Введение к работе
Актуальность проблемы. Органическое вещество является важнейшим компонентом почвы, определяющим особенности её свойств и режимов. Определение фракционно-группового состава органического вещества почвы (ОВП) остаётся наиболее распространённым способом оценки его состояния и характера трансформации при разных природных и антропогенных факторах (Александрова, 1980; Орлов, 1990; Орлов и др., 1996; Орлов и др., 2004; Когут, 2003; Овчинникова, 2007). В агрономическом отношении наиболее важным является то ОВП, которого либо «не видно», либо «уже нет», т. е. постоянно оборачиваемое, легко минерализуемое, быстро стабилизируемое и поэтому трудно улавливаемое химическими способами. До сих пор нет идеального растворителя или процедуры экстракции, обеспечивающих полное выделение фракций ОВП, чувствительных к быстрым изменениям его состава и исключающих вероятность автоокисления или реполимеризации органических веществ при анализе (Hayes, 2006; Oik, Gregorich, 2006). Краткосрочные изменения ОВП связаны с его биологически трансформируемым, активным пулом, к которому относятся все органические вещества с Toj < 2 лет независимо от их химического и физического состояния (Jenkinson, Rayner, 1977; Paul et al., 2006). Количественные параметры активного пула устанавливаются биокинетическим анализом разложения и минерализации ОВП и измерением микробной биомассы (Трофимов, 1997; Смагин и др., 2001; Семенов и др., 2005; Семенов и др., 2006; Paul et al, 1999; Collins et al, 2000; Franzluebbers et al, 2000).
Серые лесные почвы и чернозёмы - преобладающие почвы лесостепной зоны Европейской части России. Интенсивное сельскохозяйственное использование почв привело к уменьшению содержания органического углерода (Сорг) в 1.2-3.3 раза по сравнению с целинными участками и к значительному повышению доли ароматических компонентов в составе ОВП (Орлов, Бирюкова, 1995; Сорокина, Когут, 1997; Щербаков, Надежкин, 2000; Schnitzer et al, 2006). Убыль С0рг происходит в первую очередь за счёт его быстро разлагаемых фракций, слагающих активный пул ОВП. Недостаточная обеспеченность почв агроценозов активным органическим веществом может быть причиной ухудшения их водно-физических, физико-химических и агрохимических свойств, слабой азотминерализующей способности, высоких потерь азота и низкой эффективности минеральных удобрений. Применение удобрений и севообороты -общепринятые способы оптимизации плодородия почвы, однако до сих пор нет единого мнения о влиянии этих факторов на минерализуемость ОВП (Егоров, Бычкова, 2006; Мерзлая и др., 2006; Минеев и др., 2007; Alvarez, 2005). В этой связи представляется важным сравнить минерализационную способность ОВП агроценозов и естественных угодий, определить влияние минеральных и органических удобрений на обеспеченность пахотных почв углеродом и азотом активного органического вещества и установить долю микробной биомассы в его составе.
Цель работы: оценить минерализационную способность органического вещества серой лесной почвы и выщелоченного чернозёма в зависимости от характера землепользования и системы удобрений полевых культур.
Задачи исследований:
1) определить структуру активного пула ОВП и установить соотношение легко,
умеренно и трудно минерализуемых фракций углерода в его составе;
2) оценить обеспеченность необрабатываемых и вовлечённых в
сельскохозяйственное производство почв потенциально минерализуемым
органическим веществом;
3) установить долю микробной биомассы в составе активного органического
вещества почвы (АОВП) при разных способах землепользования и системах
удобрения культур;
выявить характер краткосрочной динамики микробной биомассы в почве после внесения минеральных и органических удобрений;
показать роль АОВП в формировании почвенного пула минерального азота.
Научная новизна. Дана количественная оценка обеспеченности серой лесной почвы и выщелоченного чернозёма углеродом и азотом АОВП и установлено соотношение легко (к>0.\ сут"), умеренно (&>0.01 сут") и трудно (&>0.001 сут" ) минерализуемых фракций в его составе. Установлен факт сильного обеднения пахотных почв потенциально минерализуемым углеродом (Спм) в основном за счёт умеренно минерализуемой фракции (0.1>&>0.001 сут"). Подтверждена ключевая роль микробной биомассы в формировании АОВП. Показана строгая зависимость обеспеченности почв активным органическим веществом от регулярности внесения органических удобрений и побочной продукции возделываемых культур. Впервые сопоставлены результаты биокинетического и химического фракционирования ОВП. Отмечено, что биокинетические и химические способы фракционирования отображают разные параметры качества и состояния ОВП. Получены новые данные, указывающие на нарушение минерализационно-иммобилизационной оборачиваемости азота в выщелоченном чернозёме агроценозов из-за недостаточной обеспеченности почвы минерализуемым органическим веществом.
Практическая значимость работы. Выявлено, что используемые в земледелии серая лесная почва и выщелоченный чернозём с традиционным набором агротехнических приёмов поддержания плодородия характеризуются острым дефицитом активного органического вещества, расходуемого в краткосрочных биологических процессах. Для устойчиво пролонгированного воспроизводства АОВП необходимо ежегодное внесение органических удобрений с обязательным возвратом растительных остатков и побочной продукции в почву. Результаты исследований могут быть использованы при моделировании потоков углерода в наземных экосистемах, при разработке целевых программ по ограничению антропогенной эмиссии парниковых газов, секвестрированию углерода и воспроизводству ОВП в агроэкосистемах.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были представлены на Юбилейной Всероссийской конференции «X Докучаевские молодёжные чтения - почвы и техногенез» (Санкт-Петербург, 2007), XIV Международной конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов-2007» (Москва, 2007), IX Международной Пущинской школе--конференции молодых учёных «Биология - наука XXI века» (Пушино, 2005),
Международной конференции «Ресурсосберегающие технологии земледелия» (Курск, 2005), Международной научно-практической конференции «Роль почв в сохранении устойчивости ландшафтов и ресурсосберегающее земледелие» (Пенза, 2005), III Международной конференции «Эмиссия и сток парниковых газов на территории Северной Евразии» (Пущино, 2007), II Международной научно-практической конференции «Роль молодых учёных в развитии науки» (Великие Луки, 2007).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 работ.
Объём и структура диссертации. Диссертация включает введение, обзор литературы, описание объектов и методов исследования, обсуждение экспериментальных результатов, выводы, приложения и список литературы. Материалы диссертации изложены на 129 страницах, содержат 44 таблицы, 21 рисунок, 22 приложения. Список литературы включает 200 наименований, в том числе 128 англоязычных.
Поддержка и благодарности. Работа выполнена в лаборатории почвенных циклов азота и углерода Института физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН по планам НИР Института, в рамках проектов РФФИ (№№ 04-04-48670 и 07-04-00529) и российско-нидерландского проекта № 047.017.011.
Автор выражает благодарность научному руководителю, ведущему научному сотруднику, д.б.н. В.М. Семенову, заведующему лабораторией, д.б.н., профессору В.Н. Кудеярову, ст.н.с, к.б.н., доценту Т.В. Кузнецовой, ст.н.с, к.б.н. Л.А. Иванниковой, н.с. Н.А. Семеновой, ведущему инженеру Е.М. Гультяевой за помощь в организации исследований, консультации и всестороннюю поддержку. Особая благодарность профессорам ФГОУ ВПО «ПГСХА» Т.Б.Лебедевой, Е.В.Надежкиной, С.М.Надежкину за предоставленную возможность работать на стационарных опытах и конструктивное содействие в течение всех исследований, а также руководителю группы биологического земледелия университета Вагенингена, профессору Ариене ван Бругген и ведущему научному сотруднику биологического факультета МГУ, д.б.н. А.М.Семенову.
