Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Влияние качественного состояния органического вещества легких дерново-подзолистых почв на его микробиологическую трансформацию при применении азотных удобрений

ВАК РФ 03.00.07, Микробиология

Автореферат диссертации по теме "Влияние качественного состояния органического вещества легких дерново-подзолистых почв на его микробиологическую трансформацию при применении азотных удобрений"

всероссийский научно-исследовательский институт сельскохозяйственной микробиологии расхн

На правах рукописи

ргв од

ОРЛОВА

2 9 АПР 1!й8 Ольга Владимировна

УДК:631.427.22:631.427.4:631.84

ВЛИЯЛ® КАЧЕСТВЕННОГО СОСТОЯНИЯ ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА ЛЕГКИХ ДЕРНОВО-ПОДЗОЛИСТЫХ ПОЧВ НА ЕГО МИКРОБИОЛОГИЧЕСКУЮ ТРАНСФОРМАЦИЮ ПРИ ПРИМЕНЕНИИ АЗОТНЫХ УДОБРЕНИИ

Специальности: 03.00.07 - Микробиология 06.01.03 - Почвоведение

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Санкт-Петербург 19ЭВ

Диссертационная работа выполнена в лаборатории трансформацш углерода и азота почвенными микроорганизмами Всероссийское

микробиологии РАСХН.

Научный руководитель - кандидат биологических наук Н.А.Туев

Официальные ошоненты - доктор биологических нау] В.Т.Емцев, кандидат биологических наук Т.А.Плотникова

Ведущее учреждение - Петербургский государственны) университет.

Защита состоится "М " .МАЛ_1996 г. в /03£> час.

на заседании Специализированного совета К 020.26.01 и присуждению ученой степени кандидата биологических наук В1 Всероссийском научно-исследовательском институт'

сельскохозяйственной микробиологии по адресу: 189620 Санкт-Петербург - Пушкин-6, шоссе Подбельского, 3.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан »/У» ¿2 _1996г.

научно-исследовательского института

сельскохозяйственно!

Ученый секретарь Специализированного совета, кандидат биологических наук

А.Н.Зарецкая

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность проблемы. Трансформация органического вещества в почве является ключевым звеном, определяющим функционирование почвы как саморегулирующейся системы и ее продуктивность, т.е. почвенное плодородие. Главным агентом, ведущим трансформационные процессы, является почвенная микробиота, которая одновременно представляет собой и один из наиболее подвижных пулов почвенного органического вещества (ПОВ).

Ведение интенсивного земледелия невозможно без применения азотных удобрений, влияние которых на органическое вещество и микробиоту почвы неоднозначно. Поэтому для управления почвенным плодородием в сельскохозяйственных экосистемах необходимо изучать процессы трансформации ПОВ при внесении азотных удобрений.

Трансформационные процессы зависят от качественного состояния органического вещества, в смысле доступности его для микроорганизмов, а также от запасов и динамики поведения агента, ведущего эти процессы, - почвенных микроорганизмов. Следовательно, значительный интерес представляет совмещение всех этих направлений в одной работе: как качественное состояние органического вещества, в пределах одного типа почв, влияет на процессы его трансформации при внесении азотных удобрений, с упором на изучение поведения микробной биомассы.

Цель и задачи исследования. Цель работы заключалась в выявлении значения качества органического вещества для процессов его трансформации при внесении азотных удобрений. Для этого необходимо было решить следующие задачи: I^характеризовать качество органического вещества исследуемых почв, особое внимание уделяя размерам и динамике микробной биомассы; 2установить связи между размерами микробного пула, потоками С и N через него и показателями качества ПОВ, полученными традиционными химическими методами; 3)выявить воздействие азотных удобрений на процессы трансформации органического вещества; 4)изучить влияние качественного состояния ПОВ на трансформацию азота.

Научная новизна. В диссертации осуществлен комплексный подход к мониторингу ПОВ, для чего одновременно использовались микробиологические показатели (запасы микробной биомассы и потоки С и N через нее) и показатели, характеризующие подвижность ПОВ, определяемые химическим фракционированием. Показано, что для легких

дерново-подзолистых почв содержание органического углерода в 0.5 м KgS04 вытяжке отражает обеспеченность микрофлоры энергетическим субстратом. Установлено, что интенсивность трансформационных процессов ПОВ больше характеризуют размеры потоков биогенных элементов через микробную биомассу, а не их запасы в ней. Показано, что величина иммобилизации N- удобрения в органической форме зависит от скорости биологического обмена азота в почве (от частоты смены циклов иммобилизацииБ реминерализации).

Практическая значимость. Полученные результаты исследований могут быть использованы для построения имитационных моделей трансформации органического вещества почвы.

Разработанная модификация метода определения N-биомассы позволяет оценить ее размеры в присутствии высокой концентрации минерального азота в почве.

Установлено, что среди химических методов выделения доступного углерода наибольшая связь с микробной биомассой наблюдалась для С0рГ в KgSO^.

Апробация работы. Основные положения работы были доложены на: Intern. Conference "Structure and Function ol Soli Organlsms-Communlties with the Influence of Anthropogenous Factors" (Ceske Budejovlce, 1990); Всесоюзном совещании "Проблема азота в интенсивном земледелии" (Новосибирск, 1990); Всесоюзном совещании "Перспектива создания экологичски чистых технологий возделывания сельскохозяйственных культур (Ленинград, 1990); Всероссийской конференции "Вопросы агрофизики при воспроизводстве плодородия почв" (Санкт-Петербург, 1994).

Публикации.По материалам диссертации опубликовано 5 работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, описания объектов и методов исследования, экспериментальной части, выводов и приложения. Работа изложена на 202 страницах машинописного текста, содержит 26 таблиц и 18 рисунков в основной части. Список используемой литературы включает 228 наименований, в том числе 98 зарубежных.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Исследования проводили в I989-1991 годах в лаборатории трансформации азота и углерода почвенными микроорганизмами ВНИИ с.х. микробиологии. Основным объектом является почвенное органическое вещество, с акцентом на его наиболее лабильную часть - биомассу

почвенных микроорганизмов.

Лабораторный опыт по компостированию проводили на трех легко-суглинистых дерново-слабоподзолистых почвах (индексы "Б", "В" и "Г"), отличающихся по степени окультуренности (НПО "Белогорка" Ленинградской области). Агрохимическая характеристика почв дана в табл.1. Почвы "Б" и "В" взяты с полевого севооборота, почва "Г" -с овощного севооборота. Повышенное содержание органического вещества в последней обусловлено систематическим внесением высоких доз ТМАУ. Почвы "В" и "Г" произвесткованы. Схема опыта: I -PK; 2

тс:

- N4qPK; 3 - NI00PK. Азот в виде rdNH4)2S0, вносили соответственно дозе с обогащением 45.75 и 47.45 ат.% N. Компостирование проводили в стеклянных сосудах объемом 250 см3 (ПО г а.с.почвы на сосуд) при 60% ПВ и 25°С. Ежедневно в течение месяца для анализа произвольно снимали по два сосуда с варианта (повторность опыта - 54 сосуда).

Полевке исследования проводили на базе длительного (с 1964 года) опыта на Люберецком опытном поле (ЛОП), Москва. Почва дерново- слабоподзолистая, легкосупесчаная на флювиогляциальных песках. В опыте применялся 5-ти польный севооборот: оз.рожь, кормовая свекла, картофель, кукуруза, овес на зеленый корм. В 1989-90 гг поле засевалось кукурузой. Исследования проводили в

Таблица I.Агрохимическая характеристика исследуемых почв

Вариант сгум % "общ Рнсол Р К S V

(индекс) % мг/кг МГ/КГ мгУэкв/кг %

лабораторный опыт

"Б" 1.73 0.17 5.20 83.9 19.2 74.8 66

"В" 2.01 0.18 6.45 88.1 32.6 124.4 89

при 10.88 0.74 5.75 166.6 16.2 361.I 75

длительный опыт

Контроль 0.60 0.04 5.04 62.2 39.8

PK 0.58 0.04 5.53 92.9 71.3

NPK 0.65 0.05 4.66 85.9 57.2

РК+навоз 0.81 0.0В 5,46 105.6 64.8

NPK+навоз 0.78 0.06 4.88 96.1 67.2

НСР0.95 0.04 0.01 0.06 О.Т 4.4 15.6

вариантах (табл.1): 1)контроль; 2)РК; 3)ШС; 4)РК+навоз и 5)№К+ +навоз. Доза удобрений за ротацию: И- 540, К^О - 600, Р2О5 - 490 кг/га, навоз - 40 т/га. Почва всех вариантов известкуется доломитовой мукой из расчета 1/2 гидролитической кислотности. В качестве удобрений применяли мочевину (150 кгН/га), двойной суперфосфат и КС1 (90 кг д.в./га). Навоз кр.р.с. в дозе 40 т/га внесен весной 1989 г. Площадь делянок 7x7 м. Образцы почв отбирали 8-ю уколами агрохимического бура с каждой из четырех делянок. Анализ проводили из смешанного свежего образца в 3-х кратной повторности.

Для агрохимических анализов почв использовали стандартные методики (Агрохимические методы исследования, 1975). Содержание минеральных форм азота в почве определяли по гипохлоритфенолятной реакции (Кудеяров, 1985; Бочкарев, Кудеяров, 1982).

Под качеством органического вещества понимали абсолютное и относительное содержание в нем различающихся по подвижности пулов. Для этого использовали химическое фракционирование. ПОВ, инкубационные методы и определение микробной биомассы. Из методов химического фракционирования мы использовали определение фрак-ционно-группового состава гумуса по Пономаревой-Плотниковой и содержание органического С в 0.1н пирофосфате Иа с рН=7.0 (лабильный гумус) и в 0.5м ^БО^ вытяжках. Степень доступности для микрофлоры почвенного углерода - коэффициент относительной доступности (КОД) - определяли инкубационным методом, разработанным нами совместно с С.С.Исламовым (Исламов, Орлова и др.,1989). Определение размеров микробной биомассы (регидратационным методом), коэффициентов пересчета на биомассу (кн и кс) и потоков С и N через нее проводили по методикам, предложенным С.А.Благодатским с соавторами (Благодатский и др.,1987). Коэффициенты пересчета на биомассу, экспериментально определенные нами в модельных опытах, для почв длительного опыта составили: кс=0.22; к^- 0.40; для почвы "Б": 0.33; 0.25; для "В": 0.35; 0.25; для "Г" - 0.34; 0.33 -соответственно к^ и кс.

Изотопный состав общего и минеральных форм почвенного N. выделяемых по Бремнеру (Бгетпег, Наиск, 1982) определяли методом эмиссионной спектрометрии на установке, разработанной НИФИ ЛГУ.

Статистическую обработку данных проводили с использованием персонального компьютера 1ВМ РС АТ (программы "Диана", "Согг"). Экспериментальные данные по ежедневной динамике в лабораторном

опыте выравнивали методом нелинейных функций по 7 точкам (Дьяконов, 1987).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ Методика определения N-Оиомзссы (x-N) при высоком уровне минерального азота для почв легкого механического состава. На супесчаных почвах с малой емкостью поглощения, при содержании в них N-îîH4>15 мг/кг, мы испытывали трудности при определении N-биомассы (x-N). Значения x-N, рассчитанные по стандартной мето-. дике (Благодатский и др., 1987) были отрицательными либо близкими к нулю (рис.2). В модельном опыте было установлено, что при био-цидной обработке (высушивании в течение 16-18 часов при t=70°C) происходит снижение содержания аммонийного азота. На основании этого нами предложена модификация метода определения x-N: в качестве контроля при расчете N-микробной биомассы использовать содержание минерального H не в исходной почве, а после ее высушивания. Пороговая концентрация N-HH^, требующая использования предложенной нами модификации, не одинакова для разных почв.

Трансформация С и N в почвах различной окультуренности (инкубационный опыт). Целью опыта было выявить взаимозависимость азотного и углеродного циклов в почвах различной окультуренности при постоянных гидротермических условиях.

Почва "Г", обогащенная органическим веществом за счет внесения ТМАУ, характеризуется наиболее высоким абсолютным содержанием подвижных форм углерода (табл.2), за исключением лабильного гумуса. Более того, лабильный гумус в данной почве менее устойчив к микробиологическому разложению - за время опыта его содержание уменьшается в 2 раза. Это может быть связано с повышенной долей в нем С, переходящего в солевую вытяжку (табл.2). Относительное же содержание подвижного С в почве "Г" - самое низкое. Об инертности значительной части органического вещества почвы "Г" свидетельствуют и высокие значения удельного дыхания - 40 против 15-19 мг С-С02 на г С-биомассы для минеральных почв.

Почва "Б", с самым низким содержанием гумуса (табл.1), исходно имела более подвижное органическое вещество, чем почва "В" (по данным фракционно-группового состава гумуса и величинам затравочных коэффициентов). Снижение подвижности органического вещества почвы "В" связано с известкованием, что улучшило ее гумусное состояние (увеличение доли 2-й фракции ГК, расширение

отношения Сгк:СфК). Большая подвижность органического вещества почвы "Б" видна и из данных табл.2. Вероятно, количество именно подвижного, а не общего углерода, определило большие размеры микробной биомассы (табл.2) и нитрификационной способности (28 и II мг МОд/кг в почвах "Б" и "В") в почве "Б" по сравнению с "В".

Таблица 2. Подвижность почвенного органического вещества в

лабораторном опыте

Почва Вариант сгум Слаб.гум. ск2бо4 С-биом-сы ьдост код

% мг/кг %* мг/кг %** мг/кг 2* мг/кг %*

1 2 3 4 5 6 7 8

"Б" РК %рк и100рк 1.58 1.66 1.69 1296 1116 1167 8.2 6.7 6.9 33 33 35 2.6 2.9 3.0 473 501 505 3.0 3.0 3.0 1200 1000 800 6.8 5.7 4.4

"В" рк 1.84 и40рк 2.10 и100рк 1.91 819 4.4 869 4.1 839 4.4 32 3.9 31 3.5 33 3.9 395 2.2 386 1.8 376 2.0 760 790 700 4.0 3.7 3.8

при рк 9.59 н100рк 10.38 921 1.0 960 0.9 106 II.6 104 10.6 935 932 1.0 0.9 2950 2640 2.8 2.4

нср0.95 0.05 15 34 67 220 1.0

Примечание: * - % от Собщ;**- % от Слаб<гум_ ;***- по методу Исламова (Исламов и др., 1989); показатели в 3, 7 и 8 графах определены в конце опыта, а в 4, 5 и 6- средние за опыт значения.

Почва "Б", имеющая наиболее подвижное органическое вещество, оказалась более чувствительной к азотным нагрузкам: содержание лабильного гумуса и доступного С значительно снизилось (табл.2). В остальных почвах азотные удобрения практически не изменили подвижности органического вещества.

Предотвращение потерь гумуса при внесении азотныхгудобрений по сравнению с контрольными вариантами (табл.1 и 2). происходит при уменьшении доступности органического вещества для микроорганизмов (увеличение удельного дыхания и содержания труднодоступного С), за счет перегруппировки его между различными по подвижности фракциями.

Внесение азотных удобрений привело к расширению соотношения С:И как в органическом веществе, так и в микробной биомассе минеральных почв. Так, в почве "Б" соотношение в ПОВ и микробной биомассе исходно было 9.8 и 5.6, а после месячного компостирования с 100 мг Л/кг стало соответственно 10.6 и II.7. Следовательно, потери азота опережали потери углерода.

Ежедневная динамика запасов С- и Л- микробной биомассы (рис.1) имела пульсационный характер, период колебаний составлял 3-10 дней. Достоверность колебаний доказана математически. Непос-' тоянство соотношения Св микробной биомассе во времени привело к слабой корреляции между динамиками С- и Ы- биомассы (г= от 0.02 до 0.42). Динамика биомассы и динамика численности микроорганизмов, определенная методом посева на твердые среды (МПА и КАА), не совпадали.

Ежедневная динамика содержания С0рГ в солевой вытяжке, как и запасов микробной биомассы, имела пульсационный характер, что говорит в пользу связи этого показателя с деятельностью микрофлоры. Динамика содержания С0рГ в 0.5 м К2304 была связана с динамикой дыхания микроорганизмов, причем эта связь была сильнее в обедненной подвижным органическим веществом почве "В" - г=-0.65, а в почвах "Б" и "Г" соответственно -0.26 и -0.14. Теснота связи между этими показателями усиливалась при внесении азота (например, для почвы "Б" г равен -0.41 и -0.55 соответственно для 1-й и 2-й дозы).

Для минеральных почв расчетное время генерации почвенных микроорганизмов (18-24 дня) значительно превышало видимые на графиках периоды колебаний С- и Л-биомассы. Обогащенная же органическим веществом почва "Г" имела высокую скорость оборота микро-боценоза (время генерации - 10 дней), что значительно увеличило потоки углерода и азота через плазму микроорганизмов. Микробная биомасса почвы "Г" характеризуется самым узким соотношением (4.3), близким к значениям, приводимым в литературе для микроорганизмов, выращиваемых на питательных средах. В этой почве наблюдали наибольшую амплитуду колебаний С0рГ солевой вытяжки и И-биомассы. Высокая активность микробоценоза совпадала с его устойчивостью к внесению азота: соотношение С:М в микробной биомассе, в отличие от минеральных почв, не менялось в результате инкубации с азотными удобрениями.

почва "Б"

почва "В"

почва "Г"

Рис Л .Ежедневная дтагака запасов С к К гтгкробной биомассы Условные обозначения: —*— РК; - - - ^¿РК; —*• К^дРИ

Данные литературы о влиянии азотных удобрений на численность и биомассу микроорганизмов противоречивы (Кудеяров, 1989; Минеев, Ремпе, 1990). В данном опыте внесение минерального N не оказало существенного воздействия на общие размеры биомассы даже в богатой органическим веществом почве "Г" (табл.2). Ни в одной почве не отмечали и нарастания содержания N в микробной биомассе (рис.1). Более того, на почве "Б" при 2-й дозе азота произошло снижение запасов х-И. Тем не менее, по результатам анализа с использованием стабильного изотопа азота N. именно в этом варианте было наибольшее закрепление N удобрения в органической форме (табл.3). Однако, общие запасы азота в биомассе при внесении 100 мг И/кг в почве "Б" ниже, чем в почве "В" (соответственно 50 и 57 мг И/кг). Следовательно, на основании увеличения иммобилизации

тс

азота удобрений ( Ю нельзя делать вывод о нарастании общих запасов И-биомассы.

Таблица 3. Баланс азота удобрения в конце опыта азота

Доза N 1ЬК, мг/кг

мг/кг N "мин N иорг мобщ 1 Потери

Почва "Б"

40 24.6 4.9 29.5 10.5

100 59.9 25.4 85.3 14.7

Почва "В"

40 - - 28.5 II.5

100 65.6 15.8 81.2 18.8

Причиной увеличения иммобилизации в органической форме в почве "Б" является ускорение биологического обмена в этом варианте, отражением чего является увеличение амплитуды и частоты колебаний И-биомассы (рис.1). Такая частая смена циклов иммобилиза-ции-рвминерализации азота может либо увеличить обогащение микробного азота N удобрений, либо привести к большему закреплению азота удобрений в гумусовых веществах. Увеличение частоты смены циклов ишобилизации-реминерализации проявилось на фоне повышенного содержания аммонийного азота - нитрификация в этом варианте была заторможена из-за подкислекия почвы при внесении 100 мг/кг N сульфата аммония - до рН=4.75 против 5.20 в контроле.

Итак, в условиях лабораторного опыта была показана взаимосвязь азотного и углеродного циклов в почве: значение содержания подвижного С для размеров нитрификации и иммобилизации азота удобрений; влияние азотных удобрений на подвижность ПОВ и микробную биомассу. В опыте наблюдали кратковременные пульсации запасов С- и П-биомассы. Активность микроорганизмов, ведущих трансформационные процессы, зависела от содержания в почве доступного углерода, рН и соотношения С'.И в микробной биомассе. Показана важность для процессов иммобилизации азота удобрений частоты смены циклов иммобилизации5реминерализации.

Влияние длительного применения различных систем удобрений на органическое вещество почвы и микробную биомассу. Цель опыта выявить влияние длительного применения различных систем удобрений на ПОВ, в том числе и на размеры и динамику его наиболее подвижной части - биомассы микроорганизмов.

Длительное применение (25 лет) различных систем удобрений привело к дифференциации вариантов по количеству органического вещества и его качественному состоянию. Органо-минеральная система удобрений повысила, по сравнению с контролем, содержание гумуса (табл.1), улучшив его качество (соотношение Срк:СфК расширилось с 0.52 в контроле до 0.82-0.89). Навоз, особенно в год внесения, повышает и содержание наиболее подвижных пулов углерода (табл.4). Действие азотных удобрений на общее содержание и подвижность ПОВ зависело от системы удобрений. Мочевина повышала гу-мусированность почв только при минеральной системе удобрений (табл.1), В полевом опыте в присутствии растений, в отличие от инкубационного опыта, внесение мочевины увеличило относительно "безазотных" вариантов содержание лабильного гумуса при обеих системах удобрений. Положительное влияние мочевины на размеры микробной биомассы (табл.5) и С0рГ солевой вытяжки (табл.4) по минеральному фону было устойчиво по годам (хотя уровень этих показателей, в отличие от СГуМ, не превышал таковые в чистом контроле), тогда как по фону навоза положительный эффект был неустойчив по годам. Несбалансированное внесение минеральных удобрений (вариант РК) значительно снизило содержание Слаб гум и С солевой вытяжки относительно контроля (табл.4), что согласуется с уменьшением подвижности ПОВ по данным фракционно-группового состава (негидролизуемый остаток 55.72 от С по сравнению с 49.9% в

контроле).

Изменение содержания труднодоступного углерода оказалось возможно использовать в качестве чувствительного индикатора, показывающего направленность сдвига процессов синтеза-разложения гумуса под влиянием различных факторов за короткий срок (1-2 года). Так, снижение общего содержания гумуса под пропашной культурой за один год по методу Тюрина не улавливалось, тогда как содержание Струд снизилось на 5-202 (табл.4). Можно отметить, что при минеральной системе удобрений сформировалось органическое вещество достаточно легко теряющее свой статус "недоступности" для микроорганизмов.

Таблица 4. Влияние системы удобрений на подвижность почвенного органического вещества в длительном опыте

Вариант Сорг в ^ мг/кг Ялаб.гум. мг/кг гдоступ. мг/кг Струдн. мг/кг

Контроль 34 "37" 380 ТКГ 550 "Б8Б" 6081 4750

РК 28 "ЖГ 250 "372" 561 "589" 5652 5370

дак 36 "ЗВ" 354 447 593 7129 5730

РК+навоз 40 "ЗВ" 354 ~ЗБ7~ 766 8135 7270"

ИРК+навоз 42 ИГ 430 727 "5ВВ" 7661 7269

НСР0.95 4 Т 93 ~83~ 190 150 330 240

Примечание: Числитель - данные за 1989 год, знаменатель - 1990г.

Мы наблюдали значительные изменения запасов С и N биомассы микроорганизмов в почве в течение вегетационного сезона (рис.2). Однако, характер динамики С-биомассы (х-С), в отличие от динамики азота биомассы, мало зависел от системы удобрений и был одинаковым в оба года исследования: наблюдали два пика - весной и примерно в середине вегетации растений (июль). Более резко выраженный минимум биомассы в 1989 году связан с неблагоприятными гидротермическими условиями. Тем не менее, динамика запасов микробной биомассы слабо зависела от содержания влаги в почве. Положитель

мг/кг

400

юл ш «.» цд (.7 11.7

С.мг/кг 500 г

18.4 10.« 24.5 14.« 3.7 '. б' 30.7

р,мг/кг

1)10

' • а v.

' ./ / Ч-Л ••• \

п.« 10.« 24.« 14.« ».7 1е.7 90,7

Рис.2.Динамика запасов С и 13 микробной биокассы в длительном полевом опыте.

Условные обозначения для этого и следующего рисунков: —контроль; — РК; — ---РК+навоз; ••••■• ЫРК+навоз; стрелка - дата внесения удобрений

КРК

1Н4 ,ыг/кг

»о

»о

Алин

''•■•---V. -•■•Л

'у

10.4 «4» и »1.« «7 1(1,7 4 9

, ыг/кг

1»$

Л Л. Л

/ > • •• / ч -

I V- Ч V / .4 *

¡/^ 'Г

10.5 , 24.« 11.« «7 11.7 «.«

,мг/кг

я 1990

1«.4 10.« 24.6 14 6 3.7 1с 7 э0 7

10^ин-мг/кг • .. ""

ил 10.5 24.« 146 «7 16.7 10.7

О

Рис.3.Динамика содержания минерального азота е почве

ную связь средней степени (г=0.4Э-0.69) между этими показателями наблюдали (исключая контрольные варианты) только в засушливом 1989 году. Характер динамики запасов К в микробной биомассе различался в зависимости от варианта и года исследования. Внесение мочевины в 1990 г вызывало временное значительное увеличение запасов N в микробной биомассе, причем период дальнейшей его реми-нерализации по фону навоза более длителен. Пик иммобилизации азота удобрений не сопровождался ростом размеров микробного пула. Таким образом, С-биомассы является более инертным показателем, по сравнению с И-биомассы, к воздействию внесения удобрений.

В полевом опыте (как и в лабораторном) соотношение в микробной биомассе для одного варианта было непостоянно во времени. Отношение С;N в плазме микроорганизмов, по нашим данным, за период наблюдений варьировало в среднем от 5 до 20. Непостоянство в биомассе диктует необходимость самостоятельного определения в почве и С-, к и- микробной биомассы.

Характер динамики минерального азота по годам исследований существенно различался. В отличие от 1990 года, когда динамика минерального азота в почве носила обычный сигмоидальный характер (рис.3), засуха 1989 года снизила активность нитрификационного процесса и, как следствие, N удобрений длительное время сохранялся в аммонийной форме. В этих условиях мы наблюдали пульсации минерального азота (рис.3), что вероятно, отражает циклы иммобилизации-реминерализации микробного азота. Необходимым условием для наглядного улавливания этих циклов, по-видимому, является присутствие в почве пула аммонийного азота в ощутимых размерах, что было справедливо и для лабораторного опыта.

Таким образом, разнокачественность ПОВ, сформировавшегося под воздействием различных систем удобрений, мало влияла на рисунок динамики С- и Ы- биомассы, большую роль играло воздействие удобрений, особенно азотных, в год внесения.

Длительное применение различных систем удобрений сказалось на средних за сезон размерах микробной биомассы - наиболее подвижном пуле ПОВ. В супесчаной почве длительного опыта запасы микробной биомассы были несколько ниже по сравнению с легкосуглинистыми почвами лабораторного опыта (табл.2 и 5). Самые низкие запасы С-биомассы были в варианте РК, что коррелировало со снижением подвижности ПОВ по химическим показателям (табл.4).

Органические удобрения положительно повлияли на запасы и с, и N биомассы. Внесение мочевины в присутствии растений однозначно привело к росту запасов микробного азота, действие же на С-биомассы зависело от системы удобрений аналогично другим подвижным пулам углерода.

Хотя соотношение в микроорганизмах не постоянно во времени, среднее значение его для варианта является характерным. Об этом свидетельствует и устойчивость по годам связи между

Таблица 5. Средние запасы микробной биомассы и потоки N (Р^) и С (Рс) через нее в длительном опыте (1990 г)

Вариант х! О-2 Х-С мг/кг рс кг/га Х-И мг/кг % кг/га биомассы Урожай Ц/га

Контроль 2.24 272 2653 7.8 75.7 34.9 70

РК 2.81 219 2681 11.0 134.4 19.9 131

ИРК 2.25 295 2885 23.2 227.2 12.7 383

РК+навоз 3.25 334 4722 17.8 250.5 18.8 255

ИРК+навоз 3.17 311 4284 27.4 377.8 II.3 365

НСР 27 3.3 99

Примечание: - удельная скорость роста микроорганизмов, сутки 1

средними запасами С и N микробной биомассы (см. табл.6). Азотные удобрения (в отличие от инкубационного опыта) при обеих системах удобрений резко сужали соотношение в микробной биомассе, что опосредованно связано с растениями. Органические удобрения мало влияли на С:N микрофлоры, но приводили к увеличению удельной скорости ее роста.

Из таблицы 5 видно, что размеры потоков С и N через микробную биомассу достигают значительных величин, сравнимых с дозами удобрений. Величины потоков этих элементов зависят не только от их запасов в микроорганизмах, но и от скорости оборачиваемости микробоценоза. Так, в варианте РК по сравнению с чистым контролем запасы микробной биомассы ниже. Однако, штоки С и N через плазму микроорганизмов в этом варианте выше, чем в контроле, за счет ускорения оборачиваемости биомассы. Следовательно, опосредованно связанная с усилением интенсивности процессов трансформации органического вещества, прибавка урожая в варианте РК относительно контроля больше коррелирует не с запасами микробной биомассы, а с

потоками через нее биофильных элементов. Таким образом, реальное воздействие микроорганизмов на почвенную систему можно оценить именно с помощью потоков С и N через биомассу.

Нами была предпринята попытка найти корреляционные связи между микробиологическими показателями, и показателями качества ПОВ химическими методами. При этом обнаружили, что коэффициенты корреляции между динамиками показателей зависели не только от варианта опыта, но и различались по годам в одном и том же варианте. Причем, изменялась как теснота, так и направленность связи. Коэффициенты же корреляции между средними значениями показателей (табл.6) в большинстве случаев были более устойчивы по годам. Из всех используемых нами показателей, характеризующих подвижность ПОВ, содержание С0рГ солевой вытяжки имело наиболее тесную и устойчивую по годам связь с запасами биомассы и потоками С и N через нее. Т.е. этот показатель может служить индикатором обеспеченности микроорганизмов энергетическим субстратом. Кроме того, содержание С0рГ в солевой вытяжке четко отражало поступление в почву свежего органического вещества (внесение навоза, корневые выделения, отмирание биомассы при засухе). Теснота связи других показателей (Сла(5 гум и сдост ^ с биомассой в значительной степени зависела от года исследования.

Таблица 6. Коэффициенты корреляции урожая и содержания в почве собщ с отдельными показателями в длительном опыте (^Ц^-гг)

сорг.сол. х-с рс собщ Урожай

сорг сол. 0.83 0.72 0.85 0.57 0.89 0.67 0.80 0.63

с лаб.гум. 0.87 0.84 0.99 0.39 0.59 0.08 0.56 0.23 0.60 0.48

сдост 0.83 -0.06 ' 0.64 или 0.94 _0Л99_ 0.79 -0.72

х-С 0.83 и.7И 0.58 0.81 0.52 ТПЖ" 0.44 0.60

рс 0.85 О.ЬУ 0.58 0.81 0.93 О.УН 0.82 0.48

Х-И 0.81 0.74 0.58 0.61 0.67 0.59 о.ьь 0.61 0.79

0.84 0.77 0.64 0.6Ь 0.74 0.77 0.74 о.?ь 0.95 0.86

Величина потока в большей степени чем размеры биомассы отражает "работу" или значимость микробиоты в функционировании почвы как саморегулирующейся системы. Так, увеличение потока углерода через биомассу не означает роста потерь органического вещества почвы за счет его большего разложения. Напротив, это почти всегда совпадает с сохранением гумуса в почве. Урожай кукурузы в наибольшей степени был связан именно с потоками азота через микробную плазму. Последнее указывает на существенную роль микробного азота в азотном питании растений. Т.е., по-видимому, увеличение размеров потоков ведет к увеличению стабильности и продуктивности экосистемы.

Определение биомассы микроорганизмов в почве междурядий и под растениями. С целью изучить влияние растений на биомассу микроорганизмов в длительном опыте в 1990 г. определение микробной биомассы 1в и 30 июля проводили раздельно из почвы междурядий и из-под растений (табл.7 и 8). В последнем случае, образцы обозначались как "ризосфера", хотя применение в данном случае этого термина несколько условно.

Концентрация минерального азота в почве ризосферы азотных вариантов 16 июля превышала таковую в междурядьях в 1.2-2.5 раза (табл.7), несмотря на сплошное внесение удобрений.

Трансформационные процессы С и К в почве под растениями идут интенсивнее, чем в междурядьях, что, по-видимому, связано с корневыми выделениями растений, дающими энергетический материал для почвенной микробиоты. Именно в ризосфере такие показатели как С0рГ солевой вытяжки, запасы N и соотношение в микробной биомассе были подвержены большим колебаниям (табл.7 и 8). Однако, ризосферный эффект, в смысле увеличения микробного пула, отсутствовал (табл.8).

Величина и прочность биологического закрепления N определялась не только концентрацией минерального азота в почве, но и содержанием в ней С0рГ. Так, в начальный период роста кукурузы, характеризующийся низким потреблением азота, по сравнению с почвой междурядий под растениями выше концентрация С0рГ солевой вытяжки (табл.7). Это предопределило лучшие условия для иммобилизации К ризосферной микрофлорой (табл.8). В период же интенсивного потребления N кукурузой (30 июля) под растениями отмечается резкое снижение содержания С0Т)Г солевой вытяжки, сопровождаемое уменьше-

Таблица 7. Содержание в почве минерального азота и С0рГ солевой вытяжки в почве "ризосферы" и междурядий*

Варианты и-ш4, мг/кг «мин- "Т/кг сорг* мг/кг

16.07 30.07 16.07 30.07 16.07 30.07

Контроль 4.2 4.1 1.7 1.У 5.0 "57Т 2.6 3.4 31.2 43.У 34.2 26.1

РК 3.7 1ГЛГ 1.9 1.8 З.Т Т7Г 2.9 1.8 26.4 42.3 25.3 22.6

№К 8.9 5.8 10.2 19.9 Ь2.6 5.8 1Ь. 1 31.0 4У.8 36.3 35.9

РК+навоз 3.9 4.3 2.0 "27 Г 5.0 "57ТГ 3.4 4.8 33.0 23.3 2У.0

№К+навоз 9.1 7.6 4.6 "27В" 42.6 Ы).3 7.9 "Б7Т 36.8 Ьб.Ь 37.8 4Ь.8

НСР 0.3 0.4 0.6 0.4' 6.9 573" 31 "30" 6.3 ь.з 6.6 Ь.У

Примечание: в этой и следующей таблице в числителе -междурядья, а знаменатель - ризосфера.

Таблица 8.Запасы С и К биомассы в "ризосфере" и междурядьях кукурузы

Варианты х-С, мг/кг х-И мг/кг с/ы в биомассе Прирост N к 30.07 мг/Зраст.

16.07 30.07 16.07 30.07 16.07 30.07

Контроль 229 241 276 У1Ь 13.7 17.1 15.5 13.2 16.7 14.1 17.8 23.9 95.6

РК 179 Ж 223 "2В5" 14.2 тгатт 17.5 12.6 8.В 12.7 16.В 64.3

ИРК 280 285 298 2В4 18.8 25.0 20.9 13.4 14.9 11.4 14.2 21.2 274.1

РК+навоз 295 214 454 зьз 25.9 33.1 27. Г 13.7 13.0 52.6

№К+навоз 294 ^273" 396 "332" 28.0 30. Ь 36.4 20.0 10.5 9.0 10.9 16.6 290.3

НСР 13 Т5~ 31 "ЖГ 3.5 2.2 1.3 5.2

нием запасов N в;микробной биомассе. Таким образом, содержание С0 солевой вытяжки отражает объем корневых выделений растений.

За исследуемый период поступление N в растения (табл.8) было выше в вариантах, где происходило наибольшее снижение запасов N в микробной биомассе. Таким образом, растения, изменяя количество корневых выделений, способны, по-видимому, регулировать иммобилизацию и реминерализацию азота микрофлорой.

ВЫВОДЫ

I.Определены средние запасы С и N микробной биомассы в длительном полевом опыте, которые варьировали в зависимости от системы удобрений от 170 до 335 мг С/кг и от 8 до 32 мг К/кг. Показано, что систематическое внесение органических удобрений увеличивает запасы и С и N микробной биомассы, тогда как мочевина оказала положительный эффект только на содержание микробного азота. Выявлена изменчивость размеров микробной биомассы в течение вегетационного сезона.

2.Значимость микробиоты в почвенных круговоротах углерода и азота отражают не столько запасы микробной биомассы, сколько величины проходящих через нее потоков этих элементов. Так, содержание общего С в почве в длительном опыте более тесно связано именно с потоками, а не запасами С-биомассы. Выявлено, что в пределах одной почвенной разности увеличение потока С, вызванное тем или иным фактором,как правило, предотвращало потери гумуса. Потоки N через плазму микроорганизмов за вегетационный сезон, достигающие 74-490 кг N/ra, тесно коррелировали с урожаем кукурузы - г=0.94 и 0.86 соответственно в 1989 и 1990 гг..

3.Показано, что иммобилизация N удобрения в органическом веществе почвы возрастает при частой смене циклов иммобилизации-реминерализации N в биомассе. На легких дерново-подзолистых почвах фактором, ускоряющим смену иммобилизации-реминерализации микробного N, является длительное присутствие в почве концентрации Н-Ш4> 10-15 мг/кг.

4.Обнаружено, что растения, изменяя количество корневых выделений, способны регулировать иммобилизацию N микроорганизмами.

5.Соотношение С:Н в микробной биомассе изменяется во времени и зависит от системы удобрений.

6.Установлено, что для легких дерново-подзолистых почв содержание С0рГ в солевой вытяжке является показателем обеспеченности микроорганизмов энергетическим субстратом. В длительном полевом опыте этот показатель имел устойчивую положительную связь с раз

мерами биомассы и потоками углерода и азота через нее.

7.Показано, что как ежедневная динамика С и N микробной биомассы, так и С0рГ солевой вытяжки в инкубационном опыте имели пуль-сационный характер. Период колебаний составлял от 3 до 10 дней.

8.Разработана модификация регидратационно-инкубационного метода определения N в микробной биомассе, дающая возможность измерить истинные размеры N-биомассы на легких дерново-подзолистых почвах в присутствии высокой концентрации аммонийного азота.

По материалам диссертации опубликованы следующие работы:

I.Сирота Л.Б., Орлова О.В., Туев Н.А. Влияние удобрений на размеры микробной биомассы и ее роль в круговороте азота в почве// Ргос. Intern. Confer. "Structure and Function о! Soli Organisms-Communities with the Inlluence ol Anthropogenous Factors" In Ceske Budejovice 3-7 July 1990,- Ceske Budejovice,1990, p.126.

2.Орлова O.B., Сирота JI.Б., Туев Н.А. Изменение гумусного состояния и запасов микробной биомассы дерново-подзолистой супесчаной почвы при длительном применении удобрений// Перспектива создания экологически чистых технологий возделывания с.х. культур. -Ленинград, 1990. - С. 46.

3.Сирота Л.Б., Орлова О.В. Возможные пути снижения отрицательных экологических последствий применения азотных туков на дерново-подзолистых почвах// Проблема азота в интенсивном земледелии: Тез. докл. Всесоюз, совещ. Новосибирск, 23-28 июля 1990 г/ ВАСХНИЛ,Сиб.отд-ние. СибНИМЗХим- Новосибирск,1990.- С.229

4.Сирота Л.Б., Орлова О.В. Усовершенствование методики определения запасов N микробной биомассы в почвах// Вопросы агрофизики при воспроизводстве плодородия почв: Тез. докл. Всерос. конференции Санкт-Петербург, 25-27 октября 1994 г/ Санкт- Петербург, 1994. - С.51.

5.Орлова 0.В.,Сирота Л. Б. Влияние длительного применения удобрений на органическое вещество супесчаной дерново-подзолистой почвы// В сб. : Сельскохозяйственная наука Северо-Востока Европейской части России, т.2, Киров, 1995. - С.52-57.