Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Влияние способов основной обработки дерново-подзолистой почвы на микрофлору и микробиологические процессы

ВАК РФ 03.00.07, Микробиология

Автореферат диссертации по теме "Влияние способов основной обработки дерново-подзолистой почвы на микрофлору и микробиологические процессы"

РГ6 од

На правах рукописи

НАЗАРОВА Тамара Олеговна

ВЛИЯНИЕ СПОСОБОВ ОСНОВНОЙ ОБРАБОТКИ ДЕРНОВО-ПОДЗОЛИСТОЙ ПОЧВЫ НА МИКРОФЛОРУ И МИКРОБИОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ

Специальность03.00.07 - микробиология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук

Москва-1998

Диссертационная работа выполнена в Научно-исследовательском институте сельского хозяйства Центральных районов Нечерноземной зоны и в Московской сельскохозяйственной академии им.К.А.Тимирязева.

Научный руководитель - доктор биологических наук, профессор В.Т.ЕМЦЕВ.

Официальные оппоненты:

доктор биологических наук, профессор С.В.ЛЕТУНОВА;

кандидат биологических наук Б.И.ГОЛОД.

Ведущее учреждение - Всероссийский научно-исследовательский институт удобрений и агропочвоведения им.Д.Н.Прянишникова.. ¿О

Защита состоится "¿У" АЛЛРЛЛ 1998 г. в "-/4 час. на заседании диссертационного совета К 120.35.06 в Московской сельскохозяйственной академии имени К.А.Тимирязева.

Адрес: 127550, Москва И-550 Тимирязевская ул., 49.

Ученый совет ТСХА.

С диссертацией можно ознакомиться в ЦНБ ТСХА.

Автореферат разослан 1993 г

Ученый секретарь диссертационного совета

Л.В.МОСИНА

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В основе повышения окультуренности обрабатываемых дерново-подзолистых почв лежат антропогенные воздействия на биохимические процессы трансформации веществ, осуществляемые разнообразными представителями почвенного микробоценоза. Практически на сукцессии почвенных микроорганизмов можно направленно воздействовать только технологическими приемами путем изменения водно-воздушного, теплового, пищевого режимов почвы. В зависимости от характера этого воздействия, сопровождающегося изменением экологической обстановки почвы, изменяются сложившаяся равновесная система и структура микробоценоза и ее многообразные функции. Среди элементов технологий на обработку почвы приходятся наибольшие энергетические затраты в земледелии. Создаваемые при разных обработках различные условия в уровне аэрации и обеспеченности энергетическими и пищевыми ресурсами в обрабатываемом слое и определяют в каждом случае свой ход микробиологических процессов распада и синтеза многообразных веществ, влияющих на способность почвы производить растительную продукцию.

Технологические системы механического воздействия на почву, в которых первостепенными являются способы основной обработки почвы, со временем изменяются в связи с новыми техническими, технологическими и экономическими возможностями хозяйств. В последнее 10-летие после периода интенсификации усилилось изучение систем биологизированного земледелия и энергосберегающих технологий. Важным звеном в биологической системе земледелия является использование возможности диазо-трофов фиксировать азот атмосферы.

Однако несмотря на очевидную необходимость изучения состава и деятельности микробного сообщества почвы, новые технологические разработки на дерново-подзолистых почвах центра Нечерноземной зоны не обеспечены микробиологическими исследованиями. Изучение этой проблемы, помимо выявления приемов улучшения биологических свойств почвы, дает возможность прогнозировать изменение уровня окультуренности почвы под влиянием способов основной обработки, что важно для научного обоснования их применения.

Цель и задачи исследований. Цель работы - изучить особенности влияния способов основной обработки дерново-подзолистой почвы на структуру микробных ценозов и микробиологических процессов и опре-

делить оптимизирующие биологическую активность способы, способствующие окультуриванию почвы.

В соответствии с целью исследования решались следующие задачи:

- установить изменение структуры и активности микробоценоза профиля пахотного слоя почвы при длительной бессменной поверхност-•ной обработке и при чередовании ее с обычной вспашкой;

- выявить влияние удобрений на формирование микробиологического профиля пахотного слоя почвы при разных способах основной обработки;

- определить особенности и продолжительность последействия мелиоративной ярусной обработки на развитие и активность микробного сообщества пахотного и подпахотного слоев почвы;

- установить относительный уровень азотфиксирующей способности почвы, определяемый свободноживущими диазотрофами, при разных способах основной обработки почвы.

Научная новизна. Впервые в длительных полевых стационарных севооборотных опытах в условиях региона центра Нечерноземной зоны получены экспериментальные данные о ходе изменения биологических процессов в дерново-подзолистой почве в зависимости от изучаемых приемов основной обработки.

Установлено, что длительная замена обычной вспашки поверхностной мелкой обработкой приводит к изменению биологической активности профиля почвы. Наиболее благоприятные условия для микробиологической деятельности складываются при определенном чередовании в севообороте поверхностной обработки со вспашкой.

Двухъярусная вспашка устойчиво повышает в течение ротации севооборота биологическую активность нижнего слоя пахотного горизонта. Показано, что повторная заделка в начале второй ротации севооборота органических удобрений двухъярусным плугом приводит к изменениям направленности микробиологических процессов, выражающимся в заторможенности процессов минерализации, накоплении аммиачных форм азота. Нами установлено положительное влияние поверхностной обработки почвы на процесс фиксации азота свободноживущими диазотрофами и ингибирование этого агрономически важного процесса при послойной заделке органических удобрений ярусным плугом.

Практическая ценность работы. Установлено, что в течение двух ротаций восьмипольного зерно-травяного севооборота более благоприятный микробиологический фон пахотного слоя формируется при опреде-

ленном чередовании в качестве основных обработок обычной вспашки и мелкого поверхностного дискования по сравнению с бессменными этими обработками.

После двукратного применения двухъярусной вспашки на фоне органических удобрений в начале ротаций семипольного севооборота происходит замедление процессов минерализации, накопление азота в аммиачной форме, что сокращает потери азота от вымывания и денитрифика-ции и обеспечивает более эффективное использование органических удобрений.

Азотфиксирующий потенциал свободноживущих диазотрофов наиболее эффективно используется при мелкой поверхностной обработке почвы в качестве основной обработки почвы.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были доложены на Всесоюзном совещании "Продуктивность сенокосов и пастбищ" (Пущино, 1985 г.), на научно-практической молодежной конференции НПО "Подмосковье" (Немчиновка, 1987 г.), на конференции молодых ученых в ТСХА (9-12 июня 1987 г.), на Ш Всесоюзном симпозиуме по почвенной биодинамике (Таллин, 1988 г.), на научно-практической конференции профессорско-преподавательского состава Пермского СХИ (Пермь, 1988 г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 12 работ.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из семи глав, выводов и практических рекомендаций (всего 202 е., содержит 38 таблиц, 21 рисунок), списка использованной литературы, включающего 325 источников, в том числе 27 иностранных, приложения ( 26 е., содержащих 20 таблиц и 6 рисунков).

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Объекты микробиологических исследований - старопахотные окультуренные дерново-подзолистые почвы опытных участков. Исследования проводили с 1981 по 1997 год в четырех стационарных многолетних полевых опытах и одном вегетационном (отделы и лаборатории земледелия, плодородия, агрохимии, агроэкологии НИИСХ ЦРНЗ):

Опыт 1. Изучались способы основной обработки почвы в севооборотах. Заложен в 1972 году. Исходные агрохимические показатели: гумус 1,86%, Р2О5 и КгО соответственно 25,0 и 13,0 мг/100 г почвы, рН сол. 5,6. Севооборот: вико-овес - озимая пшеница - овес - ячмень с подсевом клевера - клевер 1 г.п. - озимая рожь - овес - ячмень. Минеральные удобре-

ния вносили в дозах на планируемую урожайность, а органические - под первую и шестую культуры севооборота (всего 80 кг/га). Микробиологические исследования проводили во второй ротации севооборота с 10 по 16 год опыта (1981-88 гг.) на вариантах с обработками: бессменная вспашка и мелкая поверхностная обработка (глубина обработки соответственно 20 и 8 см), чередование в определенной последовательности этих двух обработок.

Опыт 3. Изучались способы обработки почвы при разных системах удобрений. Заложен в 1991 году. Исходные агрохимические показатели: гумус 1,8%, Р2О5 и К2О соответственно 27,0 и 13,0 мг/100 г почвы, рН сол. 6,15. Севооборот: ячмень с подсевом многолетних трав - многолетние травы (клевер + люцерна) 1-3 г.п. - тритикале - люпин. Системы удобрений: 1. без удобрений; 2. навоз 36 т/га; 3. навоз + №оРбоКбо; 4. навоз + N60P90K90; 5. навоз + N90P360K360; 6. N35P12K.60 - вносились под первую культуру. Под пятую культуру вносили минеральные удобрения в уменьшенных дозах. Под первую культуру проводились различные обработки: обычная вспашка, поверхностное дискование, чизелевание, двухъярусная вспашка (в одной закладке).

Опыт 4. Изучалось окультуривание нижней части пахотного слоя почвы путем применения двухъярусной вспашки. Заложен в 1976-79 гг. Исходные агрохимические показатели: гумус 1,8%, Р2О5 и К2О 27,0 и 23 мг/100 г почвы, рН 6,0. Севооборот: яровая пшеница - ячмень - овес с подсевом многолетних трав - многолетние травы 1 -2 г.п. - озимая пшеница. Изучение биологической активности было проведено на 3, 5, 6 и 8 годы опыта в двух слоях почвы 24-30 и 32-38 см на двух обработках: вспашка обычным плугом на 22-24 см и вспашка двухъярусным плугом на 28-30 см и в каждом случае на трех фонах удобрений - общий фон минеральных удобрений в опыте - контроль, навоз при закладке опыта 100 т/га, навоз+ известь 1 г.к. при закладке и в первые три года второй ротации севооборота на двух вариантах обработки: обычной вспашки и двухъярусной обработки, в обоих случаях на двух фонах - без органических удобрений и с внесением навоза в дозе 100 т/га.

Вегетационный опыт. Изучалось влияние на процесс азотфиксации имитации двухъярусной обработки в сравнении с обычной вспашкой при внесении навоза. Проведен в 1987 году. Почва для опыта взята с целинного участка со слоев 0-10, 10-20, 20-30 см. В сосудах слои почвы (6,9 кг), минеральные и органические удобрения, соответствовавшие дозам опыта 4 - ИбоРбоКбо и 100 т/га навоза, располагались аналогично установленному

в полевом опыте при этих способах обработки. В опыте высевали ячмень. В динамике учитывали нитрогеназную активность в почве и в накопительной культуре на среде Виноградского, а также продуктивность и состояние развития растений.

В диссертации приведены изменения основных физико-химических свойста почвы и ее продуктивность в опытах, а также метеорологические сведения.

Биологическая активность почвы характеризовалась показателями, определяющими: 1. Таксономическую структуру микробоценоза (численность бактерий, актиномицетов, грибов). 2. Микробиологическую трансформацию почвенного азота (численность микроорганизмов, использующих минеральный азот, использующих органический азот, оли-гонитрофилов, нитрификаторов, денитрификаторов, нитрификационная способность, уреазная активность, нитрогеназная активность). 3. Превращение микроорганизмами соединений углерода (численность масля-нокислых бактерий, бактерий Clostridium pasteurianum, целлюлозоразла-гающих микроорганизмов, инвертазная активность, целюлозоразла-гающая способность). 4. Микробиологическая минерализация органического фосфора (фосфатазная активность). 5. Микробиологические процессы трансформации органического вещества почвы (выделение почвой СО2, активность каталазы). 6. Общий относительный уровень биологической активности почвы.

Для определения этих показателей использованы общепринятые методики, изложенные в "Большом практикуме по микробиологии" (1962), в руководствах, составленных коллективами кафедр микробиологии ТСХА (1972), МГУ (1976), биологии почв МГУ (1966, 1980), А.Ш.Галстяном (1974), Ф.Х.Хазиевым (1976) и др.

Результаты микробиологических исследований обработаны с использованием метода интегральных кривых (Горячкин, 1968; Силин, 1990), математическими динамическими моделями на ПЭВМ.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Особенности микробиологического профиля дерново-подзолистой почвы при поверхностной безотвальной основной обработке

Бессменная безотвальная поверхностная обработка. Сравнение особенностей состояния микробоценоза почвы при поверхностной обработке и при вспашке, проводимое ранее в первой ротации севооборота (опыт 1),

показало, что в первые годы при бессменной поверхностной обработке происходило некоторое понижение биологической активности почвы в слое 20-30 см, а к седьмому году и в слое 10-20 см. В дальнейшем исследования проводили с 10 по 16 годы опыта.

Поверхностная обработка, повторяющаяся в качестве основной обработки в течение восьми лет, к десятому году опыта, привела к определенным изменениям биологической активности почвы в слое 0-30 см: в верхней его части возросла активность инвертазы, а также численность аммонификаторов, актиномицетов, микроскопических грибов, в нижней части резко снижалась активность уреазы, нитрификационная способность и численность, в основном в середине вегетации растений, всех изучаемых групп микроорганизмов С табл. I ).

После десятой поверхностной обработки (12-й год опыта) проведенные наблюдения свидетельствовали о более высоком микробиологическом потенциале слоя почвы 0-10 см при этой обработке (рис.1). Увеличение выделения почвой СОг, повышение активности уреазы и инвертазы указывают на интенсификацию начальных стадий минерализации органического вещества в виде растительных остатков, сконцентрированных в этом слое. В слое 10-20 см численность микроорганизмов была выше в случае с бессменной поверхностной обработкой, но биохимическая активность при разных обработках была достаточно близкой. При поверхностной обработке биогенность слоя 20-30 см характеризовалась относительно невысокой численностью микроорганизмов, слабой нитрификаци-онной способностью, низкой активностью уреазы и инвертазы (рис.1).

Применение безотвальной обработки почвы привело к некоторому увеличению содержания гумуса, Р2О5, К2О в почве 0-10 см и уменьшению -в нижних слоях.

Исследования, проведенные на 14, 15 годы опыта подтвердили в большей или меньшей степени, в зависимости от особенностей погодных условий, сложившийся микробиологический профиль почвы под влиянием рассматриваемых обработок.

Особенности микробиологического профиля слоя почвы 0-30 см, наблюдавшиеся во второй ротации севооборота, сохранились и в заключительный ее год (16-й год опыта). Наиболее существенные различия в биологической активности почвы в зависимости от обработок отмечены в слое 20-30 см (табл.2). При поверхностной обработке численность микроорганизмов и их активность в несколько раз ниже, чем при вспашке (кроме выделения почвой СОг и фосфатазной активности).

Биологическая активность дерново-подзолистой почвы при вспашке и поверхностной обработке на 10-й год опыта

Таблица 1

Способ обработки, слой почвы

Численность микроорганизмов, тыс/г абс.сух.почвы

бактерий

на МПА

на КАА

0-10 см

Вспашка Поверхностная

20-30 см

5000 2900

актино- грибы нитри-

мицеты фикато-

ры

16300 14200

700 300

27 17

7,5 2,5

денитри-фикато-ры

20 20

Биохимическая активность

выделение СО2, мг/кг

83 94

нитри- уреаз- фосфа- инэер-

фикаци- ная ак- тазная тазная

онная тивность. актив- актив-

способ- N-N114, ность, ность,

ность, мг/кг фенол- мг

N-N03, фтале- сахара

мг/кг ин-фос- в 5г

фат, почвы

мкг/г

1057 245 8,9 106

1165 256 9,8 147

Вспашка Поверхностная

4400 3200

16200 18500

500 400

20 17

250 250

500 20

77 73

1609 747

254 179

9,5 9,3

114

100

0-10 см Вспашка Поверхностная

20-30 см Вспашка Поверхностная

4300 у' 5300

6300 4500

17100 21800

27300 21600

50 , 1000

600 400

33 /50

17 10

20 45

25 4,5

200 „1000

1500 1500

30 27

36 24

740 619

897 29

229 189

161 95

4,87 3,49

3,71 4,80

120 V 162

123 115

Биологическая активность почвы под ячменем при разных основных обработках на 1б-й год опыта

Таблица 2

Способы рсновной обработка почвы Слой почвы, см Численность микроорганизмов, тыс/г абс.сух.почвы Выделение СОг, мг/кг Нитри-фикаци-онная способность, N-N03, мг/кг Ферментативная активность

бактерии актин о-мицсты грибы уреаэа, мг/кг фосфа-таза, ф.ф., мг/кг катала-за, мл Ог из I гп за 1 мин

на МПА на КАА

Вспашка 0-10 12234 24858 1532 45 132 583 326 9,08 0,96

10-20 9566 24177 1168 51' ■ 418 688 422 8,95 1,09

20-30 6486 14919 1003 17 111 560 344 9,69 0,62

Поверхностная обработка 0-10 14109 27829 1821 95 141 824 820 7,40 1,03

10-20 8730 17496 1009 16 122 614 389 •8,33 0,42

20-30 2609 5972 444 6 99 382 98 9,16 0,05

1ередование вспашки и поверхностного дискования 0-10 18352 21017 1112 84 124 573 391 10,38 0,75

10-20 13108 26620 1617 68' 134 806 498 8,70 0,81

20-30 4068 11100 1055 - 14 109 560 482 10,12 0,06

оэ

60000 50000

Я

|]40000 -в в

рзоооо

Ц20000 0

10000

слой 0-10 см

Ш Вспашка

зоооо

20000 • •

юооо

1

-- 1

Ш

3000 2000 1000 о

слой 20-30 см

150 -100 -50 -0 --

Рис.

□ Поверхностная обработка

а - бактерии на КАА б - актиномицеты в - денитрификаторы г - грибы 1. Численность почвенных микроорганизмов под ячменем при вспашке и поверхностной обработке

на 12 год опыта

Результаты математической обработки полученных данных полностью подтвердили результаты проведенного микробиологического исследования (рис.2-5).

Итак, при систематическом поверхностном дисковании с первых лет второй ротации севооборота начинает происходить существенное увеличение активности микробоценоза верхней части пахотного слоя и некоторое снижение биологической активности в его нижней части. Самая низкая численность и активность микрофлоры на протяжении всей ротации севооборота наблюдалась в слое 20-30 см. Однако несмотря на снижение активности микробоценоза необрабатываемого при бессменной поверхностной обработке слоя почвы (10-30 см), урожайность возделываемых культур в целом за 8-летнюю ротацию почти не отличалась от варианта со вспашкой. Это, возможно, связано с хорошей окультуренностью почвы и высокой культурой земледелия.

Изменение биологической активности почвы при сочетании поверхностной обработки со вспашкой. Выявленные особенности развития микробоценоза по профилю почвы при поверхностной обработке обосновали целесообразность чередования поверхностной обработки с обычной вспашкой с целью увеличения глубины биологически активного слоя почвы. Кроме этого некоторые культуры снижали урожайность при применении только поверхностной обработки. Наблюдения за почвенной микрофлорой при смешанной системе основной обработки почвы в севообороте проводили на 14 и 15 годы опыта в посевах озимой ржи и овса.

Под озимой рожью чередование обработок в севообороте по сравнению с бессменным дискованием привело к активизации микрофлоры слоя 10-20 см и в целом биологическая активность пахотного слоя (0-20 см) при этой обработке и при вспашке была близкой. Под следующей культурой овсом аналогичное наблюдалось в пахотном слое (табл.3). В слое почвы 20-30 см сочетание двух обработок в севообороте уже повысило численность и активность почвенной микрофлоры по сравнению с поверхностной обработкой, но уступало вспашке по численности бактерий на КАА, нитрификационной способности и каталазной активности.

Полученные данные позволяют считать, что в зернотравяном севообороте целесообразно применять чередование вспашки с мелкой поверхностной обработкой, что является экономически выгодным приемом основной обработки и углубляет биологически активный слой почвы.

18.0

0.0 J-

V VII1981 V VII1982 Vil 1983 IV VIII 1984 VI 1986 VII 1987 ' VI VIII 1988

......ежегодная вспашка 0-10 -ежегодная вспашка 10-20

---ежегодная вспашка 20-30 ----поверхностное дискование (бессменно) 0-10

-----поверхностное дискование (бессменно) 10-20 -поверхностное дискование (бессменно) 20-30

Рис. 2;; Динамика количества бактерий, использующих азоторганические соединения, в зависимости от способа основной обработки почвы

80

70 -■

3 60■■ 0 т о

с 50-«

о

£ 40 --í

Ъ 30-

о

ю •• о -

V VII1981 V vm 1982 Vil 1983 IV VIII 1984 VI 1986 VH 1987 VI VIH 1988

......ежегодная вспашка 0-10 --ежегодная вспашка 10-20

---ежегодная вспашка 20-30 ----поверхностная (бессменно) 0-10

-----поверхностная (бессменно) 10-20 -поверхностная (бессменно) 20-30

Рис. 3 '. Динамика численности микроскопических грибков в зависимости от способа основной обработки почвы

160.0 140.0 120.0

а

§ юо.о

о с

J2 80.0

и S

о 60.0

40.0

0.0

V vn 1981

V VI11982

VII 1983 IV VIII1984 VI 1986 VII 1987 VI VIII 1988

......бессменное поверхностное дискование на МО см 0-10 -бессменное поверхностное дисхование на 8-10 см 10-20

---бессменное поверхностное дискование на 8-10 см 20-30 ----ежегодная вспашка на 20-22 см 0-10

----ежегодная вспашка на 20-22 см 10-20 -ежегодная вспашка на 20-22 см 20-30

Рис. 4.. Динамика "дыхания почвы" в зависимости от способа основной обработки почвы

700.0 600.0 500.0 - -400.0 ЗОО.О - ■

О

Z 200.0

100.0 0.0

3

500.0 -

400.0 -

300.0 -

S

200.0 ■

100.0 -

0.0 -

V VII 1981 V VII 1982 VII 1983 IV VIII 1984 VI 1986 VII1987 VI VIII1988

• ---бессменное поверхностное дискование на 8-10 см 0-10 -бессменное поверхностное дискование на 8-10 см IO-20

— бессменное поверхностное дискование на 8-10 см 20-30 ----ежегодная вспашка на 20-22 см 0-10

---ежегодная вспашка па 20-22 см 10-20 -ежегодная вспашка на 20-22 см 20-30

Рис. 5.. Нитрификационной способности (А) и уреазной активности (Б) в зависимости-от способа основной обработки почвы

Таблица 3

Влияние способов основной обработки почвы на биологическую активность почвы (15-й год опыта, овес)

Способ основной обработки почвы Численность микроорганизмов (тыс/г) Биохимическая активность почвы

наКАА актино-мицеты грибы выделение СОг, мг/кг нитрифи-кацион-ная способность, N-N03 мг/кг уреазная активность К-ЫН4, мг/кг каталаз-ная активность, мл Ог из 1г.п. за 1 мин

Слой 0-10 см

В2о 44194 421 23,3 118 621 295 1,36

П8 49339 593 28,5 134 766 348 1,26

Вго+Ш 41169 558 33,3 127 750 325 1,45

Слой 10-20 см

Вго 26566 544 37,9 105 471 209 1,43

Ш 19545 510 12,2 108 416 276 0,37

Вго+Пв 26783 631 26,5 106 285 237 1,0

Слой 20-30 см

Вго 17936 279 21,0 110 443 221 1,11

Ш 8158 356 17,2 95 111 123 0,03

Вго+Ш 13822 410 17,7 100 311 204 0,50

Условные обозначения-.

Вго - вспашка на 20-22 см

Ш - ПОВЕРХНОСТНОЕ ДИСКОВАНИЕ НА 8-10 СМ

Вго+Ш-чередование вспашки на 20-22 см и поверхностной обработки на 8-10 см

Влияние способов основной обработки на биологическую активность почвы в зависимости от фона удобрений

В шестилетнем опыте с тремя способами обработки почвы внесение удобрений повысило биологическую активность при вспашке, а также чи-зелевании в обоих случаях на смешанной и минеральной системах удобрений, соответственно на 21 и 30%, 14 и 24% (табл.4). При дисковании биологическая активность почвы при внесении удобрений понижалась, но находилась на уровне биологической активности почвы при вспашке.

Таблица 4

Влияние способов основной обработки на биологическую активность разноудобренных почв

(1-й год опыта, 0-20 см, ячмень)

м U1

Фоны удобрений Способ основной обработки почвы Численность микроорганизмов, тыс/г Выделение СОг, мг/кг Нитрифи-кационная способность N-NOj, мг/кг Фосфатаза, фенолфталеин, мкг/г Катал аза, мл Ог из 1 г.п. за 1 мин. Общая относительная биологическая активность почвы,%

бактерии грибы

на МПА наКАА

Без вспашка 8800 26000 55 109 550 0,63 0,77 100

удобрений дискование 11700 101500 109 137 845 1,17 1.13 191

чизелевание 100001 29700 65 123 925 0,87 1,41 134

Навоз вспашка 5200 30400 55 125 1005 1,00 0,55 115

36 т/га дискование 5550 36900 50 152 1005 1,36 1,06 139

чизелевание 6900 33700 88 142 925 1,00 1,09 138

Навоз вспашка 8000 30600 57 119 950 0,82 0,69 121

36 т/га+ дискование 7800 35700 42 143 975 1,46 1,03 139

№оРзбоКзбо чизелевание 11400 35700 81 140 925 0,98 1,03 148

№5Р|2Кбо вспашка 5800 28800 60 128 950 1,22 1,10 130

дискование 4500 30600 53 130 1005 1,05 1,34 130

чизелевание 12900 33850 85 131 975 1,02 1,64 158

Таблица5

Влияние последействия способов основной обработки на биохимическую активность разноудобренных почв (б-й год опыта, 0-20 см)

Выделение Каталаза, Инвертаза Нитрифика- Общая от-

Варианты СОг, мг/кг Ог, см3/г за мг сахара ционная носитель-

опыта 1 мин в 1 г способность ная биоло-

почвы N-N03, гическая

мг/кг активность

почвы, %

Без удобрений (контроль)

Вспашка 152 1,12 50 483 100

Дискование 137 1,02 47 974 119

Чизелевание 162 1,10 60 573 111

Навоз 36 т/га

Вспашка 156 1,04 62 723 118

Дискование 170 1,06 45 868 119

Чизелевание 167 0,98 69 690 120

Навоз 36 т/га + КзоРбоКбо

Вспашка 142 0,69 50 588 94

Дискование 156 0,99 45 867 115

Чизелевание 150 0,82 38 585 92

Навоз 36 т/га + №оРзбоКзбо

Вспашка 138 0,83 42 444 85

Дискование 133 1,08 38 791 106

Чизелевание 158 0,71 52 741 106

ШР.гКбо

Вспашка 132 1,06 57 435 97

Дискование 160 2,02 55 1297 166

Чизелевание 176 1,14 55 613 109

На шестой год опыта (заключительный год ротации севооборота) под люпином наиболее значительно, на 66%, возросла биологическая ак-

тивность по сравнению с контролем (вспашка на не удобренном фоне) в случае с дискованием при минеральной системе удобрений (двукратное внесение за ротацию в минимальных дозах). При этом активность катала-зы возросла в 1,8 и нитрификационной способности в 2,7 раза (табл.5). Несколько повышалась биологическая активность также после чизелева-ния, вспашки и дискования при органической системе удобрений и при дисковании на неудобренном фоне.

Таким образом, микробиологические наблюдения в полевом опыте по сочетанию обработок и удобрений установили, что удобрения при чи-зелевании и при вспашке оказывают позитивное действие на микрофлору преимущественно в начале 6-летней ротации севооборота. К концу ротации севооборота при всех обработках проявлялось положительное действие на микробоценоз органической системы удобрений, а при дисковании и минеральной с небольшой дозой ЫРК. Большие дозы РК, вносимые в запас при всех обработках отрицательно влияли на почвенный микробоценоз.

Изменение численности и активности почвенного микробоценоза при ярусной вспашке

Одной из задач повышения плодородия дерново-подзолистых почв является увеличение мощности окультуренного слоя почвы. Перспективной при этом может быть послойная заделка органических удобрений двухъярусным плугом, при которой происходит углубление пахотного слоя до 27-30 см и размещение 80% внесенных . удобрений ниже 20-сантиметрового слоя почвы. Микробиологические 8-летние данные были получены в многолетнем полевом опыте, в котором перед первой и второй ротациями шестипольного севооборота проводили послойную заделку навоза двухъярусным плугом (опыт 4).

На пятый год после двухъярусной вспашки, как показали 3-летние наблюдения, биологическая активность почвы, как и в предыдущие годы, была выше после двухъярусной вспашки (рис.6-8). Положительное действие двухъярусной вспашки зависит от фона и слоя почвы. В верхнем исследуемом слое 24-30 см наиболее эффективна эта обработка была в конт ном варианте. Однако общая биологическая активность была относительно выше при обоих обработках на фоне навоза с известью, которые несколько выравнивали в этом слое действие обработок. Наиболее определенно это проявлялось в отношении нитрификационной способности и

сг>

137 146

Бактерии на МПА

Бактерии паКАА

Актино-мицеты

Грибы

СО,

Нитрифика-

ционная способность

Уреаза

Фосфа-таза

1 2 3

Оценка показателей биологической активности почвы

0 вспашка обычная □ вспашка двухъярусная

Фоны: 1- контроль, 2 - навоз, 3 - навоз известь Рис. 6. Влияние способа заделки органических удобрений через пять лет после внесения в почву на относительный

уровень биологической активности слоя 24-38 см

V VII1981 VI1981 V VIII1982 VI 1983 VI 1984 VI 1984

......бактерии на МПА вспашка обычная 24-30 -бактерии на МПЛ вспашка обычная 32-38

---бактерии на МПА вспашка ярусная 24-30 ' ----бактерии на МПА вспашка ярусная 32-38

----бактерии на КАА вспашка обычная 24-30 -бактерии на КАА вспашка обычная 32-38

- - - бактерии на КАА вспашка ярусная 24-30 — - бактерии на КАА вспашка ярусная 32-38

Рис.7 . Динамика активности бактерий, использующих азот органических (на МПА) и минеральных соединений (на КАА) в подпахотных слоях почвы в зависимости от способа ее основной обработки при внесении навоза

1000.0

1 900.0 § 800.0 ь. 700.0 § 600.0 £ 500.0

400.0 Я 300.0 200.0

2 100.0

0.0

140.0

ь 120.0

100.0

г

80.0

О 60.0

о

* 40.0

20.0

0.0

-вспашка обычная 24-30

VI 1981 V VIII 1982 VI 1983 VI 1984 VI1984

-вспашка обычная 32-38 ---вспашка ярусная 24-30 ----вспашка ярусная. 32-38

Рис. 8 . Изменение динамики "дыхания почвы" и нитрификационной способности при разных способах основной

обработки почвы при внесении навоза

фосфатазной активности. В слое 32-38 см влияние двухъярусной вспашки на биологическую активность проявлялось преимущественно на фоне навоза и особенно навоза с известью. Микробиологические наблюдения 5-летнего периода после различных обработок не выявили различий в пахотном слое (0-20 см), но обнаружили позитивное влияние двухъярусной вспашки в слоях почвы, не затрагиваемых при обычной вспашке. Причем навоз в начале этого периода усиливал наблюдаемое влияние, а в конце -сближал действие обоих обработок в слое 24-30 см. В последующие 3 года были получены аналогичные данные. При заделке навоза двухъярусным плугом продуктивность севооборота увеличилась на 18,2%, а обычным плугом - на 11,1% по отношению к контролю (без навоза).

После повторного внесения навоза и его ярусной заделки, нижний, исследуемый ранее, микробиологически менее активный слой 24-30 см оказывается рассеянным в пахотном слое 0-20 см. В верхней его части на следующий год уменьшались темпы разложения свежего органического вещества, о чем свидетельствовали относительное уменьшение численности микроорганизмов, потребляющих минеральный азот, нитрифика-торов, актиномицетов, устойчивое сужение соотношения нитрификаци-онной способности и уреазной активности. Более низкий уровень минера-лизационных процессов в пахотном слое после двухъярусной вспашки по сравнению с обычной вспашкой наблюдался и в последующие два года. Так, на третий год соотношение нитрификационная способность/уреазная активность при обычной вспашке составило 1,55 и при двухъярусной -0,54. Это также указывает, что при послойной заделке навоза процесс нитрификации и денитрификации, с которым связаны возможные потери азота, менее интенсивны, чем при равномерном размещении его в пахотном слое при обычной вспашке.

В слое почвы 18-27 см на второй год навоз при двухъярусной вспашке способствовал увеличению численности сапрофитной микрофлоры (аммонификаторов, маслянокислых клостридий), уреазной и инвертазной активности почвы, не изменяя существенно численности бактерий, ассимилирующих минеральный азот, олигонитрофилов, актиномицетов и нитрификационной способности почвы (рис.9, 10). Коэффициент минерализации и иммобилизации, по Е.Н.Мишустину, в мае, июне, июле при двухъярусной вспашке составил 3,3; 2,0; 2,6 и при обычной вспашке - 4,4; 2,7; 3,3. Изменения в структуре и функциях микробоценоза свидетельствовали о некотором замедлении темпов минерализационных процессов и активизации начальных стадий разложения азотсодержащего органиче-

Бактерии, использующие азот Органических соединений

сУг абс.сухой

почвы 15000 --

13000 11000 -9000 -■ 7000 -• 5000 3000

0-18

Бактерии, использующие азот минеральных соединений тысУг абс.сухой

почвы 40000

Олигонитро-филы

18-27 30000

Маслянокнслые бактерии

тыс./г абс.сухой почвы

50 т

Актшгомицеты

тысУг абс.сухой почвы

П2-Х ярусная вспашка

Рис. д Численность микроорганизмов в дерново-подзолистой почве под ячменем при разных способах внесения органических удобрений (средние данные за вегетационный период)

Нитрификационная способность почвы (N-N03)

мг/кг 800 700 600 500 400 300 200 100 О

п

Урезанная активность (И-Ш,)

Инвертаза

0-18 Ш.

18-27

ш

мг сахара в 5 г почвы

160 150 140 -130 120 110 100-• 90

□ Обычная вспашка 02-х ярусная вспашка

Рис. ЮБиохимическая активность дерново-подзолистой почвы под ячменем при разных способах внесения органических удобрений (средние данные за вегетационный период)

ского вещества почвы, а также сокращении потерь азота вымыванием и денитрификацией.

Результаты проведенных наблюдений свидетельствуют о возможности регулирования микробиологических процессов в почве путем изменения экологической обстановки для почвенной биоты способами обработки почвы.

Влияние способов обработки почвы на азотфиксирующий потенциал свободноживущих диазотрофов

АзотФиксируюшая способность дерново-подзолистой почвы при ее поверхностной обработке . Проведенные наблюдения выявили дифференциацию почвенного слоя по его способности фиксировать азот атмосферы свободноживущими диазотрофами. В результате поверхностной обработки почвы под две последующие культуры севооборота (озимая пшеница и ячмень) лучшие условия для несимбиотической азотфиксации и жизнедеятельности изучаемых анаэробных азотфиксаторов создавались в слое 0-20 см при дисковании (рис.11), причем в слое 0-10 см это более определенно наблюдалось в весенний период. В верхней части подпахотного слоя активность азотфиксации была выше при обычной вспашке почвы на глубину 20-22 см.

Азотфиксируюшая активность дерново-подзолистой почвы при обработке двухъярусным плугом. Нитрогеназная активность изучалась в динамике в первые три года после повторной двухъярусной вспашки, проводимой на фонах без органических удобрений и с внесением 100 т/га навоза. Контрольным вариантом служила обычная вспашка. Исследовали слой почвы 0-10,0-18 и 18-27 см.

Как показало проведенное наблюдение, повторное применение в качестве основной обработки почвы двухъярусной вспашки (без внесения органических удобрений) приводит к снижению азотфиксирующей способности пахотного слоя почвы и слоя 18-27 см, которое наблюдалось в течение трех последующих лет (рис.12).

Последействие первичной обработки почвы двухъярусным плугом отрицательно сказалось на нитрогеназной активности и на двенадцатый год опыта.

Процесс фиксации атмосферного азота свободноживущими диазотрофами при внесении органических удобрений зависел от способа основной обработки почвы. Наилучшие условия для протекания этого

Нитрогецазная активность

Маслянокислые бактерии

нМС, тыс./г

Рис.Ц Нитрогеназная активность и численность анаэробных диазотрофов в зависимости от основной обработки почвы (ячмень с подсевом клевера, средние данные за вегетацию)

нМС2Н4

1500 --

0-18 18-27 нМС2Н,

на 2-й год

1000 -

500

.. 0-18

I

1500

_1ЩП_ о

500 --

на 3-й год

0-18

0-18

нМС,114

1500 -

1000 -

500

на 12-й год

0 вспашка обычная Ш вспашка ярусная

18-27

б а б

а - контроль без навоза, б - навоз 100 т/га

Рис.12 Азотфиксирующая способность дерново-подзолистой почвы при разных способах заделки

органических удобрений

а

процесса складывались при внесении 100 т/га навоза под обычную вспашку (рис.12). В пахотном слое почвы активность нитрогеназы была в сотни раз выше, чем на контрольном варианте (в среднем за вегетацию ячменя она составила 1528 нМ С2Н4, на контрольном варианте - 397). В слое 1827 см увеличение активности нитрогеназы также было существенным (1597 нМ С2Н4 против 197 нМ С2Н4 на варианте без навоза). Под овсом на третий год опыта - 599 и 146 нМ С2Н4 соответственно.

Иные условия для азотфиксации складывались при заделке навоза двухъярусным плугом. Навоз способствовал активному развитию анаэробной азотфиксирующей микрофлоры (особенно в слое почвы 18-27 см) (рис.9). Однако характер изменения численности этих микроорганизмов не совпадал с активностью процесса азотфиксации. Навоз при данном способе обработки приводил к некоторому снижению нитрогеназной активности почвы по сравнению с равнозначно обработанными вариантами без органических удобрений. По сравнению же с обычной вспашкой, он оказывал отрицательное действие на активность нитрогеназы в посевах озимой пшеницы, ячменя и овса с подсевом трав, т.е. на 1, П и Ш годы опыта (рис.12).

Таким образом, потенциальные возможности почвы к несимбиотической азотфиксации при послойном внесении навоза значительно большие, чем при обычной вспашке. Однако интенсивность процесса фиксации азота атмосферы почвенными диазотрофами при этом лимитирована ионами аммония, так как при замедлении процессов минерализации азотсодержащего органического вещества почвы при внесении навоза двухъярусным плугом азот присутствует в почве преимущественно в аммиачной форме.

Следовательно, в пределах одного и того же биотопа, при внесении органических удобрений, наблюдаются существенные различия в нитрогеназной активности почвенных диазотрофов, определяемые способами внесения органического вещества. Сложившиеся условия при послойном внесении навоза, хотя и способствовали увеличению численности азот-фиксаторов, однако суммарное количество фиксированного молекулярного азота в почве при этом существенно снижалось.

Вегетационный опыт подтвердил результаты полевых исследований: навоз, внесенный послойно, затормаживал процесс фиксации азота атмосферы свободноживущими диазотрофами в том слое почвы, в который он был внесен.

\

Изучение динамики нитрогеназной активности накопительными культурами анаэробных фиксаторов азота свидетельствует о больших потенциальных возможностях к фиксации азота воздуха почвенными диазо-трофами при послойном внесении навоза и о подавлении при этом у них активности нитрогеназы.

Несмотря на то, что при послойном внесении навоза имело место определенное снижение связывания азота атмосферы азотфиксирующими микроорганизмами, дефицита азота в почве не создавалось, о чем свидетельствует более высокая урожайность ячменя на этих вариантах (табл.7).

Таблица 7

Влияние способа основной обработки почвы на продуктивность ячменя (вегетационный опыт)

Варианты Продуктивность растений, г/сосуд

опыта солома зерно

среднее из 3-х в % от среднее из 3-х в % от

повторений контроля повторений контроля

Обычная вспашка на 20-22 см

Без органических удобрений 20,1 100 7,7 100

Навоз 100 т/га 19.5 97 8,0 103

Двухъярусная вспашка на 27 см

Без органических удобрений 20,5 102 8,4 109

Навоз 100 т/га 25,1 125 9.7 126

Таким образом, результаты проведенного опыта показали, что азот-фиксирующий генофонд подпахотного горизонта при послойном внесении органических удобрений достаточно богат, но интенсивность процесса азотфиксации в этом слое лимитирована депрессией нитрогеназы накапливающимся азотом в форме 1ЧНз при минерализации концентрированной массой органического вещества.

Наиболее высокая урожайность ячменя получена по двухъярусной вспашке.

ВЫВОДЫ

1. Проведенные исследования дают нам основание считать, что различные способы основной обработки дерново-подзолистой почвы обус-

лавливают и различные, характерные для каждого вида обработки особенности структуры и активности микробоценоза почвы.

2. Установлено, что поверхностная безотвальная обработка на глубину 8-10 см, повторяющаяся ежегодно в качестве основной обработки под все культуры севооборота (кроме клевера), усиливает дифференциацию слоев микробиологического профиля почвы и приводит к концу второй ротации зерно-травяного севооборота, к некоторому повышению биологической активности верхнего слоя пахотного горизонта (преимущественно за счет активизации актиномицетов, инвертазы, уре-азы, выделения почвой СОг) и понижению численности и активности микробоценоза верхнего слоя подпахотного горизонта.

3. Выявлено, что микробиологическая активность 30-сантиметрового слоя почвы при комбинированной системе обработки почвы (чередование в севообороте дискования и вспашки) выше, чем при бессменном дисковании, но несколько ниже в верхней части подпахотного горизонта при обычной вспашке. Эта система обработки почвы способствует борьбе с сорняками и рациональна при заделке органических удобрений.

4. Показано, что различные обработки почвы (вспашка, чизелевание, дискование), проводимые в начале шестипольного севооборота, к концу ротации повышают биологическую активность почвы при органической системе удобрений, однако дискование повышает биологическую активность не только при органической системе, но и при минеральной (небольшая доза ЫРК, вносимая дважды за ротацию), а также в смешанных системах удобрений.

Удобрения увеличивают дифференциацию профиля почвы (0-50 см) по биологической активности.

5. После двухъярусной вспашки биологическая активность слоев почвы 24-30 и 32-38 см в первый год после обработки резко возрастает, в последующем различия с биологической активностью соответствующих слоев при этой обработке снижаются, но по отдельным показателям сохраняются и через 7-9 лет. На фоне навоза и извести в первые годы эффективность двухъярусной вспашки повышается, но в дальнейшем они нивелируют действие обработки и преимущество двухъярусной обработки более определенно проявляется на неудобренной почве.

6. Установлено, что повторная двухъярусная обработка во второй ротации севооборота на унавоженном фоне повышает биологическую активность всего исследуемого пахотного и подпахотного слоя, что свиде-

тельствует о возможности применения этого приема для увеличения глубины микробиологически активного слоя почвы. В нижнем обрабатываемом слое, где размещена основная масса навоза, изменение структуры микробоценоза и хода биохимических процессов указывает на замедление темпов минерализации азотсодержащего органического вещества и концентрации азота преимущественно в аммиачной форме. Этим сокращаются потери азота и в целом обеспечивается более эффективное использование органических удобрений в повышении окультуренности почвы.

7. Выявлено, что способы основной обработки почвы оказывают существенное влияние на азотфиксирующую способность свободноживущих диазотрофов. Активность нитрогеназы в пахотном слое почвы, особенно в нижней его половине, выше при дисковании, чем при вспашке, а в верхней части подпахотного горизонта - при вспашке.

8. Определено, что распределение в почве органических удобрений при обычной вспашке более благоприятно для процесса азотфиксации, чем при двухъярусной обработке. Послойное размещение органических удобрений при двухъярусной обработке, приводящее к замедлению темпов минерализации органического вещества и накоплению аммиачного азота, оказывает негативное влияние на активность нитрогеназы.

РЕКОМЕНДАЦИИ ПРОИЗВОДСТВУ

1. В качестве основной обработки дерново-подзолистых почв Центрального региона Нечерноземной зоны целесообразно использовать комбинированную систему (чередование в зернотравяном севообороте дискования и вспашки), повышающую микробиологический потенциал 30-сантиметрового слоя почвы и способствующей борьбе с сорной растительностью и обеспечивающую рациональную заделку органических удобрений.

2. Для углубления биологически активного пахотного слоя следует применять в начале каждой ротации севооборота двухъярусную обработку, наиболее эффективную в сочетании с органическими удобрениями. При этом в нижнем обрабатываемом слое изменение структуры микробоценоза свидетельствует о более рациональном использовании азотного фонда почвы.

Список опубликованных работ по теме диссертации

1. Миненко А.К., Назарова Т.О. Несимбиотическая азотфиксация дерново-подзолистой почвы в зависимости от основных агротехнических приемов // Докл-ВАСХНИЛ. - 1988. - № 3. - С. 18-20.

2. Назарова Т.О. Азотфиксирующая способность дерново-подзолистой почвы в условиях интенсивного земледелия // Рукопись деп. в ВНИИТЭИагропром, 1987.

3. Миненко А.К., Назарова Т.О. Влияние некоторых приемов интенсивной технологии возделывания зерновых культур на микробиологическую трансформацию азота в почве // Интенсивные технологии возделывания зерновых культур в Нечерноземной зоне. -М., 1987. - С.90-97.

4. Миненко А.К., Назарова Т.О. Особенности микробиологических процессов в дерново-подзолистой почве после двухкратной послойкой заделки удобрений // Биодинамика почв (Ш Всесоюзн. симпозиум, 25-27 октября 1988 г.).-Таллин, 1988.-С.112.

5. Миненко А.К., Назарова Т.О. Микробиологический профиль дерново-подзолистой почвы при разных способах основной обработки // Тез.докл. научно-практич. конференции. - Пермь, 1988. - С.34.

6. Назарова Т.О. Изменение микробиологической активности дерново-подзолистой почвы после вторичной послойной заделки органических удобрений двухъярусным плугом // Приемы повышения плодородия почв в Центральном районе Нечерноземной зоны. - М., 1989. - С.52-60.

7. Миненко А.К., Назарова Т.О. Состояние микробоценоза дерново-подзолистых почв как показатель степени их окультуренности // Приемы повышения плодородия почв в Центральном районе Нечерноземной зоны. - М., 1989. - С.92-103.

8. Миненко А.К., Назарова Т.О. Особенности биологической активности разноокультуренных дерново-подеолистых почв // Тез. докл. УШ Всесоюзн. съезда почвоведов 14-18 августа 1989 г. - Новосибирск, 1989. -Кн.1У.-С.311.

9. Назарова Т.О. Влияние минеральных удобрений при различных способах основной обработки на микробиологическую активность дерново-подзолистой почвы // Агрофон и агротехника / РАСХН. НИИСХ Центр.р-нов Нечернозем, зоны. - М., 1992. - С.50-56.

10. Благовещенский Г.В., Штырхунов В.Д., Миненко А.К., Назарова Т.О. Ресурсосберегающие системы производства кормов // Кормопроизводство. -1996. -№ 1. -С.14-16.