Россия
Россия
Цель исследований – оценить разнокачественность сравниваемых слоев почвы по содержанию азота микробной биомассы в условиях применения бесплужных способов обработки агрочерноземов. Исследования проводились в Красноярском природном округе на базе производственного опыта, заложенного на земельных массивах СПК «Шилинское» Сухобузимского района (56°37' с.ш. 93°12' в.д.). Почва опытного участка – чернозем выщелоченный многогумусный среднемощный легкоглинистый на красно-бурой глине. Схема опыта состояла из следующих вариантов (способы обработки): 1. Нулевая. 2. Минимальная. 3. Отвальная (st). Содержание азота микробной биомассы (Nм.б.) определяли методом регидратации-экстракции. Дифференциация исследуемых слоев почвы по величине иммобилизации азота микробной биомассой была статистически значимой в 67 % случаев и чаще наблюдалась в первую половину вегетационных сезонов. Установлено, что 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 реминерализацией микробного азота (r = –0,81…–0,97), а в условиях нулевой технологии – его иммобилизацией (r = 0,91…–0,96). Несмотря на относительную гомогенность 0–20 см слоя при отвальной вспашке, обнаруживалась существенная дифференциация, что также свидетельствовало о значимой роли абиотических факторов в ассимиляции азота микроорганизмами. В целом величины ассимилированного азота микробной биомассой исследуемого агрочернозема указывают на его значимые запасы, выполняющие важную агрономическую роль в питании сельскохозяйственных культур.
бесплужные способы обработки, дифференциация слоев почвы, азот микробной биомассы, иммобилизация
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. Данилова А.А. Сочетание естественных и антропогенных факторов в формировании свойств выщелоченного чернозема при почвозащитной обработке // Агрохимия. 2013. № 8. С. 45–53.
2. Манторова Г.Ф., Зайкова Л.А. Эффективное плодородие частей пахотного слоя почвы // Аграрная Россия. 2014. № 11. С. 7–10.
3. Трофимова Т.А., Коржов С.И., Маслов В.А. Дифференциация пахотного слоя по плодородию в зависимости от приемов основной обработки почвы // Успехи современной науки. 2016. Т. 1, № 2. С. 13–14.
4. Полонская Д.Е. Микробиологические процессы и эффективное плодородие почв в агроценозах Красноярской лесостепи: монография / Краснояр. гос. аграр. ун-т. Красноярск, 2002. 102 с.
5. Гамзиков Г.П. Агрохимия азота в агроценозах / Новосиб. гос. аграр. ун-т. Новосибирск, 2013. 790 с.
6. Гамзиков Г.П., Сулейманов С.З. Азотминерализующая способность серой лесной почвы Новосибирского Приобья при компостировании и паровании растительных остатков // Почвоведение. 2021. № 8. С. 582–591.
7. Сорокина О.А., Бугаева А.В. Оценка обеспеченности почв лесостепной зоны нитратным азотом по почвенной диагностике // Вестник КрасГАУ. 2023. № 11. С. 155–164.
8. Благодатский С.А. Микробная биомасса и моделирование цикла азота в почве: дис. ... д-ра биол. наук. Пущино, 2012. 329 с.
9. Назарюк В.М., Калимуллина Ф.Р. Роль азота микробной биомассы в азотном питании растений на почвах лесостепной зоны Западной Сибири // Агрохимия. 2017. № 1. С. 3–11.
10. Чернов Т.И., Семенов М.В. Управление почвенными микробными сообществами: возможности и перспективы (обзор) // Почвоведение. 2021. № 12. С. 1506–1522.
11. Белоусов А.А., Белоусова Е.Н., Аветисян А.Т. Оценка азотмобилизующей способности чернозема выщелоченного при возделывании кормовых трав в Красноярской лесостепи // Вестник КрасГАУ. 2016. № 9 (120). С. 172–180.
12. Белоусов А.А. Реакция азота и углерода микробной биомассы чернозема выщелоченного в условиях минимизации обработки // Вестник КрасГАУ. 2017. № 5 (128). С. 156–163.
13. Сорокина О.А. Влияние искусственных древесно-кустарниковых насаждений на биологическую активность почв в степях Хакасии // Лесоведение. 2023. № 1. С. 77–84.
14. Воробьева Л.А. Теория и практика химичес-кого анализа почв. M.: ГЕОС, 2006. 400 с.
15. Углерод и азот микробной биомассы в почвах южной тайги при определении разными методами / М.И. Макаров [и др.] // Почвоведение. 2016. № 6. С. 733–744.
16. Маслов М.Н., Маслова О.А., Токарева О.А. Изменение лабильного и микробного пулов углерода и азота в лесной подстилке при разных способах хранения образцов // Почвоведение. 2019. № 7. С. 793–802.
17. Белоусов А.А., Белоусова Е.Н. Трансформация азотсодержащих соединений чернозема выщелоченного в условиях минимизации обработки // Вестник КрасГАУ. 2017. № 5 (128). С. 149–156.
18. Назарюк В.М., Калимуллина Ф.Р. Роль азота микробной биомассы в азотном питании растений на почвах лесостепной зоны Западной Сибири // Агрохимия. 2017. № 1. С. 3–11.
