Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор литературы 6
1.1 Сельскохозяйственное использование черноземов -как фактор почвообразования 6
1.2 Изменение микробиологических характеристик 9
1.3 Изменение гумусного состояния 20
1.4 Изменение физических, физико-химических параметров и режима питания 24
2. Место и методы исследований 33
3. Характеристика места исследований 36
3.1. Характеристика материнских пород 36
3.2. Общие сведения о почвенном покрове 38
3.3. Характеристика климата 39
3.4. Рельеф 40
4. Изменение состава и свойств черноземов солонцеватых 42
4.1. Морфология почв 42
4.2. Физические свойства 54
4.3. Содержание гумуса 59
4.4. Физико-химическая характеристика 63
5. Состояние почвенной микрофлоры 70
5.1. Условия увлажнения и температурный режим в годы исследований 70
5 .2. Динамика численности аммонификаторов 70
5.3. Динамика численности микроорганизмов, использующих минеральные формы азота 87
5.4. Динамика численности микроскопических грибов 97
5.5. Динамика численности целлюлозоразрушающих микроорганизмов 105
5.6. Динамика численности азотфиксаторов 114
6. Продуктивность целины и пашни 123
Выводы 125
Предложения производству 127
Список использованной литературы 128
Приложения 151
- Изменение физических, физико-химических параметров и режима питания
- Общие сведения о почвенном покрове
- Физико-химическая характеристика
- Динамика численности микроорганизмов, использующих минеральные формы азота
Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Солонцеватые черноземы занимают в крае около 450 тыс. га. Находясь между Кавказским хребтом и Ставропольской возвышенностью в Андроповском и, частично, в Минераловодском и Кочубеевском районах. Характеризуются, как правило, неблагоприятными физическими и водно-физическими свойствами, среди которых особенно выделяются тяжелый гранулометрический состав, высокая плотность, низкая пористость, отсутствие структуры. В то же время эти почвы, образованные на элювии майкопских глин, обладают богатым минералогическим и химическим составом. Это позволяет получать хороший урожай естественных трав.
К недостаткам этих почв еще можно отнести и очень сложный рельеф, на котором они сформированы. Он характеризуется совокупностью складок антиклиналей и синклиналей, расположенных параллельно Кавказскому хребту. В зоне синклиналей находится ветровой коридор. Таким образом, почвы эти находятся под влиянием либо водной, либо ветровой эрозии. Вовлечение их в сельскохозяйственное производство влечет за собой изменение в их составе и свойствах. Естественные экосистемы, в отличие от агроэкоси-стем, характеризуются упорядоченностью биогеохимических связей, в которых прирост, опад, минерализация органического вещества и трансформация минеральной части являются звеньями одной цепи. Вся продукция агроцено-за отчуждается вместе с урожаем, а вместе с ней отчуждается и полный набор элементов питания необходимый для построения растений. В этих условиях нет пополнения запасов элементов питания из органического опада, который отсутствует на пашне. Растения и сопутствующие им микроорганизмы вынуждены добывать элементы питания, разрушая почвенные минералы. Основной разрушающей силой выступает протон НҐ в форме иона оксония, продуцируемый растением, а так же минеральные и органические кислоты вырабатываемые микроорганизмами.
Цель и задачи. Целью наших исследований было изучение изменений ф основных параметров состава, свойств и микробиологической характеристи- ки солонцеватого чернозема при вовлечении его в сельскохозяйственное производство.
В задачу исследований входило: изучить морфологические изменения почвенных профилей между целиной и пашней по различным элементам рельефа; определить физические и физико-химические показатели по почвенному профилю; изучить изменения в содержании гумуса; определить изменения в общем количестве и родовом составе микроорганизмов следующих физиологических групп: аммонификаторов; микроорганизмов, использующих минеральные формы азота; микроскопических грибов; целлюлозоразрушающих микроорганизмов; аэробных и анаэробных азотфиксаторов; - определить продуктивность целины и пашни.
В наших исследованиях особое внимание было уделено изучению состава микробного ценоза почв. Необходимость этого продиктована тем, что
0 почвообразовательный процесс - это процесс взаимодействия между живой и косной материями. Косной материей выступают почвенные минералы, а живой - корни растений и микроорганизмы. Без изучения почвенных микроорганизмов невозможно судить о направленности почвообразования.
Научная новизна. Впервые проведены комплексные полевые и лабораторные исследования солонцеватого чернозема на целине и пашне и по раз-
Ш1 личным элементам рельефа. Проведен анализ его состава и свойств. Дана подробная микробиологическая характеристика объекта исследований и выявлена общая направленность деградации почв при сельскохозяйственном использовании.
Практическая значимость. Даны рекомендации по коренному преобразованию землеустройства хозяйства и мелиорации солонцеватых черноземов.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту.
Вовлечение солонцеватых черноземов в пашню приводит к резкому ухудшению их состава и свойств, выраженных в изменении морфологических признаков, потере структуры, развитии процессов слитизации и подкис-ления.
При развитии водно-ветровой эрозии происходит еще большее ухудшение показателей на пашне.
Микробиологические показатели целины относительно стабильны в сезонной динамике, а на пашне наблюдается их значительное варьирование при увеличении общего количества разнообразной микрофлоры.
Целинные почвы сохраняют значительно большее видовое разнообразие почвенной микрофлоры. В микробном составе почв пахотных угодий наблюдается тенденция к упрощению видового состава, возрастанию численности грибной микрофлоры, появлению условно-патогенных грибов, снижению численности аэробных азотфиксаторов.
Автор глубоко благодарен заведующему кафедры почвоведения СтГАУ, профессору Цховребову B.C. за осуществление руководством диссертационной работой. В процессе выполнения работы автору помогли сотрудники кафедры микробиологии Московской сельскохозяйственной академии имени Тимирязева в идентификации почвенных микроорганизмов, а также сотрудники кафедры почвоведения Ставропольского аграрного университета, за что им глубоко признательна. І.ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
Изменение физических, физико-химических параметров и режима питания
На фоне дегумификации пахотных почв по сравнению с целинными, усиливается отрицательное влияние агрогенного переуплотнения, обесструк-туривания и загрязнения различными токсическими соединениями при сильном снижении буферности почв (В.И.Кирюшин, Н.Ф.Гаранжа, И.С. Кауричев и др., 1993; Н.В. Дьяконова, 1984; М.С.Соколов, В.И.Тереков, 1994; И.Н.Любимова,2002). Еще в работах П.А.Костычева (1951) показано, что использование целинного чернозема под сельскохозяйственную культуру, длительная его распашка сопровождается разрушением его структуры, образованием пыли и глыб, ухудшением, вследствие этого, водного режима и устойчивости почвы к эрозии. В дальнейшем, в более поздних исследованиях, эти выводы были уточнены. Структура почв, как указывают Э.И.Шкондо, З.К.Благовещенская (1982), является одним из существенных факторов почвенного плодородия, который отражает характер почвообразовательного процесса. Многие свойства почв, особенно физические, находятся в тесной коррелятивной зависимости от почвенной структуры. Длительное сельскохозяйственное использование черноземов ведет к ухудшению структуры, обусловливающей неблагоприятные изменения водно-воздушного, теплового и питательного режимов. Ухудшение структуры почв влечет за собой уменьшение их водопроницаемости и, как следствие, развитие процессов водной эрозии. Черноземы отличаются от почв полуаридной и аридной зон (серо-бурых, сероземов, бурых пустынных, светло-каштановых и др.) значительно большим содержанием органического вещества и меньшими запасами углекислого кальция и гипса.
Систематическая культура зерновых и пропашных, уплотнение почвы при обработке, наличие в поверхностных горизонтах органического вещества, способного к сбраживанию, определяют возможность быстрого возникновения в этих условиях глубокого анаэробиоза (Ф.Р. Зай-дельман, И.Ю. Давыдова, 1989). Все это ведет к ухудшению физических свойств черноземов. Влияние минеральных удобрений на физические свойства почв оценивается по-разному. Одни авторы отмечают, что внесение минеральных удобрений не оказывает существенного влияния на основные показатели сложения почвы - объемную массу и величину пористости (А.И. Акентьева, 1978; Н.В. Гниненко, 1988; В.И. Захаревский, 1978; Ю.К. Кудзин, Н.В. Гниненко, 1969; Г.В. Назаров, 1970), другие считают, что изменение объемной массы и пористости почвы наблюдается при применении минеральных удобрений (В.В. Медведев и др., 1983; R.Y. Willianis, 1977; L. Н. Thompson, T.R. Troch, 1978). В исследованиях И.К. Хабирова с соавторами (1985), проведенных на карбонатных черноземах Башкирского НИИСХ, показано, что сумма структурных фракций 1-7 мм колеблется в пределах 26-33%, а в различных слоях целинной почвы - 32-51 %.
Структура пахотных почв менее водопрочна, чем целинных. После мокрого просеивания содержание водопрочных агрегатов более 0,25 мм составило на неорошаемой пашне 42-62%, в различных слоях целины 64-71%. Многими исследователями установлено, что заметное ухудшение структуры почвы наблюдалось в черноземах только в первые годы после распашки целины, впоследствии в старопахотных черноземах скорость разрушения структуры почвы резко замедляется (А.И.Кузнецова, 1998). Исследования черноземов типичных мощных глинистых в период с 1969 по 1971 годы, проводимые на опытной станции Тамбовской области, подтверждают данные П.Д.Братерской и Ю.Г.Чурилиной (1973). Впоследствии в распахиваемых черноземах устанавливается некоторое равновесие и скорость разрушения почвенной структуры замедляется. По сведениям П.Г.Адерихина, В.А. Королева (1987) особенно быстрый распад структурных комочков протекает в первые 3-5 лет. Длительная распашка черноземов, а также их использование при низкой культуре землепользования, по мнению П.Г.Адерихина, (1964), часто сопровождается накоплением тонкодисперсной части, то есть оглиниванием. Однако , процесс оглинивания происходит достаточно медленно и не приводит к изменению разновидностей почв. И.Н.Антипов-Каратаев и В.Н.Филиппова (1955) проводили исследования на темно-каштановых почвах Сыртовского Заволжья и установили, что перемещения тонкодисперсных фракций по профилю почвы не произошло. Однако структурно-агрегатный состав изучаемых почв существенно изменился: наиболее ценная часть почвенных агрегатов размером более 1мм в почве целинного участка составляла 20-40%, а в длительно обрабатываемой почве количество этой фракции снизилось до 8-9%, то есть в 2-4 раза. В пахотных типичных черноземах процесс оглинивания в пахотной толще ослабевает, увеличиваясь в более глубоких почвенных слоях. Почти единодушны утверждения исследователей о том, что на пашне, по сравнению с целиной, уменьшается содержание агрономически ценных агрегатов, их водопрочность, снижается общая пористость и пористость % аэрации (П.Г.Адерихин, 1964). Целинные черноземы, по мнению М.С. Брука (1975), характеризуются лучшей микроагрегированностью верхней толщи (0-50 см) и обладают наибольшей водопрочностью агрегатов. Если суммировать результаты многих исследований, проведенных на целинных и распахиваемых угодьях, то вполне обоснованы высказывания многих ученых о существовании процессов агрофизической деградации чер- ноземов при длительной их распашке (В.А.Ковда, 1974). В целом, как считает В.А.Ковда (1983) в пахотных почвах происходит нарушение (снижение уровня) нормального потока энергии, связанной в растительной и животной биомассе и в почвенном гумусе, возобновления гумуса и освобождения биофилов. В совокупности это ведет к потере структурности и самоуплотнению почвенной массы.
Общие сведения о почвенном покрове
Почвы, сформированные на элювии майкопских глин и на коренном Майкопе, представлены черноземами солонцеватыми и солонцами мелкими, средними и глубокими мощными и среднемощными малогумусными легко- и среднеглинистыми. Они занимают около половины площадей хозяйства и являются основными для данной зоны. Состав и свойства материнских пород почти полностью переданы почве. Но в процессе почвообразования приобретаются некоторые черты отличия от пород. Так, появляется аэрация, хотя и довольно слабая, и снижается плотность. Корни растений и свежее органическое вещество обеспечивают биологическую активность. В этих условиях снижается рН среды и увеличивается Ен с -200 до +300 - 400 мВ. По этим причинам в почве нет пирита, но присутствует карбонат кальция. Увеличение окислительно-восстановительного потенциала обеспечивает окисление пирита по схеме: FeS2 + 70 + 2Н20 - FeS04 + Н20 + H2S04 Возрастает подверженность железа в форме сульфата, которое оказывает оструктуривающее влияние на почву. Появление серной кислоты снижает рН почвенного раствора и усиливает процессы выветривания. Появление карбонатов кальция связано только с почвообразовательным процессом. При высоком содержании гипса в породе и появлении углекислого газа в процессе дыхания почвенной биоты образование карбонатов кальция идет по схеме: CaS04 + C02 + H20- CaC03 + H2S04 Карбонаты не обнаруживаются на поверхности, а аккумулируются на некоторой глубине (в горизонте В или ВС). По остальным показателям нет коренных отличий почв от материнских пород. В минерологи возможны колебания только в составе вторичных глинистых минералов в системе монтмориллонит - гидрослюды.
Гранулометрический состав склонен к утяжелению в иллювиальном и облегчению в элювиальном горизонте. Физико-механические свойства практически не изменяются. Не только почвенные, но и агрометеорологические величины определяют необходимость и возможность ведения сельскохозяйственного производства в данной местности. Для климата хозяйства характерно неустойчивое увлажнение, теплое, продолжительное и сухое лето, умеренно мягкая и короткая зима, сглаженные нерезкие и непродолжительные переходы времен года и длительность вегетационного периода. Среднегодовая температура +8,4 С. Теплый период продолжается с апреля по октябрь со среднемесячной температурой +15,1 С, холодный - с ноября по март со среднемесячной температурой -2,9 С. Максимальные температуры отмечаются в июле - августе и достигают +40,0 С, а минимальные в январе-феврале опускаются до -34,0 С. Самый теплый месяц - июль со среднемесячной температурой +21,8 С, самый холодный - январь со среднемесячной температурой -5,0 С. Сумма активных температур составляет 2800-3100С, продолжительность безморозного периода 175 - 180 дней. Средняя глубина промерзания почвы 25 - 29 см. Среднегодовое количество осадков - 509 мм, а в отдельные годы может выпадать до 600 мм и более. Часто они имеют интенсивный ливневый харак- 39 тер, что приводит к возникновению водной эрозии. Большая часть осадков ф выпадает в теплый период - 386 мм, за май и июль -214 мм. Снежный по- кров неустойчив и имеет мощность 11-18 см. Характерной особенностью данной местности является расположение её в зоне так называемого Армавирского ветрового коридора. Здесь более 300 дней в году дуют сильные ветры восточно-западного направления. Нередко их скорость достигает более 15 м/сек. Это является причиной возникновения пыльных бурь, которые приводят к сносу мелкоземистого материала с полей и аккумуляции его в лесополосах.
Физико-химическая характеристика
Состояние почвенно-поглощающего комплекса определяет многие параметры свойств почвы и дает представление об их генезисе. Состав ППК находится в тесной взаимосвязи с концентрацией почвенного раствора. Реакциям катионного обмена всегда предшествует протонный гидролиз минералов твердой фазы почвы, который сопровождается изменением состава и концентрации почвенного раствора. В соответствии с законом действующих масс энергичнее всего поглощаются катионы с более высокой концентрацией в растворе. Материнская порода и тип почвообразовательного процесса определяют характер, глубину удаления и перемещения водорастворимых солей по профилю. Если емкость поглощения определяет минералогический и механический состав почвообразующих пород, то состав обменных катионов определяется солевым составом поровых растворов и интенсивностью жизнедеятельности корневой системы высших растений и сопутствующих им микро- организмов. Любые изменения в составе ППК указывают на характер и направленность почвообразования. В условиях целины и пашни воздействие на дисперсную фазу почв происходит неодинаково.
Майкопская глина изначально имеющая высокую емкость поглощения, определяемую тяжелым механическим составом и преобладанием среди вторичных минералов смектитов, способна изменять свои параметры. Целинная система, как было показано ранее, отличается от агро-ценоза замкнутостью круговорота веществ. Кислотный и любой другой агрессивный материал, поставляемый растениями и микробами, идет преимущественно на преобразование свежего органического опада. На пашне для пополнения запасов питания растения вынуждены производить протонное бомбардирование минеральной части почв. Основу этой части составляют минералы первичной группы и ППК, который представлен вторичными дисперсными минералами. Можно ожидать, что на пашне преобразование минеральной фазы будет идти более активно, чем на целине. Это уже доказано нами при морфологическом описании сопряженных профилей целины и паши, когда обнаружено понижение линии вскипания на пашне на 56 см по сравнению с целиной. Это может быть объяснено только поступлением большего количества кислых продуктов, продуцируемых корнями и микроорганизмами. Растению на пашне иного выбора нет. Обладая гораздо большей биомассой, чем целинный травостой, у него возрастает потребность в минеральном питании. При отсутствии его поступления из органической массы, растения вынуждены разрушать минеральную основу почв. Это безусловно не может не отразиться на состоянии ППК. Нами были проведены исследования состава ППК изучаемых разрезов по всему профилю. Полученные данные несколько неожиданные. Если характеризовать сумму обменных оснований, то она была на довольно высоком уровне по всем почвенным разрезам. Заметно увеличение данного показателя от верхнего горизонта к породе. Эта закономерность характерна для всех разрезов.
Различия между разрезами состоят лишь в том, что показатель суммы обменных оснований в нижней части склона и у его подножья был выше, чем на плакоре. Относительно стабильные показатели суммы обменных оснований переходят в довольно динамичные по обменному Na и гидролитической кислотности. Количество обменного Na на плакоре имеет самые низкие значения и составляет 4,2 мг- экв/100 г в иллювиальном горизонте целины и 7,8 мг-экв/100 г в иллювиальном горизонте пашни. Сумма обменных оснований 39,5 мг- экв/100 г и 33,3 мг- экв/100 г соответственно. Характерны более низкие значения для обменного Na как верхних, так и нижних горизонтов по сравнению с иллювиальным. Так, в породе на целине его всего 1,6 мг-экв/100 г, а на пашне - 2,1 мг-экв./100 г, при сумме обменных оснований 46,8 и 45,5 мг-экв/100 г соответственно. Следовательно, на плакоре создаются благоприятные условия для его иллювиирования. Более высокое содержание обменного натрия на пашне может свидетельствовать о возрастании его количества вследствие более интенсивных процессов выветривания. На крутом склоне картина меняется. При тех же значениях суммы обменных оснований резко возрастает доля обменного Na, и особенно в иллювиальном горизонте. На целине и на пашне этот показатель составляет 9,36 мг-экв/100 г при 37 мг-экв/100 г суммы обменных оснований. Характерно резкое увеличение обменного Na в породе (до 11,44 мг-экв/100 г). Это объясняется тем, что почва крутого склона сформирована на коренных породах, которые богаты обменным Na. На пологом склоне получены аналогичные показатели. Такая закономерность может быть вызвана не только близким залеганием коренной породы, но и постоянным поступлением с верхних участков рельефа натрия солевых растворов.
Динамика численности микроорганизмов, использующих минеральные формы азота
Аммиак, образующийся в почве при минерализации азотсодержащих орга- нических соединений, а также аммиак поступающих в почву минеральных удобрений окисляется до нитратов. Этот процесс получил название нитрификации. В окислении аммиака участвуют две группы нитрифицирующих бактерий: одни окисляют аммиак, образуя нитрит, а другие преобразуют нитрит в нитрат. Обе группы микроорганизмов строго специализированы в отношении указанных реакций. Бактерии, окисляющие аммиак, поставляют субстрат для бактерий, окисляющих нитрит. Поскольку высокие концентрации аммиака в щелочных почвах оказывают на Nitrobacter токсическое действие, Nitrosomonas, используя аммиак и образуя кислоту, тем самым улучшает и условия существо- вания для Nitrobacter. Таким образом, этапность процесса нитрификации является характерным примером метабиоза, когда одни микроорганизмы развиваются после других на продуктах их жизнедеятельности. Бактерии первой фазы нитрификации представлены пятью родами: Nitrosomonas, Nitrosococcus; Nitrosospira, Nitrosolobus и Nitrosovibrio.
Окисление NHt, согласно C.H. Виноградскому идет у бактерий первой фазы нитрификации следующим путем: Бактерии второй фазы нитрификации - Nitrobacter - получают энергию за счет окисления нитрита до нитрата: N02+7202— Ж)з Вторую фазу нитрификации осуществляют представители родов Nitrobacter, Nitrospira, Nitrococcus. Интенсивность процесса нитрификации происходит с различной скоро стью. Однако, если выделить активную чистую культуру автотрофной нитри фицирующей бактерии, то можно подсчитать, что около 3-Ю5 нитрификаторов в грамме почвы необходимы для скорости нитрификации 1 мг азота на кг почвы в день. Нитрификаторы - хемолитоавтотрофы, поскольку в результате окисле ния они получают энергию для синтетических процессов, в частности для по строения органических веществ клетки из СОг, используя в качестве доноров водорода ион аммония (NHt)- В то же время необходимо принять к сведению, что сейчас получены данные, свидетельствующие о способности нитрифици- рующих бактерий использовать некоторые органические вещества (Г. Шлегель, 1987 г). Этот вопрос детально не изучен. Нитрифицирующие бактерии, являясь аэробными организмами, развиваются только при наличии кислорода. Нитрификация типично оптимальна при наличии в почве около 60% пор. Однако было замечено, что даже затапливаемая почва имеет узкие аэробные зоны, где происходит нитрификация.
Когда нехватка кислорода увеличивается автотрофные нитрификаторы продуцируют относительно больше окиси (N0) и закиси (N20) азота. Для того, чтобы процессы нитрификации могли протекать достаточно интенсивно, необходима также оптимальная температура почвы (25-35С). Хотя диапазон температур, при котором происходит рост бактерий, достаточно широк от 4 до 45С. Темпы нитрификации часто снижаются, если рН почвенного раствора падает ниже 4,5, особенно в обрабатываемых почвах. При высоком рН могут аккумулироваться нитриты, т.к. в этих условиях происходит угнетение микроорганизмов II фазы нитрификации. Нитрофицирующие микроорганизмы имеют важное значение для почвообразовательных процессов. При наличии благоприятных условий процессы нитрификации в почве протекают достаточно быстро. В результате весь аммиак окисляется до нитратов, которых по данным Я.В. Пейве (1961) в год может накапливаться до 300 кг на га в виде азотной кислоты. Следует обратить внимание, что ионы аммония обменно поглощаются почвенными коллоидами и не теряются, в то время как ионы NO"3 могут вымываться или подвергаться процессу денитрификации. За счет последнего процесса теряется значительное количество азота из почвы. Перевод катиона NH»+ в анионы NCV и NCV ведет к подкислению почвы, а следовательно к выветриванию минералов.
