки Омуга — 10%. Созревание компоста сопровождается использованием микрофлорой наиболее доступных легкоокисляемых органических веществ, переходящих в водную вытяжку. Однако, помимо разложения органики, в процессе дозревания происходит и накопление такого ценного класса органических веществ как гумусовые соединения (рис. 10), к концу опыта количество ГВ достигает 70-76% от суммы органического углерода щелочной вытяжки.

ТБО. Сумма - общее содержание Сорг в 0,1 Н №ОН; ГВ - разница между суммой и водорастворимыми веществами

Готовые компоста из ТБО полученные с введением биоудобрения омуг имели хорошее качество: в них выше содержание общего азота (на 20-58%), общего и подвижного фосфора (на 53-219% и 19-225% соответственно), подвижного калия (на 36130%), а также минерального азота по сравнению с контролем.

Для производства опытных партий улучшенного компоста из ТБО в условиях модельной установки вместе с исходным компостом в дробилку подавали биоудобрение омуг, затем компост отправляли на площадку дозревания. Дозревание происходило в буртах высотой 1-1,5 м, периодически компост перемешивали и увлажняли. Добавка

Омуга в компост за счет роста биологической активности привела к повышению температуры в буртах на 10-12°С по сравнению с дробленым компостом без омуга. Быстрее в улучшенном компосте происходит и дозревание, о чем судили по развитию проростков кресс-салата, которые имели лучшие показатели по длине и весу, хотя время нахождения компоста с Омутом на площадке дозревания было в 2 раза меньше. Улучшаются и химические свойства компоста.

8.3.3. Получение почвогрунтов на основе улучшенных компостов из несортированных ТБО

Спрос на почвогрунты, пригодных для использования в садово-парковом, лесном и хозяйствах, озеленении, носит сезонный характер, что определяет необходимость ускорения стадии дозревания. Технология производства почвогрунтов включает следующие стадии: дробление, дозревание (с биоудобрением Омуг), смешивание полученного улучшенного компоста из ТБО с торфом и минеральными добавками (известь, удобрения). Последние вносят (или нет) в зависимости от химических характеристик зрелого компоста и назначения почвогрунта Показана важность корректировки рецептур на основе содержания питательных элементов в компосте из ТБО, так как отдельные партии компостов из ТБО имеют существенные (в 2-5 раз) различия по концентрации отдельных элементов питания. Значительные различия свойств партий компостов из ТБО в зависимости от времени отбора является их характерной особенностью (ШсЫегйоп е1 а!., 2001). Предлагаемая технология получения почвогрунтов является зависимой и может применяться как дополните при переработке ТБО методом компостирования в биобарабанах. В этом случае установка получает первичный компост из ТБО из биобарабана по мере необходимости.

На основе анализа литературных данных были сформированы требования и разработаны рецептуры для двух больших групп растений: 1) для цветочных культур и газонных трав, и 2) для хвойных древесных и кустарниковых пород.

Из улучшенных компостов были наработаны опытные партии почвогрунтов («Малахит»), соответствующие требованиям растений по величине рН и содержанию питательных элементов. Почвогрунты, полученные из компостов ТБО в большинстве случаев содержат более низкие концентрации тяжелых металлов, по сравнению с исходными компостами за счет разбавления торфом.

Испытания экспериментальных партий почвогрунтов, проведенные в ГНУ ВНИИСХМ Россельхозакадемии, семеноводческой и ландшафтно-дизайнерской фирме «Хардвик», ООО «Санаторий «Сестрорецкий курорт» и фирме по садово-парковому дизайну ООО «Дворянская усадьба» показали высокое качество подученных почвогрунтов. Почвогрунт обеспечивает дружные всходы газонных трав в относительно короткие сроки (ускорил на 18 дней появление всходов), хороший рост и развитие растений без дополнительных подкормок, быструю возобновляемость травяного покрова после скашивания по сравнению с обычной неудобренной почвой (контроль). Высокое содержание хлорофиллов в растениях опытной делянки (2,33- 3.3 мг/г сырого веса против 1,79-3,0 мг/г сырого веса в контроле) обеспечивает высокую фотосинтетическую деятельность растений и интенсивную зеленую окраску газона.

Испытание почвогрунтов, полученных на основе компостов лабораторного опыта, показало их преимущество по сравнению с почвой. Внесение в почву полного минерального удобрения (№К) увеличило вес травы в 2,3 раза. Масса травы, выросшей на почвогрунтах, мало зависела от варианта и составляла 17,3-21,2 г/сосуд, против 13,4 г/сосуд для удобренной почвы, что соответствует прибавке на почвогрунтах 29-58%. Содержание тяжелых металлов в растениях, выросших на почвогрунте и почве, существенно не различалось. Проведенные испытания показали несомненное преимущество для выращивания растений опытных почвогрунтов по сравнению с исходным компостом из ТБО и неокультуренной почвой.

8.3.4. Использование улучшенных компостов из ТБО для получения гумусовых веществ

На основе компоста из ТБО можно изготовить активированный компост, обладающий низкой фильтрационной способностью и повышенной сорбционной емкостью по отношению к катионам тяжелых металлов, который можно будет использовать в качестве изолирующих слоев на полигонах с целью снижения токсичности инфильтрата. Побочным продуктом процесса активации компостов являются растворы гуминовых веществ (ГВ). Известно, что растворы ГВ, полученные из торфа, угля и других субстратов могут служить эффективными стимуляторами роста растений (Гордиенко и др., 2002; Попов и др., 2002).

Гуминовые вещества, полученные в результате активации компостов 2% растворами ЫаОН и На2СОз, были изучены в качестве возможных стимуляторов роста растений. Концентрация гуминовых веществ в растворах №ОН по сравнению с растворами Ыа2С03 была выше: 1325-1675 мг С/л и 683-1018 мг С/л соответственно (для I компоста). При неоднократном использовании активирующего раствора были получены более концентрированные препараты ГВ. Раствор, являющийся побочным продуктом активации компостов из ТБО, содержит ГВ в количествах от 0,7 до 4,8 г С/л, азот от 200 до 1100 мг/л, калий от 300 до 100 мг/л, фосфор от 50 до 300 мг/л, микроэлементы. С каждой последующей обработкой в растворах повышается содержание углерода, азота, фосфора и калия (рис. 11).

Опытами на редисе и кресс-салате было выявлено оптимальное время обработки семян растворами ГВ, выделенных из муниципальных компостов. Наилучший стимулирующий эффект был получен при замачивании семян в разбавленных 1:100 растворах ГВ на 1 час. В этом варианте по сравнению с контролем всхожесть растений была выше на 6,4%, длина проростков на 9,1%, сухая масса проростков и корней возросла на 36 и 43% соответственно. Более длительный контакт семян с растворами (замачивание на 1 и 3 суток) дал меньший эффект, особенно на корнях. Сравнение растворов ГВ, полученных из разных партий компостов из ТБО при одинаковых условиях показало, что возможна нестабильность полученных растворов ГВ по влиянию на растения.

□[этап

ail этап □ III этап

01 этап ®Н этап

NaOH Na2C03 NaOH Na2C03

NaOH Na2C03

лппппрнмй

NaOH Na2C03 _ыешюйяеный—

1200 1000 800 600 400 200 0

P205 Содержание общего фосфора

и I этап sil этап □ IH этап

NaOH Na2C03 NaOH Na2C03

Содержание общего калия

Содержание общего азота

N мг/л

NaOH Na2C03 NaOH Ne2C03 пппбпеный__недробленый

Рисунок 11. - Изменение химических свойств растворов ГВ в зависимости от количества обработок (этапа активации), вида компоста (дробленый и недробленый) и активирующего раствора (NaOH, Na2C03).

Прямой зависимости между концентрацией ГВ в растворе и их стимулирующим эффектом на всхожесть и биометрические показатели проростков кресс-салата не было выявлено. Эффект от обработки ГВ, полученными из компостов ТБО, был выше для растворов с концентрацией углерода 7-14 мг/л для I партии компоста и 10-30 мг/л для компостов II и III партий. При обработке семян кресс-салата разбавленными в 50, 100 и 150 раз растворами ГВ, увеличивается всхожесть семян на 4,2-8,7%, длина корня - на 11,5-3 8,0%, длина проростка - на 11,2-25,9%.

Растворами ГВ, полученными из дробленого и недробленого компостов (II и III партии) при неоднократном использовании активирующих растворов, были проведены внекорневые обработки растений в вегетационном опыте. Растворы гумусовых веществ, выделенных из муниципальных компостов, не уступают, а даже и превосходят Идеал по эффективности. Все варианты дали стимуляцию по сравнению с контролем по воде, вес растений увеличился на 44-107%. Определение тяжелых металлов в растениях салата, обработанных растворами ГВ, не выявило существенных различий по содержанию их в контрольных и опытных растениях.

Таким образом, установлена перспективность использования растворов ГВ, выделенных из муниципальных компостов, в качестве стимулятора роста растений. Они не уступают по эффективности продаваемым коммерческим препаратам. При рекомендуемых перед использованием разведениях исходных растворов опасность загрязнения тяжелыми металлами продукции сводится к нулю.

Выводы

1. Дополнение метода определения коэффициента относительной доступности органического вещества микроорганизмам кинетическим анализом кумулятивных кривых выделения углекислоты позволяет разделить доступное ОВ на фракции легкоминерализуемого негумифицированного и доступного гумуса. Использование относительной доступности именно гумусовых соединений позволяет дать объективную оценку тенденции изменения содержания гумуса в почве. Например, при одинаковых значениях КОД (8,8%), доступность гумуса в варианте с Бамилом ниже, чем в NPK: 6,1 и 7,7% соответственно.

2. Количество и качество ОВ нейтральной пирофосфатной вытяжки (лабильный гумус) зависит от вида удобрения и временного интервала после его внесения. Применение минеральных азотных удобрений в дозе 150 мг N/кг снижает содержание N и С в лабильном гумусе, уменьшая количество и долю ГК, при меньшей степени их зрелости. Биоудобрения Бамил, Омуг и Пудрет увеличивают относительно контроля содержание лабильного гумуса на 14-47%, количество ГК — на 17,0-52,8%. Доступность углерода пирофосфатной вытяжки для микроорганизмов была существенно выше на 45 день (13,4-16,3%), чем на 347 день (5,3-10,8%).

3. Анализ данных многолетних исследований позволил разделить факторы, влияющие на содержание С-биомассы (регидратационным методом) в дерново-подзолистых почвах, по силе действия на: основные (содержание в почве физической глины и органического вещества) и вторичные (температура, влажность, содержание минеральных элементов, загрязнения и т.д.), действующие больше на активность микробоценоза. Вторичные факторы влияют на количество микробной биомассы только при экстремальных значениях (температура, гербициды, пестициды и т.п.). Кроме того, предлагается различать одномерные и составные факторы. Одномерные, те что были перечислены выше, чаще изучают в контролируемых условиях. Составные факторы - это те, которые можно разложить на несколько одномерных: ландшафт, растения, система удобрений и т.п., они, влияют на размеры микробной биомассы в той степени, в какой под их влиянием изменяются одномерные факторы, определяющие величину микробного пула (механический состав, доступное органическое вещество, температура и т.п.).

4. Содержание С-биомассы, определенное методом регидратации, часто является стабильным для данной почвы показателем (особенно средние за сезон значения), слабореагирующим на многие кратковременные воздействия. В качестве индикатора отклика микробной биомассы рекомендуется использовать содержание N в биомассе, количество активной биомассы (субстрат индуцированное дыхание), потоки С и N через биомассу. Например, растения ржи существенно влияли на активность микробной биомассы в ризосфере, а не на содержание С-биомассы. Высокая активность ризосферных микроорганизмов проявилась в увеличении дыхания в 1.4-3,7 раза, азота биомассы на 20-48%, преобладании активной биомассы (88,8-100% от общей) относительно междурядий.

5. Иммобилизация азота удобрений в ОВ связана не с размерами С микробной биомассы, а с потоками через нее углерода и азота, то есть с интенсивностью микробиологических процессов (коэффициенты корреляции -0,19--0,42 и 0,96-0,99 соответственно). Основная часть иммобилизованного азота удобрений обнаруживается не в микробной биомассе (от 1 до 16% внесенного азота), а включается в состав почвенного органического вещества (18,3-57,2% от внесенного). Низкая активность микробоценоза (мало доступного углерода, переувлажнение) уменьшает количество иммобилизованного азота, как в микробной биомассе, так и в ПОВ.

6. Сохранение гумуса в дерново-подзолистых почвах при повышении интенсивности трансформационных процессов, будет происходить при следующих условиях: 1) в почву внесено достаточно свежего органического вещества, которое и разлагается; 2) при поступлении в почву даже небольших доз органики происходит усиление процессов гумификации и баланс гумуса не нарушается за счет экранирующей роли новообразованных ГВ; 3) в результате действия исследуемого фактора уменьшается доступность почвенного органического вещества для микроорганизмов. Отражением всех этих процессов будет рост потоков углерода через микробную биомассу, свидетельствуя о благоприятных условиях для сохранения гумуса, а следовательно и росте устойчивости почв.

7. Механизм действия биоудобрений (Бамил и Омуг) на почву связан с внесением активных микроорганизмов и доступного ОВ, вызывающего активизацию почвенной микрофлоры. Особенностью гранулированных форм биоудобрений является длительный период активации микрофлоры за счет пролонгированного поступления питательных веществ в почву. Гранулированные биоудобрения способствуют сохранению гумуса в почве по следующим причинам: увеличивается поступление в почву ОВ, но поступает оно пролонгировано, в низких концентрациях, что усиливает синтез лабильных ГВ, которые накапливаются (положительный баланс гумуса), либо служат буфером, защищая основную часть гумуса от разложения (бездефицитный баланс). При внесении биоудобрений за счет низких доз (1-6 т/га) питание растений остается близким к естественному (нет накопления нитратов в продукции), хотя и на более интенсивном уровне (рост урожая), и при этом сохраняется гумус. Применение биоудобрений позволяет регулировать структуру и функционирование микробного сообщества почв, почвенное плодородие, включая баланс гумуса (содержание гумуса в почве поддерживать неизменным или увеличивать на 0,2% от массы почвы).

8. Биоудобрения Бамил и Омуг можно использовать как добавки, активирующие процессы разложения трудноразлагаемых субстратов (опилки, ТБО и т.п.). Введение их ускоряет микробиологические процессы в субстратах, что выражается в повышении температуры (на 10-20°С), содержания углекислоты в газовой фазе (до 3-х раз) и численности микрофлоры. Причиной служит привнесение с биоудобрениями, как активной микрофлоры, так и доступных органических веществ и азота, что позволяет микроорганизмам полнее перерабатывать труднодоступные

органические вещества. Готовые компосты из ТБО полученные с введением биоудобрения омуг имели хорошее качество: в них отмечали повышение содержания общего азота (на 20-58%), общего и подвижного фосфора (на 53-219% и 19-225% соответственно), подвижного калия (на 36-130%), а также минерального азота по сравнению с контролем. При обработке семян кресс-салата разбавленными в 50, 100 и 150 раз растворами ГВ, полученными из компостов ТБО, увеличивается всхожесть семян на 4,2-8,7%, длина корня - на 11,5-38,0%, длина проростка - на 11,2-25,9%. После внекорневой обработки растворами ГВ листьев салата вес растений увеличился на 44-107% по сравнению с контролем.

Список работ, опубликованных по теме диссертации Патенты:

1. Архипченко И.А., Арсентьев В.А., Гущина Е.Д., Орлова О.В. Технологическая линия получения модификатора почв при переработке твердых бытовых отходов.// Патент РФ № 50531 от 20.01.2006, приоритет 05.07.2005.

2. Архипченко И.А., Орлова О.В. Почвогрунт торфяной «Малахит» (варианты)// Патент РФ № 2366640, зарегистрирован 27.08.2009, приоритет 27.11.2007.

3. Архипченко И.А., Жигунов A.B., Орлова О.В., Колесник Д.О. Способ получения торфяного субстрата для посадочного материала лесных культур. //Патент РФ № 2365569, зарегистрирован 27.08.2009, приоритет 27.11.2007.

4. Архинченко И.А., Арсентьев В.А., Орлова О.В. Способ обработки твердых коммунальных отходов при их хранении. //Патент РФ № 2384548, зарегистрирован 20.03.2010, приоритет 07.08.2008.

5. Архипченко И.А., Афанасьев В.Н., Афанасьев A.B., Брюханов А.Ю., Орлова О.В. Технологическая линия получения биоудобрения на основе птичьего помета. //Патент РФ № 88665, зарегистрирован 20.11.2009, приоритет 12.09.2009.

6. Архипченко И.А., Брюханов А.Ю., Афанасьев В.II., Орлова О.В. Технологическая линия для получения различных форм биоудобрения из птичьего noviera. //Патент РФ № 2012139412, зарегистрирован 20.03.2013, приоритет 13.09.2012.

Научные статьи

1. Архипченко И.А., Орлова О.В., Лихачев Ю.М., Федашко М.Я. Применение микробных удобрений для интенсификации процесса ферментации муниципальных отходов //Экология и промышленность России. — 2000. — № 7. — С. 16-19.

2. Arkhipchenko I.A., Likhachev Y.M., Orlova O.V., Fedashko M.Y. Application of microbial communities for intensification of the process of municipal wastes fermention.// Proc. of 9-th Intern. Conf. FAO Network on Recycling of Agricultural, Municipal and Industrial Residues in Agriculture. - Gardnano. - 2001. - p.395-398.

3. Архинченко И.А., Орлова О.В. Оптимизация процесса компостирования и влияние биокомпостов на урожай. //Агрохимический вестник. — 2001. - № 5. - С.22-24.

4. Кутузова P.C., Сирота Л.Б., Орлова О.В., Воробьев Н.И. Использование математического анализа для оценки микробиологического состояния почв агроландшафтного опыта. //Агрохимия. - 2001. -№ 1. - С. 19-33.

5. Кутузова P.C., Сирота Л.Б., Орлова О.В., Воробьев Н.И. Микробное сообщество и анализ почвенно-микробиологических процессов в дерново-подзолистой почве.// Почвоведение. - 2001. -№ 3 - С.320-322.

6. Kutuzova R.S., Sirota L.B., Orlova O.V., Vorob'ev N.I Microbial community and the analysis of microbiological processes in soddy-podzolic soil //Eurasian Soil Science. 2001. T. 34. № 3. C. 286-297.

7. Кутузова P.C., Сирота Л.Б., Орлова O.B., Воробьев Н.И. Особенности почвенно-микробиологических процессов при внесении бамила в дерново-подзолистую почву // Агрохимия. - 2002. - № 5. - С.22-32.

8. Tarasov S.I., Arkhipchenko I.A., Orlova O.V. Humus and soil fatigation // Abstr. Internat. Workshop on "Practical Solutions for Managing Optimum С and N Content in Agricultural Soils". Prague, 25-27 June 2003.-P.l 12.

9. Архипченко И.А., Орлова O.B. Микробные удобрения из органических отходов в восстановлении и рекультивации загрязненных почв.// В сб. Экологические работы на месторождениях нефти Тимано-Печерской провинции. Состояние и перспективы. Материалы III научно-практической конференции Ухта, Коми, - 2004. - С. 17-21.

10. Тарасов С.И., Архипченко И.А., Орлова О.В. Роль органических удобрений в устранении почвоутомления под многолетними травами. // Сб. докл. межд. научно-практической конф. «Агроэкологические функции органического вещества почв и использование органических удобрений и биоресурсов в ландшафтном земледелии», г.Владимир. - 2004. - С.386-393.

11. Архипченко И.А., Орлова О.В. Микробное удобрение из отходов птицеводства как эффективный биопрепарат для очистки нефтезагрязненных земель в условия Крайнего Севера. //В кн. «Экологические работы на месторождениях нефти Тимано-Печерской провинции. Состояние и перспективы»., г Сыктывкар.-2004. -С.201-205.

12. Васильев O.A., Орлова О.В. Влияние осадков сточных вод на содержание углерода и азота микробной биомассы в почвах. //В сб.трудов Чувашской Государственной с/х академии. - Чебоксары. - 2004. - T.XIX (часть 1). - С.54-55.

13. Орлова О.В., Архипченко И.А. Особенности микробных удобрений и механизм их действия на почвенно-растительный комплекс. // В сборнике «Научные основы и практические рекомендации по использованию биоудобрений из отходов животноводства для биологического земледелия». - СПб. — 2005. — С. 9-13.

14. Орлова О.В., Архипченко И.А. Влияние биоудобрения омуг на содержание питательных элементов в легких дерново-подзолистых почвах, //Материалы межд. научно-практической конференции «Основные итоги и приоритеты научного обеспечения ПАК Евро-Северо-Востока». - Киров. - 2005. - т.1. - С.259-264.

15. M.E.Shibaeva, O.V.Orlova, I.A.Arkhipchenko, Han-Cheol Lim, Yong-Hwan Jung "The application of microorganism inoculation during chicken manure composting".// In Procced.

"Chicken Manure Treatment and Application in Europe and Asia". — Hamburg. - 2005. -P.271-283.

16. Орлова O.B., Гущина Е.Д., Арсентьев B.A., Шибаева М.Е., Архипченко И.А. Использование биодобавок для получения почвогрунтов из ТБО. //Экология и промышленность России. - 2005. - №12. - С.4-7.

17. Орлова О.В., Тарасов С.И., Архипченко И.А. Величина активного пула углерода в почве при длительном внесении бесподстилочного навоза. // Доклады Россельхозакадемии. - 2006. - № 1. - С.26-28.

18. Орлова О.В., Шибаева М.Е., Архипченко И.А. Оптимизация ферментации древесных опилок и помета. // В сб. докл. межд. н-пр конференции «Агроэкологические проблемы использования органических удобрений на основе отходов промышленного животноводства». 4-6 июля 2006. - Владимир. - 2006. - С. 77-79.

19. Arkhipchenko I.A., Orlova O.V., Gooshchina E.D., Shibaeva M.E. Agronomical and microbiological peculiarities of soil mixture produced from municipal waste. // Bibliotheca fragmenta agronómica. - Warszawa. - 2006. - vol. 11. - Part II. - P.617-618.

20. Otabbong E., Arkhipchenko I., Orlova O., Barbolina I., Shibaeva M. Impact of piggery slurry lagoon on the environment: A study of groundwater and river Igolinka at the Vostochnii Pig Farm, St. Petersburg, Russia // Acta Agriculturae Scandinavica. Section В - Plant Soil Science. - V 57 (1). - 2007. - P.74-81.

21. Орлова O.B., Гущина Е.Д., Арсентьев B.A., Колесник Д.О., Архипченко И.А. Получение почвогрунтов на основе компостов из ТБО // Экология и промышленность России.-2007,-№6.-С. 14-16.

22. Орлова О.В., Петухова Н.А., Архипченко И.А. Биоорганические добавки для ускорения дозревания компоста из ТБО // Экология и промышленность России, 2008. -№5.-С.38-40.

23. Архипченко И.А., Орлова О.В. Микробные удобрения из органических отходов для рекультивации почв и производства почвогрунтов.// Материалы Межрегиональной научно-практической конференции «Почвенные ресурсы Северо-Запада России: их состояние, охрана и рациональное использование», — С.-Петербург. -2008.-С. 7-13.

24. Архипченко И.А., Орлова О.В., Зольникова Н.В., Колесник Д.О. Рекомендации по получению активированного компоста из ТБО и использованию его в качестве изолирующего слоя для перекладки свалочных масс на полигонах с целью поглощения тяжелых металлов и детоксикации свалочного инфильтрата / под.ред. И.А.Архипченко. -СПб.-2008.-27 с.

25. Орлова О.В.. Петухова Н.А., Архипченко И.А. Ускорение дозревания компоста из ТБО путем введения активирующих добавок//Рекомендации по производству и применению торфяных почвогрунтов на основе компостов из твердых бытовых отходов» / под.ред. И.А.Архипченко. - СПб. - 2008. - С. 5-9.

26. Орлова О.В., Архипченко И.А. Гуминовые вещества компостов из ТБО как перспективный стимулятор роста растений // Доклады Россельхозакадемии. - 2009. -№3. - С. 35-38.

27. Orlova О.V., Arkhipchenko I.A. Humic Substances of Composts from Municipal Solid Wastes as a Promising Plant Growth Stimulator // Russian Agricultural Sciences. - 2009. - V. 35.- №3. - P. 175-178.

28. И.А.Архипченко, О.В.Орлова, Н.В.Зольникова, Шибаева М.Е, Миллер A.B. Методические указания по применению гранулированной формы биоудобрения «Омуг» на посевах овощных культур в условиях Северо-Запада Российской Федерации /под. ред. И.А.Архипченко. - СПб. - 2009. - 21 с.

29. Орлова О.В., Афанасьев В.Н., Архипченко И.А. Технология производства эффективных биоудобрений из птичьего помета с помощью микробных инокулюмов // Экология и промышленность России. - 2009. - №6. - С.2-5.

30. Орлова О.В. Рекомендации по применению биоудобрений из птичьего помета в открытом грунте //Рекомендации по применению биоудобрений из птичьего помёта в открытом грунте /под.ред. И.А.Архипченко. - СПб. - 2009. - С. 27-29.

31. Орлова О.В. Эффективность биоудобрений, полученных на основе подстилочного помета, при выращивании различных сельскохозяйственных культур //Рекомендации по применению биоудобрений из птичьего помёта в открытом грунте /под. ред. И.А.Архипченко. - СПб. - 2009. - С. 29-35.

32. Орлова O.A. Влияние способа внесения биоудобрения Омуг в торф на режим питания растений и состав микробного ценоза.// В сб. докладов Международной научно-практической конференции «Инновационные технологии использования торфа в сельском хозяйстве». - М. Россельхозакадемия. - ГНУ ВНИИОУ. - 2010. - С. 256-265.

33. Архипченко И.А., Орлова О.В. Перспективы использования микробной экотехнологии для переработки отходов птицеферм. //Доклады Россельхозакадемии. -№6.-2011.-С.12-15.

34. Орлова О.В. Повышение плодородия почв при активизации почвенной микрофлоры, регулируемой биоудобрениями. //Сельскохозяйственная биология, сер. биология растений. - 2011. - № 2. - С. 94-97.

35. Архипченко И.А., Орлова О.В. Особенности микробных удобрений из отходов животноводства. //В сб. тр. Международной н.-п. конференции «Инновационные биотехнологии в странах Евро Аз ЭС», Минск, ПАН Белоруси. - 2011. - С. 27-31.

36. Орлова О.В., Архипченко И.А. Роль повышения биологической активности почв при внесении биоудобрений для урожая растений и воспроизводства гумуса // Сб.тр. координ. совещания «Высокоэффективные системы использования органических удобрений и возобновляемых биологических ресурсов». - Владимир. - 2012. - С.34-38.

37. Рекомендации по применению биоудобрения //И.А.Архипченко, О.В.Орлова, АЛО.Брюханов и др. / под.ред.И.А. Архипченко. СПб. - 2013. -36 с.

Подписано в печать 25.09.2013. Формат 60x84/16. Печать ризография. Усл. печ. л. 2,0. Тираж 150. Заказ 1658.

Отпечатано с готового оригинал-макета, подготовленного автором, в ООО «Визитки и Печати». 190031, Санкт-Петербург, ул. Ефимова, д.ЗА, лит.Д. Тел./факс (812) 441-31-21

Текст научной работыДиссертация по сельскому хозяйству, доктора биологических наук, Орлова, Ольга Владимировна, Санкт-Петербург

ГОСУДАРСТВЕННОЕ НАУЧНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ МИКРОБИОЛОГИИ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ НАУК

На правах рукописи

05201450345

Орлова Ольга Владимировна

АКТИВНОЕ ОРГАНИЧЕСКОЕ ВЕЩЕСТВО КАК РЕГУЛЯТОР ПРОЦЕССОВ ТРАНСФОРМАЦИИ АЗОТА И УГЛЕРОДА В ДЕРНОВО-ПОДЗОЛИСТЫХ ПОЧВАХ

Специальность 06.01.03 - агрофизика ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени доктора биологических наук

Научный консультант -Доктор биологических наук Архипченко Ирина Александровна

С ан кт-Петербу р г 2013 г.

Содержание

Введение 6 Глава 1. Агрономическая и экологическая роль активного

органического вещества в почве (обзор литературы) 15 1.1 .Некоторые термины номенклатуры почвенного

органического существа 15

1.2.Регуляторные системы, обеспечивающие гомеостазис почв 17

1.3. Роль активного органического вещества в почве 21

1.4. . Биоудобрения из отходов животноводства 30 Глава 2. Объекты и методы исследования 37

2.1. Объекты исследования 37

2.2. Схемы экспериментов 42

2.2.1.Лабораторные эксперименты 42

2.2.2.Вегетационные опыты 48

2.2.3.Полевые опыты 52

2.3. Методы анализа 68 Глава 3. Особенности оценки доступности органического

вещества почвы микробиологическими методами 79

3.1. Преимущества разделения доступной фракции органического вещества, определяемой инкубационным

методом, на два пула 79

3.2. Определение доступности для микроорганизмов

лабильного гумуса (нейтральная пирофосфатная вытяжка)' 87 Глава 4. Биомасса почвенных микроорганизмов как

активная часть почвенного органического вещества ' 95

4.1. Классификация факторов, определяющих количество микробной биомассы (регидратационным методом)

в дерново-подзолистых почвах биомассы в почве ' 95

4.2. Оценка биомассы почвенных микроорганизмов как

индикатора почвенного плодородия 111

4.3. Определение размеров и активности микробной биомассы в ризосфере 118

Глава 5. Роль микробной биомассы в трансформации азотных минеральных удобрений 123

5.1.Влияние влажности и наличия внесенного доступного органического углерода на микробиологическую

трансформацию азота в почве 123

5.2.Влияние нативного и внесенного доступного органического вещества почвы на трансформацию азотных удобрений

в присутствии растений 131

Глава 6. Механизм регуляции микробиологических

трансформационных процессов при внесении удобрений " 141

6.1.Изучение влияния биоудобрений на эффективность и интенсивность исследуемого процесса, а также состав и функционирование микробного сообщества " 141

6.2.Особенности механизма действия биоудобрений 156

Глава 7. Регулирование микробиологических процессов трансформации гумуса в дерново-подзолистых почвах как функция ее биологической активности 168

7.1. Анализ взаимосвязи интенсивности трансформационных процессов в почве и баланса гумуса в ней 168

7.2. Разработка приемов регуляции микробиологических процессов трансформации почвенного органического вещества

с помощью биоудобрений из отходов животноводства ' 183

7.3. Комплексный анализ почвенно-микробиологических экосистем на основе построения графов максимальных корреляционных связей 191

Глава 8. Рекомендации по применению биоудобрений 206

8.1. Влияния биоудобрения омуг на урожай и качество

сельскохозяйственных культур и почвенное плодородие ' 206

8.2. Применение биоудобрений из отходов птицеводства для очистки нефтезагрязненных почв, рекомендации

для зон с низкими темпами разложения 223

8.3. Использование биоудобрений в качестве активаторов компостирования твердых бытовых отходов мегаполиса 236

8.3.1. Активация компостирования сортированных ТБО ' 237

8.3.2. Введение биоудобрений для улучшения качества

компоста из несортированных ТБО 246

8.3.3. Получение почвогрунтов на основе улучшенных

компостов из несортированных ТБО 259

8.3.4. Использование улучшенных компостов из ТБО

для получения гумусовых веществ 265

Выводы 275

Список литературы 279

Приложения 315

Обозначения и сокращения

а.с.в. - абсолютно сухое вещество ГВ - гумусовые вещества ГК - гуми новые кислоты

Завод МПБО - завод по механизированной переработке бытовых отходов

КОД - коэффициент относительной доступности

КОЕ - колониеобразующая единица

МПА - мясо-пептонный агар

Н.о. - не определяли

ОВ - органическое вещество

ПДК - предельно допустимая концентрация

ПОВ - почвенное органическое вещество

1111В - полная полевая влагоёмкость

ТБО - твердые бытовые отходы

ТМ - тяжелые металлы

т/п - торфопредприятие

ТУ - технические условия

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Почва является основой существования человечества, не только в плане получения продовольствия, но и функционирования биосферы (Добровольский, 2007; Мотузова, Безуглова, 2007; Иванов, Завалин, 2011). При выполнении почвой своих функций ключевыми являются микробиологические процессы трансформации углерода и азота, которые в значительной степени зависят от содержания гумуса и количества доступного (активного) органического вещества (OB). Наибольшая роль в доступном OB принадлежит активному, наиболее быстро оборачиваемому OB (Nicolardot et.al., 1994; Семенов и др., 2004), состоящему из легкоминерализуемого OB и микробной биомассы. Оценка количества активного OB и его влияния на трансформационные процессы дерново-подзолистых почв изучены недостаточно. Несмотря на существенную роль микрофлоры для плодородия почв (Берестецкий, Торжевский, 1976; Карягина, 1983; Кулаковская и др., 1984; Лыков и др., 1984; Nannipieri et. al., 2003), до сих пор нет общепризнанных микробиологических индикаторов оценки и прогнозирования состояния почвы. Так, до сих пор нет общепризнанных методов оценки и единодушного мнения о влиянии природных и антропогенных факторов на величину и активность микробной биомассы. (Паников и др., 1991; Alef et al., 1988; Anderson, Domsch, 1978; Grant, West, 1986; Werf, Verstraete, 1987). Недостаточно изучено и влияние интенсивности оборачиваемости микробной биомассы для процессов гумусообразования, а также закрепления в дерново-подзолистой почве азота удобрений. Почти не проводилось исследований по определению прямой доступности для микроорганизмов подвижного почвенного органического вещества (ПОВ).

За последние 20 лет применение органических удобрений в России сократилось в 8 раз. В последние годы оно стабилизировалось на уровне 5060 млн. т или 0,9-1,0 т на 1 га посева. Соответственно, поступление

питательных веществ на 1 га посева сельскохозяйственных культур сократилось до 11,1 кг, а долевое участие питательных веществ удобрений в формировании урожая - до 6% (Ресурсы органических удобрений..., 2006). В целом уровень применения органических удобрений в сельском хозяйстве Российской Федерации является крайне низким и недостаточен для обеспечения воспроизводства плодородия пахотных почв, что приводит к снижению плодородия почв и деградации гумуса (Мотузова, Безуглова, 2007; Шевцова, 2009; Иванов, Завалин, 2011). Одновременно происходит концентрация отходов животноводства, в частности куриного помета, которые представляют серьезную экологическую опасность. Следовательно, имеются значительные ресурсы навоза и помета, с которыми можно внести на поля 27,4 млн. тонн органического вещества и 1,7 млн. тонн КРК. Поэтому будущее за новыми, произведенными с помощью биотехнологии, органическими удобрениями с заданными свойствами и способными управлять почвенными процессами трансформации гумуса -биоудобрениями (Архипченко, 1999; Научные основы...рекомендации, 2005).

Дерново-подзолистые почвы характеризуются невысоким уровнем

естественного плодородия из-за кислой реакции, промывного режима,

относительной обедненности питательными элементами и органическим

веществом, что определяет и невысокий уровень их биологической

активности и меньшую устойчивость к антропогенным нагрузкам

(Аристовская, 1965; Мишустин, 1972; Шевцова и др., 1987). Для обеспечения

экологической устойчивости дерново-подзолистых почв, их стабильной

продуктивности необходимы исследования, посвященные управлению

процессами микробиологической трансформации органического вещества.

Биоудобрения, вносимые в меньших по сравнению с навозом дозах, могут

рассматриваться как катализатор микробиологических трансформационных

процессов почвы, направленно воздействующий на эффективность

гумусообразования. С теоретической и практической точек зрения было

очень важно исследовать механизм действия биоудобрений, выявить их влияние на урожай с.-х. культур, качество продукции, гумусообразование и плодородие почв, разработать рекомендации по нормам и способам внесения. Актуальным является и разработка приемов использования биоудобрений в качестве ускорителей разложения нефти, опилок, твердых бытовых отходов (ТБО). В связи с этим были определены основные направления исследований, которые соответствуют требованиям агропромышленного комплекса и охраны окружающей среды.

Задачи исследований:

1. Изучить преимущества использования 2-х фракций доступного ИОВ вместо одной. Определить доступность лабильного гумуса, образующегося в почвах при внесении разных удобрений, в качестве источника питания микроорганизмов.

7. Определить основные особенности биоудобрений, позволяющие регулировать баланс гумуса в почве.

В модельных экспериментах с меченными 15М удобрениями выявлена большая значимость для иммобилизации азота в почве активности микробоценоза, по сравнению с количеством С и N микробной биомассы.

Установлен механизм действия биоудобрений Бамил и Омуг на

дерново-подзолистую почву, включая особенности действия

гранулированной формы. Теоретически обоснована и практически показана

возможность регулировать с помощью биоудобрений структуру и функционирование микробного сообщества почв, содержание в почве гумуса.

Разработанные приемы активации ферментации и дозревания ТБО,

рецептуры и способы производства на их основе почвогрунтов могут быть

использованы для переработки ТБО в коммерчески востребованные продукты. Это позволит решить важнейшую экологическую проблему больших городов - переработку мусора.

Основные положения, выносимые на защиту:

3) Количество С- микробной биомассы (регидратационным методом) в дерново-подзолистых почвах является характерной для данной почвы величиной, зависящей главным образом от содержания в почве доступного органического вещества и физической глины, а поэтому - стабильной величиной. Обогащенность азотом микробной биомассы и потоки С и N через нее являются более информативными показателем, так как эти характеристики тесно связаны с активностью микроорганизмов.

6) Механизм регуляции трансформационных процессов в почвах с помощью биоудобрений Бамил и Омуг.

Апробация работы и публикации. Результаты исследований и основные положения диссертации были доложены и обсуждены на Международных научно-практических , конференциях: «Microbial ecotechnology in processing of organic and agricultural wastes" (СПб, 2000), «Recycling of Agricultural, Municipal and Industrial Residues in Agriculture (Italy, 2000; Spain 2004), 12th World fertilizer Congress (China, 2001), «Practical Solutions for Managing Optimum С and N Content in Agricultural Soils» (Prague, 2003), «Агроэкологические функции органического вещества почв и использование органических удобрений и биоресурсов в ландшафтном земледелии» (Владимир, 2004), «Основные итоги и приоритеты научного обеспечения ПАК Евро-Северо-Востока», (Киров, 2005), «Chicken Manure Treatment and Application in Europe and Asia», (Hamburg, 2005), «Агроэкологические проблемы использования органических удобрений на основе отходов промышленного животноводства» (Владимир, 2006), «Рециклинг. Переработка отходов и чистые технологии», (Москва, 2006), «Applied and Fundamental Aspects of Responses, Signaling and Development Process in the Root-Microbe Systems» (СПб, 2007), «Инновационные технологии использования торфа в сельском хозяйстве» (Владимир, 2010), «Инновационные биотехнологии в странах Евро Аз ЭС» (Минск, 2011; СПб, 2012); на II, III и V съездах ДО почвоведов (СПб, 1996; Суздаль, 2000; Ростов-на-Дону, 2008 г); на Всероссийских конференциях «Микробиология почв и земледелие» (СПб, 1998), «Экологические проблемы большого города» (СПб, 2001), «Рациональное природопользо

Информация о работе

Орлова, Ольга Владимировна
доктора биологических наук
Санкт-Петербург, 2013
ВАК 06.01.03

Диссертация

Активное органическое вещество как регулятор процессов трансформации азота и углерода в дерново-подзолистых почвах - тема диссертации по сельскому хозяйству, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы