Russian Federation
Russian Federation
The objective of the study is to evaluate the heterogeneity of the compared soil layers in terms of the content of microbial biomass nitrogen under conditions of nonplow techniques of processing agrochernozems. The studies were conducted in the Krasnoyarsk Natural District based on a production experiment conducted on the land plots of the Shilinskoye agricultural production cooperative in the Sukhobuzimo District (56°37' N, 93°12' E). The soil of the experimental plot was leached high-humus medium-deep light clayey chernozem on red-brown clay. The experimental design included the following options (processing methods): 1. Zero. 2. Minimum. 3. Moldboard (st). The content of microbial biomass nitrogen (Nm.b.) was determined by the rehydration-extraction method. Differentiation of the studied soil layers by the value of nitrogen immobilization by microbial biomass was statistically significant in 67 % of cases and was more often observed in the first half of the vegetation seasons. It was found that hydrothermal conditions have a significant effect on the process of nitrogen fixation by microbial plasma. When using nonplow techniques of cultivation, the "temperature" factor was the most significant. In the 0–5 cm layer, when using surface disking, an increase in temperature was accompanied by remineralization of microbial nitrogen (r = –0.81...–0.97), and under no-till conditions – by its immobilization (r = 0.91...–0.96). Despite the relative homogeneity of the 0–20 cm layer during moldboard plowing, significant differentiation was found, which also indicated a significant role of abiotic factors in the assimilation of nitrogen by microorganisms. In general, the values of assimilated nitrogen by the microbial biomass of the studied agrochernozem indicate its significant reserves, which play an important agronomic role in the nutrition of agricultural crops.
nonplow techniques of cultivation, differentiation of soil layers, microbial biomass nitrogen, immobilization
Введение. Многочисленные исследования [1–3] указывают на различную биогенность и разнокачественность частей пахотного слоя по плодородию. Условия в поверхностном слое почвы (0–10 см) по многим параметрам представляются менее пригодными для функционирования микроорганизмов и произрастания корневых систем растений. Здесь отмечаются наиболее изменчивые температурный и водный режимы, циклы процессов увлажнения и высушивания, значительные температурные флуктуации и градиенты [4–7]. Таким образом, изучение проблемы дифференциации пахотного слоя по свойствам почвы имеет важное научное и практическое значение, поскольку становится теоретической основой рекомендаций по обработке почвы в целом.
Представляя собою «живой» фонд биогенных элементов, биомасса микроорганизмов накапливает значительное количество азота (более 110 кг/га) [8]. По данным С.А. Благодатского (2012), до 25 % неорганического азота может быть иммобилизировано в клетках микроорганизмов и какое-то время находиться в недоступном для питания растений состоянии. В связи с этим важно понимать, как повлияет переход на бесплужные технологии обработки на процессы иммобилизации азота и какие причинно-следственные связи возможны между технологиями обработки, содержанием минеральных соединений азота и азотом микробной биомассы. Азот микробной биомассы (Nмб), в отличие от нитратной и аммонийной формы, практически недоступен для корней растений, но может являться ближайшим резервом в азотном питании и потому существенно сказывается на продуктивности культур [9, 10]. В условиях земледельческой зоны Красноярского края подобные исследования единичны [11–13].
Цель исследований – оценить разнокачественность сравниваемых слоев почвы по содержанию азота микробной биомассы в условиях применения бесплужных способов обработки агрочерноземов.
Объекты и методы. Исследования были проведены в 2013–2015 гг. в СПК «Шилинское» Красноярской лесостепи Красноярского геоморфологического округа (56° с.ш., 93° в.д.) в условиях длительного опыта, заложенного в 2005 г. В пределах производственных участков были выделены реперные делянки площадью 500 м2. С каждого из них трижды за вегетационный сезон отбирали почвенные образцы из
слоев 0–5 и 5–20 см. Объем выборки составил 15 индивидуальных проб, рассчитан исходя из величины пространственного варьирования почвенного плодородия.
Почва опытного массива – чернозем выщелоченный многогумусный среднемощный легкоглинистый на красно-бурой глине. Исследуемая почва характеризовалась высоким содержанием гумуса (8,9 %), величиной рН, близкой к нейтральной (pHH2O = 6,8), высокими значениями суммы обменных оснований (60 ммоль 100 г почвы) и степени насыщенности основаниями (99 % от емкости катионного обмена). Рельеф участка относительно выровнен с небольшим (1–2°) уклоном, экспозиция – восточная. Химические и физико-химические показатели получены по общепринятым прописям современных методов [14]. Содержание азота микробной биомассы (Nм.б.) определяли методом регидратации-экстракции [8]. Для этого пробы почвы (сухой вес – 10 г) делили на две части: 1) контрольную почву, из которой проводилась экстракция растворимых соединений азота в день начала операции высушивания; 2) почву для проведения процедуры высушивания-регидратации. Эту почву помещали в открытых стеклянных емкостях в термостат и высушивали в течение 24 ч при температуре 65–70 °С. В качестве экстрагирующего использовали раствор 0,5 М K2SO4. Азот микробной биомассы рассчитывали по формуле: Nмб = (е-ек)/kN. Пересчетный коэффициент kN определяли по методике [8]. Статистический анализ данных проводили с использованием пакета программ MS Excel.
Влияние способов обработки почвы на содержание азота микробной биомассы исследовали в зернопаровом звене севооборота со следующим чередованием культур: химический пар (обработка баковой смесью из гербицидов «Топик» и «Ковбой», фунгицида «Альто Супер» и инсектицида «Карате»), яровая пшеница, яровая пшеница, овес. Схема опыта состояла из следующих вариантов опыта (способов обработки): 1 – отвальной, 2 – минимальной (поверхностное дискование), 3 – нулевой обработки. Отвальная обработка состояла из зяблевой вспашки на глубину 20–22 см и весенней культивации. Посев зерновых культур в 2013–2015 гг. проводили комбинированным агрегатом – стерневой сеялкой СС-6 с одновременным припосевным внесением нитроаммофоски (25 кг. д.в. /га). Минимальную обработку почвы осуществляли с помощью посевного комплекса СКС-3,2. Дисковыми горизонтальными сошниками посевного комплекса проводили обработку почвы на глубину 4–5 см, посев яровой пшеницы (2013–2014 гг.) и овса (2015 г.) с одновременным внесением нитроаммофоски (25 кг. д.в. /га). Средние многолетние значения (норму), согласно техническому регламенту Всемирной метеорологической организации (ВМО), учитывали за 30-летний период (1981–2010 гг.). Агрометеорологические условия за период наблюдений 2013–2014 гг. свидетельствуют о соответствии среднемесячных температур норме только во второй половине вегетационного сезона. В мае температура была значительно ниже нормы, а в июне превышала ее. Количество выпавших осадков на протяжении всего периода наблюдений превышало норму (табл. 1).
Таблица 1
Основные метеорологические показатели вегетационных сезонов
|
Год |
Месяц |
Сумма за период ∑t > 10 °С |
||||
|
Май |
Июнь |
Июль |
Август |
Сентябрь |
||
|
Средняя температура воздуха, °С |
||||||
|
2013 |
7,2 |
15,0 |
18,6 |
16,5 |
6,5 |
1537 |
|
2014 |
6,8 |
16,0 |
19,2 |
15,9 |
6,5 |
1568 |
|
2015 |
10,9 |
17,0 |
19,9 |
16,5 |
7,9 |
1638 |
|
Норма (1981–2010 гг.) |
9,5 |
17,5 |
19,1 |
16,4 |
8,9 |
1809 |
|
Осадки, мм |
||||||
|
2013 |
103,8 |
60,2 |
50,5 |
93,9 |
58,7 |
367 |
|
2014 |
53,5 |
50,4 |
89,4 |
74,9 |
32,4 |
300 |
|
2015 |
30,9 |
32,6 |
68,5 |
62,9 |
75,4 |
270 |
|
Норма (1981–2010 гг.) |
40 |
52 |
69 |
81 |
39 |
216 |
|
ГТК |
||||||
|
2013 |
4,6 |
1,3 |
0,9 |
1,8 |
3,0 |
2,3 |
|
2014 |
2,5 |
1,0 |
1,5 |
1,5 |
1,6 |
1,9 |
|
2015 |
0,9 |
1,0 |
1,2 |
1,6 |
2,8 |
1,3 |
|
Норма (1981–2010 гг.) |
1,3 |
1,0 |
1,2 |
1,6 |
1,4 |
1,3 |
Погодные условия вегетационного периода 2015 г. в целом были более благоприятными для возделывания сельскохозяйственных культур. Отмечалось значительное превышение среднемесячных температур относительно нормы в летние месяцы. Количество выпавших осадков было в пределах средних многолетних значений. Исключение составлял июнь, когда осадков выпало меньше нормы.
Результаты и их обсуждение. Микробная биомасса является одним из важных факторов включения элементов в биологический круговорот. По количеству элементов в составе микробной биомассы можно оценить долю их наиболее метаболически активного пула [15, 16]. В связи с тем, что между содержанием микробного азота и потенциально минерализуемым часто обнаруживается тесная зависимость, принято считать, что запасы микробной биомассы дают представление об азотминерализующей способности почвы. После внедрения бесплужных обработок (7-й год) в начале вегетационного сезона 2013 г. дифференциация слоев почвы по величине ассимиляции азота микробной биомассой была существенной, но противоположной на фоне использования нулевой и минимальной обработок (табл. 2).
Таблица 2
Достоверность различий по содержанию Nмб, мг/кг, в сравниваемых слоях t0,5 = 2,14 (2013 г.)
|
Вариант |
Слой, см |
tф |
Май |
tф |
Июнь |
tф |
Октябрь |
|
1. Отвальная вспашка (st) |
0–5 |
-0,2 |
90,1 |
0,9 |
56,6 |
10,7 |
61,0 |
|
5–20 |
94,0 |
46,6 |
20,4 |
||||
|
2. Минимальная обработка (дискование) |
0–5 |
-2,3* |
94,1 |
–2,3 |
16,3 |
0,7 |
53,7 |
|
5–20 |
169,6 |
41,7 |
48,8 |
||||
|
3. Нулевая |
0–5 |
2,7 |
75,2 |
8,1 |
83,4 |
0,6 |
71,1 |
|
5–20 |
60,2 |
62,2 |
66,1 |
* Здесь и далее: жирным выделены достоверные различия между слоями.
При применении прямого посева иммобилизация азота усиливалась в слое 0–5 см, а при поверхностном дисковании, напротив, в подсеменном слое 5–20 см. Подобная тенденция наблюдалась и в вегетационный сезон 2014 г., когда его начало так же, как и в 2013 г., характеризовалось пониженной теплообеспеченностью и высоким уровнем увлажнения (табл. 3).
Таблица 3
Достоверность различий по содержанию Nмб, мг/кг, в сравниваемых слоях t0,5 = 2,14 (2014 г.)
|
Вариант |
Слой, см |
tф |
Июнь |
tф |
Июль |
tф |
Сентябрь |
|
1.Отвальная вспашка (st) |
0–5 |
–3,8 |
123,8 |
0,7 |
93,4 |
5,2 |
43,4 |
|
5–20 |
150,3 |
88,3 |
32,2 |
||||
|
2. Минимальная обработка (дискование) |
0–5 |
–4,3 |
89,5 |
6,0 |
89,9 |
5,5 |
99,4 |
|
5–20 |
119,1 |
41,8 |
29,1 |
||||
|
3. Нулевая |
0–5 |
2,0 |
60 |
15,1 |
122 |
–0,3 |
21 |
|
5–20 |
53 |
55 |
22 |
Это, вероятно, свидетельствовало о значимом влиянии углеродсодержащих соединений в составе растительных остатков предшествующих культур на процессы перевода минерального азота почвы в белок плазмы в поверхностном надсеменном слое. Тем не менее следует признать, что в прохладные весенние периоды 2013–2014 гг. более высокие значения микробного азота фиксировались не на фоне нулевой технологии, а при использовании отвальной вспашки и поверхностного дискования. По-видимому, одним из ключевых факторов, определившим интенсивность процессов минерализации-иммобилизации азота, являлся гидротермический, согласуясь с ранее полученными нами данными [17] о невысоких значениях минеральных соединений азота в изучаемых вариантах.
Стоит обратить внимание на роль температурных условий как причины, обусловившей противоположные результаты иммобилизации в поверхностном слое на фоне минимальной обработки и нулевой технологии [18]. Так, при дисковании отмечалась сильная обратная зависимость между температурой и накоплением азота в клетках микроорганизмов (r = –0,81…–0,96), тогда как на фоне прямого посева наблюдалась противоположная корреляция (r = 0,91–0,96). О существенном влиянии метеорологических условий на процессы связывания азота микробной биомассой свидетельствуют результаты вегетационного сезона 2015 г. (табл. 4).
Здесь фиксировались сильные зависимости между уровнем увлажнения почвы (табл. 5) и содержанием азота микробной биомассы (r = 0,95) на отвальной вспашке в обоих сравниваемых слоях.
Таблица 4
Достоверность различий по содержанию Nмб, мг/кг, в сравниваемых слоях t0,5 = 2,14 (2015 г.)
|
Вариант |
Слой, см |
tф |
Июнь |
tф |
Июль |
tф |
Сентябрь |
|
1. Отвальная вспашка (st) |
0–5 |
4,4 |
73 |
7,3 |
106 |
4,5 |
101 |
|
5–20 |
57 |
69 |
67 |
||||
|
2. Минимальная обработка (дискование) |
0–5 |
9,5 |
111 |
8,3 |
108 |
1,7 |
188 |
|
5–20 |
68 |
68 |
166 |
||||
|
3. Нулевая |
0–5 |
12,9 |
109 |
3,1 |
71 |
–0,9 |
162 |
|
5–20 |
66 |
54 |
171 |
Таблица 5
Полевая влажность в сравниваемых слоях агрочернозема, %
|
Вариант |
Слой, см |
2013 г. |
2014 г. |
2015 г. |
||||||
|
май |
июнь |
октябрь |
июнь |
июль |
сентябрь |
июнь |
июль |
сентябрь |
||
|
1. Отвальная вспашка (st) |
0-5 |
34 |
34 |
39 |
23 |
30 |
34 |
22 |
26 |
38 |
|
5-20 |
34 |
29 |
41 |
26 |
27 |
33 |
31 |
21 |
36 |
|
|
2. Минимальная обработка |
0-5 |
33 |
37 |
35 |
21 |
30 |
35 |
24 |
27 |
34 |
|
5-20 |
32 |
32 |
32 |
24 |
27 |
32 |
24 |
24 |
29 |
|
|
3. Нулевая |
0-5 |
22 |
28 |
28 |
13 |
27 |
30 |
22 |
23 |
29 |
|
5-20 |
22 |
24 |
25 |
15 |
24 |
26 |
24 |
18 |
23 |
|
На фоне бесплужных рыхлений, напротив, выявлено существенное влияние температуры воздуха (r = –0,97…–0,99). Это указывает на значимую роль микробного азота как ближайшего резерва минерального азота при минимизации обработки почвы и ключевое значение в этом теплообеспеченности. Также важно отметить, что в сезоне 2015 г. статистически значимая дифференциация слоев по уровню связывания азота микробной плазмой фиксировалась во все сроки наблюдений с максимумами в слое 0–5 см. Не менее существенными с агрономических позиций являются более высокие величины иммобилизации азота к окончанию периода активной вегетации 2015 г., указывая на защиту минеральных соединений азота от выщелачивания в период осенних моросящих дождей. Известно, что до 50 % связанного в микробной плазме азота в начале периода вегетации следующего сезона минерализуется, и аммоний с нитратами могут быть ассимилированы культурными растениями.
Заключение
- Дифференциация исследуемых слоев почвы по величине иммобилизации азота микробной биомассой была статистически значимой в 67 % случаев и чаще наблюдалась в первую половину вегетационных сезонов.
- Существенное влияние на процесс связывания азота микробной плазмой оказывают гидротермические условия. При применении бесплужных способов обработки фактор «температура» был наиболее значимым. В 0–5 см слое при использовании поверхностного дискования повышение температуры сопровождалось минерализацией микробного азота, а при нулевой технологии – его иммобилизацией.
1. Danilova A.A. Sochetanie estestvennyh i antropogennyh faktorov v formirovanii svojstv vyschelochennogo chernozema pri pochvoza-schitnoj obrabotke // Agrohimiya. 2013. № 8. S. 45–53.
2. Mantorova G.F., Zajkova L.A. `Effektivnoe plodorodie chastej pahotnogo sloya pochvy // Agrarnaya Rossiya. 2014. № 11. S. 7–10.
3. Trofimova T.A., Korzhov S.I., Maslov V.A. Differenciaciya pahotnogo sloya po plodoro-diyu v zavisimosti ot priemov osnovnoj obra-botki pochvy // Uspehi sovremennoj nauki. 2016. T. 1, № 2. S. 13–14.
4. Polonskaya D.E. Mikrobiologicheskie processy i `effektivnoe plodorodie pochv v agrocenozah Krasnoyarskoj lesostepi: monografiya / Kras¬noyar. gos. agrar. un-t. Krasnoyarsk, 2002. 102 s.
5. Gamzikov G.P. Agrohimiya azota v agroce-nozah / Novosib. gos. agrar. un-t. Novosibirsk, 2013. 790 s.
6. Gamzikov G.P., Sulejmanov S.Z. Azotminerali¬zuyuschaya sposobnost' seroj lesnoj pochvy Novosibirskogo Priob'ya pri kompostirovanii i parovanii rastitel'nyh ostatkov // Pochvovedenie. 2021. № 8. S. 582–591.
7. Sorokina O.A., Bugaeva A.V. Ocenka obespe-chennosti pochv lesostepnoj zony nitratnym azotom po pochvennoj diagnostike // Vestnik KrasGAU. 2023. № 11. S. 155–164.
8. Blagodatskij S.A. Mikrobnaya biomassa i modelirovanie cikla azota v pochve: dis. ... d-ra biol. nauk. Puschino, 2012. 329 s.
9. Nazaryuk V.M., Kalimullina F.R. Rol' azota mikrobnoj biomassy v azotnom pitanii rastenij na pochvah lesostepnoj zony Zapadnoj Sibiri // Agrohimiya. 2017. № 1. S. 3–11.
10. Chernov T.I., Semenov M.V. Upravlenie poch-vennymi mikrobnymi soobschestvami: voz-mozhnosti i perspektivy (obzor) // Pochvo-vedenie. 2021. № 12. S. 1506–1522.
11. Belousov A.A., Belousova E.N., Avetisyan A.T. Ocenka azotmobilizuyuschej sposobnosti chernozema vyschelochennogo pri vozdely-vanii kormovyh trav v Krasnoyarskoj lesoste-pi // Vestnik KrasGAU. 2016. № 9 (120). S. 172–180.
12. Belousov A.A. Reakciya azota i ugleroda mikrobnoj biomassy chernozema vyschelochen¬nogo v usloviyah minimizacii obrabotki // Vestnik KrasGAU. 2017. № 5 (128). S. 156–163.
13. Sorokina O.A. Vliyanie iskusstvennyh drevesno-kustarnikovyh nasazhdenij na biologicheskuyu aktivnost' pochv v stepyah Hakasii // Lesove¬denie. 2023. № 1. S. 77–84.
14. Vorob'eva L.A. Teoriya i praktika himiches-kogo analiza pochv. M.: GEOS, 2006. 400 s.
15. Uglerod i azot mikrobnoj biomassy v pochvah yuzhnoj tajgi pri opredelenii raznymi metoda-mi / M.I. Makarov [i dr.] // Pochvovedenie. 2016. № 6. S. 733–744.
16. Maslov M.N., Maslova O.A., Tokareva O.A. Izmenenie labil'nogo i mikrobnogo pulov ugleroda i azota v lesnoj podstilke pri raznyh sposobah hraneniya obrazcov // Pochvove-denie. 2019. № 7. S. 793–802.
17. Belousov A.A., Belousova E.N. Transforma-ciya azotsoderzhaschih soedinenij chernoze-ma vyschelochennogo v usloviyah minimizacii obrabotki // Vestnik KrasGAU. 2017. № 5 (128). S. 149–156.
18. Nazaryuk V.M., Kalimullina F.R. Rol' azota mikrobnoj biomassy v azotnom pitanii rastenij na pochvah lesostepnoj zony Zapadnoj Sibiri // Agrohimiya. 2017. № 1. S. 3–11.
