Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Роль микробиологических процессов в трансформации органического вещества в дерново-подзолистых почвах

ВАК РФ 03.00.27, Почвоведение

Текст научной работыДиссертация по биологии, доктора сельскохозяйственных наук, Матаруева, Ирина Анатольевна, Кострома



: СIIII

. ., А ! "

наук

К России

£

*ь

Ч

\

,, а

|

N

о;

V

§ <5

/ о»

ч:

I

5

й

\

6

О

ж й

Г; О У О О

V * * V

'а >

И*

- а

N

■' я

Министерство сельского хозяйства и продовольствия

Российской Федерации Костромская государственная сельскохозяйственная

академия

Роль микробиологических процессов в трансформации органического вещества в дерново-подзолистых почвах

(Методологические подходы к количественной оценке) Специальность: 03.00.27 • почвоведение

Диссертация на соискание ученой степени доктора сельскохозяйственных наук

На правах рукописи

Матаруева Ирина Анатольевна

Кострома 1999 г.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.............................................................................................................5

1. МИКРООРГАНИЗМЫ И ИХ РОЛЬ В ПОЧВООБРАЗОВАТЕЛЬНОМ ПРОЦЕССЕ (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ)...........................................................8

1.1. Почва как экологическая система......................................................8

1.2. Современные представления о гумусообразовании.......................15

1.3. Микробиологическая активность почвы..........................................17

1.4. Микроорганизмы почвы и сельскохозяйственное производство..............................................................................................27

1.5. Скорость трансформации органического вещества в почве..........30

1.6. Принципы и проблемы экологического земледелия.......................34

1.7. Мониторинг и моделирование............................................................37

1.8. Заключение..........................................................................................40

2. УСЛОВИЯ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ .........................................42

2.1. Характеристика климатических условий района исследований ....42

2.2. Характеристика почв Костромской области....................................43

2.3. Методика работы.................................................................................47

2.3.1. Методика полевых и модельных опытов............................................47

2.3.2. Методика микробиологических исследований....................................53

2.3.3. Методы математического анализа...................................................54

3. ЧИСЛЕННОСТЬ МИКРООРГАНИЗМОВ В ДЕРНОВО-ПОДЗОЛИСТЫХ ПОЧВАХ КОСТРОМСКОЙ ОБЛАСТИ........................................................55

3.1. Общие сведения о биогенности дерново-подзолистых почв области........................:..............................................................................55

3.2. Динамика численности микроорганизмов в дерново-подзолистых почвах.........................................................................................................60

3.3. Определение количественных показателей зависимости микробиологической активности от климатических и продукционных

характеристик.............................................................................................67

3.3.1. Зависимость от климатических факторов и продукционных

характеристик...............................................................................................67

3.4. Зависимость от агрохимической характеристики почвы...............76

4. ЗАВИСИМОСТЬ АКТИВНОСТИ МИКРОБИОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ПОЧВЕ ОТ МИНЕРАЛЬНЫХ УДОБРЕНИЙ..................81

4.1. Влияние минеральных удобрений на численность микроорганизмов в почвах под многолетними травами........................81

4.2. Интенсивность разложения целлюлозы в почве под многолетними травами .......................................................................................................92

4.3. Количественная оценка степени влияния минеральных удобрений на почвенные микроорганизмы................................................................98

4.4. Изменение интенсивности микробиологических процессов в почве под действием минеральных удобрений вносимых под лен -долгунец....................................................................................................103

5. РОЛЬ МИКРОБИОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ТРАНСФОРМАЦИИ ОРГАНИЧЕСКИХ УДОБРЕНИЙ.................................................................122

5.1. Показатели микробиологической активности компостируемой органической массы................................................................................122

5.2. Активность микробиологических процессов почвы при трансформации органических удобрений............................................1 35

6. РАЗРАБОТКА МЕТОДА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОПТИМАЛЬНЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ИНТЕНСИВНОСТИ МИКРОБИОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ТРАНСФОРМАЦИИ ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА В ПОЧВЕ..........................................................................................................147

6.1. Теоретические предпосылки к разработке метода........................147

6.2. метод расчета оптимальных показателей микробиологической

активности почвы....................................................................................151

6.3. Применение метода для прогнозирования численности микроорганизмов.....................................................................................157

6.4. Применение микробиологических показателей для оценки углеродного баланса в почвах под многолетними травами.................160

6.4.1. Приход органического вещества в почву...............................161

6.4.2. Баланс углерода в почве...........................................................166

6.5. Применение метода для оценки баланса углерода при трансформации органических удобрений..............................................173

6.6. Оценка равновесия почвенных экосистем по численности микроорганизмов.....................................................................................175

6.7. Проверка работы метода по фактическим показателям трансформации органического вещества.............................................177

7. ЭКОЛОГО -ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ............................................................................................184

8. ЗАКЛЮЧЕНИЕ.........................................................................................192

9. ВЫВОДЫ.................................................................................................195

10. ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВУ....................................................198

11. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ..............................................................................................199

ПРИЛОЖЕНИЯ............................................................................................226

ВВЕДЕНИЕ

Вопросы изучение закономерностей почвообразовательного процесса, поддержания и повышения почвенного плодородия, регулирования гомеостаза почвенных экосистем, выяснение роли микроорганизмов в жизни почвы до настоящего времени остаются актуальными. Усиливающаяся антропогенная нагрузка на почвы часто дает негативные результаты.. Поэтому база знаний о биологии почвы, заложенная классиками почвоведения - В.В. Докучаевым, С.П. Костычевым, Н. А. Красильниковым, Е. Н. Мишустиным и многими другими учеными, должна постоянно пополняться.

Теперь уже ни у кого не вызывает сомнений, что деятельность микроорганизмов является важнейшим звеном почвообразовательного процесса. Но она так многогранна, сложна, экологически подвижна, что исследователи всего мира постоянно обращаются к изучению этой своеобразной формы жизни, стараясь уточнить новые детали ее проявления. Особенно важным становится анализ жизнедеятельности почвенных микроорганизмов при введении, новых технологических приемов земледелия. В этих случаях необходимыми считаются данные по изменению микробиологической активности почвы, по оценке состояния процессов нитрификации и азотфиксации, по интенсивности минерализа-ционных процессов.. Однако, оперируя микробиологическими данными, исследователи часто находятся в затруднении относительно их трактовки, т.к. проблематичным остается вопрос об оптимальных параметрах активности микробиологических процессов. В связи с этим в данной работе была предпринята попытка найти подходы к установлению микробиологических характеристик, отражающих оптимальный режим трансформации органического вещества в дерново-подзолистых почв нашей климатической зоны, и установить количественное выражение степени влияния на этот процесс природных и антропогенных факторов. Эти характеристики в свою очередь могут быть использованы для прогнозирования динамики процесса - гумусообразования в дерново-

подзолистых почвах центральной части Нечерноземной зоны и оценки соответствия хозяйственных мероприятий тем естественным закономерностям, которые обусловливают равновесное и устойчивое состояние почвенных экосистем.

Цели и задачи работы. Целью работы было найти методологические подходы, разработать и обосновать способ количественной оценки роли микробиологических процессов в трансформации органического вещества в пахотных дерново-подзолистых почвах Центрального Нечерноземья. Определить оптимальные уровни микробиологической активности, обусловливающие равновесное состояние почвы, и те критические значения, которые могут стать причиной снижения ее плодородия.

Задачи работы подразделялись на два блока соответственно этапам работы. Первый - предусматривал накопления информации с целью создания базы экспериментальных данных, сопоставимых с результатами микробиологических обследований почв других зон, и полученных на основе единых, наиболее распространенных и общепринятых методов исследования. Он включал следующие конкретные задачи:

1. Сбор данных по микробиологической характеристике дерново-подзолистых почв Костромской области и изучение динамики численности агрономически важных групп почвенного микронаселения под многолетними и однолетними сельскохозяйственными культурами.

2. Определение количественных показателей зависимости численности почвенного микронаселения от изменения основных климатических характеристик данной зоны - прихода ФАР, количества осадков, температурного режима вегетационного периода и уровня продуктивности травянистых биоценозов.

3. Установление функциональной зависимости интенсивности микробиологических процессов от агрохимических показателей почвы и внесения минеральных и органических удобрений.

Второй этап работы носил характер обобщения. В задачи этого периода входило:

1. Разработка метода оценки оптимальных показателей активности микробиологических процессов трансформации органических веществ в почве и параметров их количественного выражения.

2. Разработка программы расчета оптимальных микробиологических показателей с учетом основных действующих факторов для реализации ее на вычислительных машинах типа ЮМ.

3. Анализ возможности практического применения метода для оценки баланса органического вещества в почвах под долголетними злаково-бобовыми травостоями при обычных и интенсивных способах их культивирования

4. Анализ данных по применению микробиологических показателей для определения скорости минерализационных процессов при использовании органических и, в том числе, лигнинных удобрений.

5. Энергетическая оценка практического применения микробиологического прогноза, направленного на сохранение равновесного состояния дерново-подзолистых почв.

Основанием для решения этих задач были материалы, собранные автором в ходе экспериментальной работы по изучению почвенной микрофлоры на полях опытного поля КГСХА и хозяйств Костромской области в период 1978 -1996 гг.

1. МИКРООРГАНИЗМЫ И ИХ РОЛЬ в ПОЧВООБРАЗОВАТЕЛЬНОМ ПРОЦЕССЕ (обзор литературы)

1.1. Почва как экологическая система

Основным средством производства в сельскохозяйственных предприятиях любого типа организации являются почвы. Вместе с тем, почва - одна из составляющих ресурсов нашей планеты, обладающих свойством саморегуляции и самовоспроизводства. Как отмечает Г.В. Добровольский [43], почвенный покров Земли - уникальное образование, выполняющее ряд планетарных функций, изучение которых представляет собой фундаментальную проблему.

За сто лет пристального внимания к закономерностям почвообразовательных процессов, их планетарных и хозяйственных функций сложилось такое понятие, как "генетическое почвоведение", в основе которого лежат два основополагающих принципа, выдвинутых В.В. Докучаевым [46]:

1. Почва есть самостоятельное естественно- историческое природное тело, объективно отличное от других природных тел строением, свойствами, законами образования (генезисом) и функционирования.

2. Почва, как природное тело, является функцией взаимодействия факторов почвообразователей во времени. Она есть результат длительного воздействия климата и живого вещества на поверхность горной породы.

Эти положения явились основной базой для дальнейшего развития учения о почвах. Как указывает А. Н. Геннадиев [35], В.В. Докучаевым сформулирована двухступенчатая схема почвообразования: факторы почвообразования -свойства почвы. Через 50 лет И.П. Герасимов-расширил схему до трехступенча-

той конструкции: факторы почвообразования - процессы почвообразования -свойства почвы [3]. В семидесятых годах И.А. Соколов и В.О. Таргульян детализировали эту схему, разбив процессы почвообразования натри группы:

1. Факторы и процессы сегодняшнего дня. Они образуют почву-момент.

2. Факторы и процессы последнего периода саморазвития, которые охватывают большие временные отрезки, но к моменту наблюдения пришедшие в квазиравновесное состояние.

3. Факторы и процессы былых периодов, которые через формирование свойств могут отражаться в почве в виде реликтовых признаков.

Две последние группы объединяются в "почву-память". А.Н. Геннадиев предлагает и свою схему почвообразования, по которой энергия, процессы и материальная основа образуют "почву как часть системы, почву как вещество и почву как аппарат". Все эти три сущности почвы находят свое место в пространстве и существуют в однонаправленном потоке времени [35].

Говоря о становлении учения о почвах, следует особо подчеркнуть важность трактовки динамического характера почвенных процессов. В сложнейшем многообразии и разнообразии макро и микро превращений A.A. Роде [177] выделил три универсальных явления:

1. -процесс обмена веществом и энергией между почвой и другими природными телами (процессы поступлений в почву и выноса из нее);

2. -процессы - превращения, происходящие в самой почве;

3. -процессы передвижения в почве вещества и энергии.

Эти три группы процессов характеризуют почву и как часть планетарных экосистем и как самостоятельные экологические системы, которые в зрелом состоянии находятся в устойчивом, равновесном состоянии.

Неотъемлемой частью таких систем, условием их существования и функционирования являются почвенные микроорганизмы. Сообщество микроорганизмов, по утверждению Р. Тейта [187], оказывает наибольшее влияние на органическое

вещество почвы. В отсутствии популяции микроорганизмов значение органического вещества снижается и сводится лишь к некоторому улучшению физических свойств данной почвы. Положительное воздействие органического вещества на почвенную экосистему обусловлено, прежде всего, активным метаболи-зированием его микроорганизмами [187].

Микроорганизмы составляют часть разнообразной почвенной биоты, которая включает в себя микро-, мезо- и макрофауну, и живые корни растений. Как ни разнообразен групповой и видовой состав почвенных организмов, на долю микрофлоры (бактерии, актиномицеты, микроскопические грибы и водоросли) приходится самая большая часть живой биомассы и самая высокая активность метаболизма. Как утверждают многие исследователи [105, 255, 237,284], на долю микроорганизмов приходится 80-85% диоксида углерода, выделяемого почвенной биотой; около 15% выделяет микрофауна и не более 5% - макрофауна.

Функции микроорганизмов, как в ходе формирования почвенного слоя, так и в процессе его функционирования, и в естественных условиях, и в агроце-нозах чрезвычайно разнообразны. Они затрагивают и самые начальные этапы почвообразования, выступая первыми агентами, влияющими, на минеральную основу материнской породы, и являются активными участниками всех элементарных процессов зрелых почв, обеспечивая все возможные типы круговоротов вещества и энергии. Интереснейшие закономерности этих явлений изучались и описывались С.Н. Виноградским [31], Г.А. Заварзиным [56], Дж. Куком [102], Р. Тейтом.[187], А.Ю. Кудеровой [98] и другими.

Микроорганизмы почвы осуществляют одну из важнейших планетарных функций, обеспечивающую введение в наземные экосистемы свободного азота атмосферы через биологическую азотфиксацию. Этот процесс по своей значимости для жизни на Земле равнозначен такому уникальному явлению как фотосинтез. Изучению механизмов, масштабов, хозяйственной роли биологической азотфиксации посвящено большое количество работ. В потоке разнообразных

исследований, посвященных почвенным микроорганизмам, важное место принадлежит работам представителей научной школы E.H. Мишустина. Значительный вклад в проблему внесли сам E.H. Мишустин [126, 127,128,129], В.К. Шильникова [130,131,215], В.Т. Емцев [50,51], Ю.М Возняковская [32,33], Ю.В. Круглов[97], Г.С. Посыпанов [168, 169], Е.П.Трепачев [194,195], М.М. Умаров [199,200], О.Ф. Садыков [178] и другие [52,139,171, 259,268,288].

Одной из важнейших микробиологических проблем почвообразования является выяснение роли микроорганизмов в формировании такой интегрированной функции почвы, как почвенное плодородие, и, в частности, в процессе накопления и разрушения гумуса почвы. Представления о биогенном характере гумусообразования даны М.М. Кононовой [89, 90]. Основная суть ее гипотезы в том, что растительные остатки, попадающие в почву, разлагаются мезофауной и микроорганизмами до мономеров, затем происходит химическая поликонденсация продуктов распада с образованием гумусных веществ. Сходные представления были изложены в 1971 году Ф. Флайгом [240].

Эксперим