Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Свойства и применение вермикомпоста под овощные культуры 13
1.1. Вермикомпостирование как способ утилизации органических отходов 13
1.2. Агрохимические и микробиологические свойства вермикомпоста... 15
1.3. Вермикомпост на основе свиного навоза 21
1.4. Тепличные грунты длительного срока использования 23
1.5. Использование вермикомпоста в условиях закрытого грунта 25
1.6. Методы изучения структуры микробного сообщества агроценоза 32
Заключение к главе 1 37
Глава 2. Объекты и методы исследования 40
2.1. Опыт в закрытом грунте 40
2.2. Полевой опыт 41
2.3. Агрохимические методы 41
2.4. Микробиологические методы 42
2.4.1. Среды и условия культивирования микроорганизмов 42
2.4.2. Определение состава микробного сообщества методом газовой хроматографии -масс-спектрометрии по липидным профилям и маркерам суммарной биомассы 46
Глава 3. Физико-химические и микробиологические свойства свиного навоза и вермикомпоста 48
3.1 Физико-химические свойства органических удобрений 48
3.2 Содержание тяжелых металлов 51
3.3 Микробиологические свойства свиного навоза и вермикомпоста 53
3.4 Тесты на фитотоксичность 59
Глава 4. Влияние свиного навоза и вермикомпоста на агрохимические и микробиологические показатели тепличного грунта, урожай и качество листового салата и редиса 60
4.1 Влияние органических удобрений на агрохимические свойства тепличного грунта 60
4.2 Влияние органических удобрений на микробиологические свойства тепличного грунта 64
4.3 Влияние органических удобрений на урожай и качество листового салата и редиса 72
Глава 5. Влияние вермикомпоста на агрохимические и микробиологические свойства аллювиальной серогумусовой глееватой почвы, урожай и качество полукочанного салата 77
5.1 Влияние вермикомпоста на агрохимические свойства почвы 77
5.2 Влияние вермикомпоста на микробиологические свойства почвы 78
5.3 Влияние вермикомпоста на урожай и качество полукочанного салата 83
Рекомендации производству 84
Выводы 85
Список литературы 88
Приложения 106
- Методы изучения структуры микробного сообщества агроценоза
- Определение состава микробного сообщества методом газовой хроматографии -масс-спектрометрии по липидным профилям и маркерам суммарной биомассы
- Микробиологические свойства свиного навоза и вермикомпоста
- Влияние органических удобрений на микробиологические свойства тепличного грунта
Введение к работе
Актуальность. Вермикомпостирование (от лат. vermis - червяк), процесс переработки органических отходов с использованием дождевых червей, получает все более широкое применение во всем мире. Данная технология позволяет улучшить физико-химические свойства сырья, делает возможным его применение в агроэкосистемах, а также облегчает транспортировку и хранение [Покровская, 1991].
Вермикомпосты (ВК) рассматривают как достаточно эффективные удобрения [Городний и др., 1990]. Однако высокую физиологическую эффективность «биогумуса» (коммерческое название) во многих случаях обосновывают результатами экспериментов, в которых действие ВК на растения сравнивают с неудобренной почвой или минеральными и комплексными удобрениями [Карагеоргий, Погребшие, 1995]. При этом не учитывают питательные свойства органических отходов, используемых для вермикомпостирования. Показано, что в полевом агроценозе вермикомпост не всегда эффективнее исходного органического субстрата [Агафонов и др., 2001; Касатиков и др., 1995]. Некоторые авторы считают, что агрохимические свойства компостов и вермикомпостов значимо не отличаются [Fleddermann, 1990; Pussard et aL, 1988]. Предполагают, что именно благодаря высокой микробиологической активности ВК улучшает питательные свойства утилизируемого органического сырья и повышает продуктивность почв [Anon, 1989; Livingston, 1988; Subler et al., 1998]. Однако в отечественной литературе микробиологические свойства удобрения и влияние ВК на микробоценоз почвы рассмотрены, как правило, только с точки зрения физиологических групп аэробных микроорганизмов [Петрова, 2002; Ломако и др., 2003; Терещенко, 2003]. Многие исследователи предполагают в «биогумусе» повышенное содержание витаминов, ферментов, ростовых веществ [Мельник, 1990; Atiyeh et al., 2001], но
5 экспериментальное подтверждение данной гипотезы встречается в нескольких работах [Городний и др., 1990; Guanadi et al., 2000].
В условиях закрытого грунта, главным образом, для горшечных культур, показана эффективность использования вермикомпоста при выращивании овощей и декоративных растений. В РФ из-за отсутствия средств для перехода на новые технологии основную часть площадей пока занимают насыпные почвогрунты [Овощеводство, 2003]. Актуальна проблема их длительного использования, сохранения и повышения плодородия, так как замена грунта очень трудоемкий и дорогостоящий процесс. Существует мнение [Мерцалова, 1999], что одним из наиболее эффективных способов повышения производительности тепличных грунтов и получения экологически безопасной продукции является применение ВК. Однако подобные результаты были получены при использовании высоких доз ВК: 25% от общей массы почвосмеси и 15 кг/м2 [Филиппова, 1998]. В то же время некоторые авторы отмечают эффект почвоутомления и угнетения роста растений при внесении высоких доз ВК [Atiyeh et al., 2000; Терещенко, Колтыхов, 2000; Степанова, Степанов, 2004]. Правомерен вопрос и об экономической эффективности данного удобрения при использовании в таких высоких концентрациях.
Целью работы являлось сравнительное изучение эффективности применения свиного навоза (СН) и ВК на его основе в условиях закрытого грунта и в полевом агроценозе с овощными культурами.
Для достижения поставленной цели решали следующие задачи:
Провести агрохимические и микробиологические исследования СН и ВК на его основе;
Оценить изменение агрохимических показателей тепличного грунта и аллювиальной серогумусовой глееватой почвы при внесении органических удобрений;
Изучить воздействие СН и ВК и овощных культур (салат, редис) на структуру микробного сообщества;
Рассмотреть взаимосвязь изменения агрохимических и микробиологических свойств грунта и почвы при внесении СН и ВК;
Исследовать влияние органических удобрений на продукционные свойства агроценозов и качество урожаев.
Научная новизна. В работе впервые дана комплексная оценка агрохимических и микробиологических свойств исходного субстрата и конечного продукта вермикомпостирования. Проведено сравнительное изучение влияния удобрений в условиях закрытого насыпного грунта длительного использования при выращивании овощных культур. Использование метода ГХ-МС позволило впервые детально изучить структуру микробного сообщества свиного навоза и вермикомпоста на его основе, а также исследовать микробоценоз тепличного грунта и аллювиальной серогумусовой глееватой почвы, включая анаэробные виды м/о.
Практическая значимость. Сравнительное изучение применения свиного навоза и вермикомпоста в разных дозах позволяет оценить их влияние на продукционные свойства агроценоза и дать рекомендации по оптимизации использования этих органических удобрений в условиях закрытого грунта.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы были доложены на следующих международных, всероссийских и региональных конгрессах и конференциях:
International conference "Microbiology of Composting" (Австрия, 2000);
Международная конференция «Биологические ресурсы и устойчивое развитие» (Пущино, 2001);
Международная конференция «11* Nitrogen Workshop» (Франция, 2001);
Международная конференция «Ломоносов-2001»(Москва, 2001);
Международная конференция «Ломоносов-2002» (Москва, 2002);
Xth International Congress of Bacteriology and Applied Microbiology (Франция, 2002);
1-ая международная конференция «Дождевые черви и плодородие почв» (Владимир, 2002);
Международная школа-конференция "Биология-наука 21 века" (Пущино, 2003);
Международная конференция «Ломоносов-2003» (Москва, 2003);
Конференция «Физиология растений и экология на рубеже веков» (Ярославль, 2003);
2-ая международная конференция «Дождевые черви и плодородие почв» (Владимир, 2004);
Всероссийская научная конференция "Экология и биология почв" (Ростов, 2004);
Международная конференция «Ломоносов-2004» (Москва, 2004);
1st General Assembly of European Geosciences Union (Франция, 2004);
Международная конференция «Ломоносов-2005» (Москва, 2005).
Список работ, опубликованных по теме диссертации:
1. Верховцева Н.В., Осипов Г.А., Пашкевич Е.Б., Кузьмина Н.В. Значение
анаэробной составляющей микробного сообщества почв в устойчивом
функционировании агроэкосистем // Материалы международной
конференции "Биологические ресурсы и устойчивое развитие", Россия,
Пущино, Московская обл., 29 октября - 2 ноября 2001г. - Изд.-во НИА -
Природа, Пущино, 2001. - С.38.
N. Verkhovtseva, N. Kuzmina. G. Osipov, V. Kasatikov. Microbial communities and C/N ratio in vermicomposts as affected by earthworms Eisenia foetida //11 Nitrogen Workshop, 9-12 September 2001, Reims, France. - Book of Abstracts. - P.227-228.
Кузьмина H.B. Агрохимические и микробиологические свойства вермикомпостов // Тезисы докладов VIII международной конференции
8 студентов по фундаментальным наукам «Ломоносов 2001», 10-13 апреля 2001г. - М.: МГУ, факультет почвоведения. - С.71.
N.V. Verkhovtseva, G.A. Osipov, T.N. Bolysheva, V.A. Kasatikov, N.V. Kuzmina. EJ. Antsiferova, A.S. Alexeeva. Comparative Investigation of Vennicompost Microbial Communities II Microbiology of composting, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2002. - P.99-111.
Кузьмина H.B. Влияние вермикомпостов на продуктивность и свойства дерново-подзолистой почвы // Тезисы докладов IX международной конференции студентов по фундаментальным наукам «Ломоносов 2002», 10 апреля 2002г. - М.: МГУ, факультет почвоведения, 2002. - С.65.
6- Kuzmina N.. Verkhovtseva N., Osipov G., Pashkevich E. Composition and ecologo-trophical structure of microbial communities in the soil as affected by the plants of lettuce II Xth International Congress of Bacteriology and Applied Microbiology, Book of abstracts, Paris, 27th July to 1st August, 2002. - P. 179.
Кузьмина H.B.. Верховцева H.B., Касатиков B.A. Микробиологические свойства вермикомпостов и их влияние на микробоценоз дерново-подзолистой почвы // Материалы I международной конференции "Дождевые черви и плодородие почв". - Владимир, 2002. - С.93-95.
Кузьмина Н.В.. Верховцева Н.В., Касатиков В.А Микробиологические свойства вермикомпостов и их влияние на микробоценоз дерново-подзолистой почвы // Агрохимический вестник. - №1. - 2003. - С. 14.
Кузьмина Н.В. Экспресс-диагностика микробоценоза вермикомпостов методом газовой хроматографии-масс-спектрометрии // Сборник тезисов 7-ой Пущинской школы конференции молодых ученых 14-18 апреля 2003г. "Биология-наука 21 века". - Пушино, 2003. - С.281.
10. Кузьмина Н.В. Изменение структуры микробоценоза дерново-
подзолистой почвы при внесении вермикомпостов // Тезисы докладов 10
международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным
наукам "Ломоносов-2003", 17 апреля. - Москва, 2003. - С.72-73.
9 И. Рутковская О.М., Кубарев Е.Н., Кузьмина Н.В. Структура микробного сообщества серой лесной почвы при применении различных систем удобрений // Региональный сборник научных трудов молодых ученых "Современные проблемы биологии, экологии, химии" // под редакцией Д.Х.Н., проф.В.Н. Казина. - Яросл.гос.ун-т, Ярославль, 2003. - С.77-80.
12. Пашкевич Е.Б., Верховцева Н.В., Егорова Е.В., Кузьмина Н.В. Сравнение
структуры микробного сообщества в викоовсяной смеси, ячменя и ризосфере
кукурузы на фоне минеральных удобрений // Материалы конференции
«Физиология растений и экология на рубеже веков». - Ярославль, 2003. -
С.168-171.
13. Рутковская О.М, Верховцева Н.В., Н.В.Кузьмина. Влияние злаковых
растений на структуру микробного сообщества лесной почвы в агроценозе //
Материалы конференции «Физиология растений и экология на рубеже
веков». - Ярославль, 2003. - С.171-172.
14. Кузьмина Н.В.. Никифорова О.В., Верховцева Н.В. Влияние
вермикомпостов на свойства дерново-подзолистой почвы и продуктивность
агроценоза // Материалы II международной конференции "Дождевые черви и
плодородие почв". - Владимир, 2004. - С.193-194.
Верховцева Н.В., Кузьмина Н.В.. Кощенкова Н.Е., Кубарев Е.Н., Осипов Г.А. Структура микробного сообщества кишечного тракта Eisenia foetida и возможность ее регулирования // Материалы II международной конференции "Дождевые черви и плодородие почв". - Владимир, 2004. - С.30-32.
Верховцева Н.В., Кузьмина Н.В.. Кубарев Е.Н., Никифорова О.В., Титов И.Н. Микробиологический анализ жидкой органической подкормки для растений "Гумистар-Грин-ПИКъ" // Материалы П международной конференции "Дождевые черви и плодородие почв". - Владимир, 2004.-С.166-167.
17. Никифорова О.В., Кузьмина Н.В. Выращивание листового салата и
редиса в условиях закрытого грунта при использовании вермикомпоста на
основе свиного навоза // Тезисы докладов XI международной конференции
10 студентов и аспирантов по фундаментальным наукам "Ломоносов-2004", 12-15 апреля. - Москва, 2004. - С. 109-110.
Кузьмина Н.В.. Никифорова О.В., Верховцева Н.В. Оптимизация эколого-биологического состояния и плодородия дерново-подзолистой почвы при использовании вермикомпостов // Экология и биология почв. Материалы международной научной конференции, Ростов-на-Дону, 22-23 апр.2004. -Изд-во ООО «ЦВВР», 2004. - С.154-158.
Кубарев Е.Н., Верховцева Н.В., Кузьмина Н.В.. Матвеева А.Ю.,Корчагин А.А. Влияние вврмикомпоста на основе крупного рогатого скота на микробоценоз и продуктивность серой лесной почвы при выращивании картофеля // Экология и биология почв. Материалы международной научной конференции, Ростов-на-Дону, 22-23 апр.2004. - Изд-во ООО «ЦВВР», 2004. -С.151-154.
Верховцева Н.В., Болышева Н.В., Флесс Н.А., Кузьмина Н.В. Влияние осадков сточных вод на структуру микробного сообщества дерново-подзолистой почвы // Экология и биология почв. Материалы международной научной конференции, Ростов-на-Дону, 22-23 апр.2004. - Изд-во ООО «ЦВВР», 2004. - С.42-46.
21. Селиверстова О.М., Верховцева Н.В., Степанов НЛ., Кузьмина Н.В..
Кубарев Е.Н. Влияние различных систем удобрений на серой лесной почве
на эмиссию СН4, СОг и структуру микробного сообщества // Сб. научн.
Трудов. - Изд-во МГУ, 2004. - С.229-234.
22. Кубарев Е.Н., Верховцева Н.В., Кузьмина Н.В. Микробиоценоз
кишечного тракта Eisenia foetida в зависимости от субстрата // Материалы II
Международной научно-практической конференции «Человек и животные».
- Астрахань, 2004. - С.214-217.
23. Verkhovtseva N., Milanovskiy E., Osipov G., Kuzmina N.. Kubarev E. Humus
substance and microbial community of soil texture and ped fractions [Electronic
resource]: - European Geosciences Union, Vol.6, 07385, 2004. - 1 electronic
optical disc (CD-ROM). - System requirements: Windows 95,98, Me, NT4,2000,
XP, 64 MB or more of installed RAM, Webbrowser with Adobe Reader
Plugin. - Geophysical Research Abstracts. - ISSN: 1029-7006.
Kuzmina N.. Nikiforova 0., Verkhovtseva N. Microbial diversity and organically managed soil to suppression of lettuce [Electronic resource]: -European Geosciences Union, Vol.6, 07558, 2004. - 1 electronic optical disc (CD-ROM). - System requirements: Windows 95,98, Me, NT4,2000, XP, 64 MB or more of installed RAM, Webbrowser with Adobe Reader Plugin. -Geophysical Research Abstracts. - ISSN: 1029-7006.
Kubarev E., Rutkovskaia O., Verkhovtseva N., Stepanov N,t Kuzmina N. Methanogenesis and microbial community structure of grey forest soil under manure and nitrogen fertilizers application [Electronic resource]: - European Geosciences Union, Vol.6, 07437, 2004. - 1 electronic optical disc (CD-ROM). -System requirements: Windows 95, 98, Me, NT4, 2000, XP, 64 MB or more of installed RAM, Webbrowser with Adobe Reader Plugin. - Geophysical Research Abstracts. - ISSN: 1029-7006.
E.B. Pashkevich, N.V. Kuzmina. N.V. Verkhovtseva. Strategy of microbic community formation in soil depending on an agricultural culture in crop rotation II Conference "Eurosoil 2004м, Freiburg, Germany, 2004. - Abstracts. - P.432-433.
Kuzmina N.. Verkhovtseva N., Nikiforova O. Vermicomposts and Soil Organic Matter Stability // Conference "Eurosoil 2004", Freiburg, Germany, 2004. -Abstracts. - P.439.
E. Kubarev, N.Verkhovtseva, KKuzmina. A. Matveeva. Vermicompost as Ecological Alternative to Improve soil Microbial Stable Development // Conference "Eurosoil 2004", Freiburg, Germany, 2004. - Abstracts. - P.433.
Кузьмина Н.В.. Верховцева Н.В., Никифорова О.В. Изменение свойств дерново-подзолистой почвы при внесении вермикомпостов в агроценозе // Материалы IV съезда почвоведов. Новосибирск: Наука - Центр, 2004. - С.68.
Никифорова ОЗ., Кузьмина Н.В. Изменение свойств тепличного грунта при использовании вермикомпоста на основе свиного навоза // Тезисы докладов 12 международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам иЛомоносов-2005". - Москва, 2005 (в печати).
Методы изучения структуры микробного сообщества агроценоза
Представление о структуре возникает тогда, когда мы выделяем в объекте различные элементы, анализируем их набор, количественное соотношение и взаимосвязи между ними. При анализе таких сложных систем, как микробные сообщества, мы вправе выделять элементы различной природы, например, таксоны микроорганизмов, морфотипы, физиологические группы. Следовательно, можно говорить о различных аспектах изучения структуры микробного сообщества. Представляется целесообразным выделить четыре основных аспекта: функциональный, морфологический, таксономический и экологический, которые наиболее часто фигурируют в работах почвенных микробиологов, но не исчерпывают всех возможных подходов [Добровольская, 2002].
Рассмотрение структуры микробного сообщества с точки зрения физиологических групп (азотфиксаторы, аммонификаторы, тарификаторы, денитрификаторы, целюлозоразрушающие) является одним из самых широко распространенных методов изучения микробоценоза [Скворцова, 2000]. На данный момент исследователи определяют биологическую активность почвы и состояние агроценоза, а также судят о степени окультуренности почвы именно по функционированию основных физиологических групп м/о. Однако ряд авторов считают, что физиологическая структура - очень консервативна и мало зависит от характеристик почвы [Звягинцев и др., 1999]. В настоящее время уже доказано, что одни и те же виды микроорганизмов могут в разных условиях осуществлять часто даже противоположные физиологические процессы. С другой стороны, каждый физиолого-биохимический процесс в почве строится на дублирующих друг друга м/о - принцип дублирования [Звягинцев, 1987].
Большое внимание уделяется исследованиям с общеэкологических позиций структуры бактериальных сообществ на таксономическом уровне [Добровольская и др., 1999]. Считают, что список потенциальных доминантов является одним из наиболее репрезентативных показателей таксономической структуры микробных комплексов, тесно связанным с типом экосистемы [Добровольская и др., 1997]. Критерии доминирования приобретают первостепенное значение для почвенной микробиологии, причем имеется в виду не только и не столько численное доминирование, а доминирование в проведении процессов. Для бактерий может быть принят условный критерий, который гласит, что существенное экологическое значение бактерии имеют в том случае, когда число их клеток не менее 1 млн на 1 мл или 1 г субстрата, хотя бы в какой-то сезон [Структурно-функциональная..., 2003].
Влияние удобрений на комплекс почвенных м/о - традиционный, но не вполне изученный вопрос. До сих пор не ясна зависимость между размерами урожая и активностью почвенных м/о, не разработаны способы оценки изменений, происходящих в структуре микробного сообщества, возможности микробиологической диагностики агрохимических свойств почв [Марченко, Бабьева, 1980]. Знание законов, по которым функционируют почвенные м/о в естественной экосистеме или агроценозе, позволит определить причины происходящих в них изменений и наметить пути их регулирования [Кутузова и др., 2001].
Наиболее часто используемыми методами изучения микробного сообщества почв являются традиционный чашечный посев почвенной суспензии на питательные среды и метод мультисубстратного тестирования [Лысак и др., 2003]. За рубежом широко используются различные модификации молекулярно-биологических методов, в частности, метод профилей метиловых эфиров жирных кислот (ЖК) клеточных стенок м/о. Следует отметить, что в отечественных работах по изучению микробиологических свойств ВК и их влиянию на агроценозы в большинстве случаев используются традиционные методы посева.
Данный метод трудоемок, однако относительно прост и недорог. Позволяет выделить до 80 родов примерно из 100 родов «почвенных» м/о. При этом очень сложно подсчитать общую численность м/о, так как часть из них может произрастать на разных средах, а часть вообще не удается вырастить [Лысак и др., 2003]. Определяемое разнообразие бактериальных сообществ и численность м/о в сотни и более раз ниже по сравнению с составом коллекций бактерий, определенных в этих же образцах молекулярно-биологическими методами [Torsvik et al., 1990; 1996]. Считают, что данный метод позволяет выделить приблизительно только 1% м/о от всего микробного разнообразия [Torsvik et al., 1996; White, 1988].
Остановимся подробнее на методе изучения микробного сообщества по профилю метиловых эфиров жирных кислот клеточной стенки м/о. Ранние попытки идентификации м/о по составу ЖК были сделаны еще в 50-ые годы прошлого века. Сейчас он успешно используется в медицинской микробиологии - система определения компании MIDI [Welch, 1991].
Использование данного метода позволяет избежать культивирования м/о и изучать микробное сообщество экстрагированием жирных кислот непосредственно из почвы с последующим измерением методом газовой хроматографии - масс-спектрометрии [White et al., 1994; Ibekwe, Kennedy, 1999; Osipov, Turova, 1997; Kirk et al., 2004].
Данным методом учитываются как мертвые, так и живые клетки м/о. Для проведения исследования требуется небольшое количество образца (мг) в отличие от анализа (PLFA - phospholipid fatty acids) жирных кислот фосфолипидов [Salomonova et al., 2003]. Сравнительное изучение микробных сообществ почв тремя разными методами: ДНК-анализ, мультисубстратное тестирование и PLFA, позволило заключить, что все используемые методы позволяют выявить отличия в структуре микробных сообществ разных почв. Однако обработка полученных данных с помощью кластерного анализа показала, что степень сходства микробных сообществ разных почв зависит от используемого метода. Таким образом, авторы заключают, что интерпретация полученных данных будет различной при использовании того или иного метода и для полноты описания микробных сообществ необходимо использовать данные методы одновременно [Widmer et al., 2001].
Определение состава микробного сообщества методом газовой хроматографии -масс-спектрометрии по липидным профилям и маркерам суммарной биомассы
Исходный полуперепревший свиной навоз не имел выраженной структуры и представлял собой темно-коричневую мажущую массу с сильным неприятным запахом. Вермикомпостирование в течение 3 месяцев привело к образованию выраженной крупнозернистой структуры и исчезновению запаха.
Анализ основных физико-химических характеристик органических удобрений показал, что ВК по сравнению со СН имел более высокое содержание общего фосфора и калия (табл.1), что, по-видимому, связано с минерализацией органических соединений, вследствие которой происходит относительное накопление этих питательных элементов. Готовый ВК, согласно технологии ОАО МНПК «ПИКъ», подсушивают и просеивают для удаления крупных опилок. Выход «биогумуса» составляет 50-60%. Наблюдается так называемый эффект «концентрирования», что также приводит к относительному накоплению питательных элементов. Увеличение содержания общего азота в ВК статистически не значимо, что, возможно, объясняется ассимиляцией азота дождевыми червями, а также его газообразными потерями при аммонификации и денитрификации. Общее содержание основных питательных элементов в ВК соответствует предложенным нормативам [Орлов и др., 1995; Орлов, Садовникова, 1996], однако, следует отметить низкое содержание калия.
Как известно, минерализация органических соединений сопровождается переходом биогенных элементов в подвижные формы, доступные высшим растениям. Так, в ВК существенно увеличились концентрации подвижных форм фосфора и обменного калия, что показано ранее и другими исследователями [Tomati, 1983; Qrozco et а!., 1996; Калинина, 2002]. Однако показанное этими же авторами увеличение содержания нитратного азота в конечном продукте вермикомпостирования относительно исходного субстрата в исследуемом «биогумусе» не происходило. Мы отмечали статистически значимое снижение аммонийного азота в ВК. Некоторые авторы объясняют меньшее содержание аммонийного азота в «биогумусе» высокой интенсивностью нитрификационных процессов, протекающих в ВК [Chaoui et al., 2002; Decaens et al., 1999]. По соотношению углерода и азота ВК более сбалансирован, чем исходный свиной навоз за счет уменьшения содержания Сорг. (табл.2).
В целом, основные характеристики качества вермикомпоста соответствуют предложенным нормативом [Орлов и др., 1995; Орлов, Садовникова, 1996].
Известно, что фенолы — это гетерофункциональные соединения ароматической природы, содержащие несколько разных функциональных групп. В эту же группу входят ароматические кислоты, а также кумарины, флавоноиды и полимерные органические соединения - таннины и лигнин. Фенольные соединения по встречаемости в биосфере и экологической опасности занимают третье место после тяжелых металлов и нефтепродуктов и являются основными токсичными компонентами сточных вод целого ряда химических производств [Козубова, Морозов, 1993]. Широкая распространенность фенолов в окружающей среде обусловлена уникальными физико-химическими свойствами - хорошей растворимостью как в водной, так и в органических матрицах, низким давлением паров и высокой реакционной способностью.
Показано, что при разложении растительных остатков, а также в результате жизнедеятельности растений и м/о, образуется большое количество фенольных соединений [Запромётов, 1974; Орлов и др., 1985]. Некоторые фенольные соединения являются физиологически активными и могут выполнять защитные функции, реагируя с загрязнителями и выступая как антиоксиданти. Однако при высоких концентрациях фенолы могут быть токсичными и замедлять метаболические процессы растений и микроорганизмов.
При изучении содержания фенольных соединений, а также других низкомолекулярных органических соединений в органических удобрениях, было идентифицировано множество соединений, наиболее вероятны из которых сложные алифатические углеводороды, ароматические углеводороды с алифатическими заместителями. При проведении расшифровки спектров была проведена выборка по соединениям с точностью определения выше 85% (приложение 3).
В СН присутствует витамин Е (по-видимому, добавляется в корм животным), в ВК - фосфорная кислота. Анализ показал, что количество фенольных соединений в органических удобрениях существенно ниже предложенных нормативов (табл.2). Однако, содержание фенолов в ВК в 12 раз выше, чем в СН. Фенольные соединения в СН и ВК представлены эфирами фталиевой кислоты (1Д-дибутилфталат), в ВК определены еще бензофенон, фталиевая кислота и 2,4-бис-(1,1-диметилэтил)-фенол (антиоксидант №33). Такое увеличение содержания фенольных соединений, возможно, связано с интенсивным микробным разложением лигнина и таннинов опилок хвойных пород, входящих в состав свиного навоза. Известно, что в анаэробных условиях лигнин практически не разрушается, однако при доступе кислорода процесс трансформации интенсифицируется, главным образом, при участии микромицетов [Гришина и др., 1990; Заварзин, 2003]. Изучение органических веществ данным методом не показало наличие в СН или ВК фитогормонов, в частности, гиббереллинов, ауксинов, цитокининов. Для исследования содержания этих соединений в ВК необходимо дальнейшее изучение.
Микробиологические свойства свиного навоза и вермикомпоста
Тепличный грунт, используемый в исследованиях, согласно классификации грунтов по качественным признакам [Методика бонитировки тепличных грунтов..., 1981], можно охарактеризовать как насыпной, минеральный, длительного использования, без обогрева, с естественным дренажом. В грунте умеренное содержание органического вещества (13,3%), нормальная реакция среды (6,5) и нормальное содержание солей (2,0 mSm/sm). Содержание минерального азота (3,5 мг/100г) и водорастворимого калия (7,8 мг/ЮОг) в грунте соответствует низкой степени его обеспеченности по этим элементам, концентрация фосфора (2,1 мг/100г) -умеренному уровню. Содержание общего азота составляет 0,35%. За два года вегетации овощных культур внесение СН в дозах 16 и 24 т/га значимо увеличивало кислотность почвенного раствора грунта относительно как контрольного варианта, так и вариантов с аналогичными дозами ВК (табл.7). Использование органических удобрений существенно повышало величину гидролитической кислотности относительно контроля. Так, при внесении СН значимых отличий между вариантами не наблюдали. Максимальная доза ВК вызывала существенное увеличение показателя Нг относительно более низких доз ВК, значимо не отличаясь от вариантов с навозом. Такое увеличение, по-видимому, связано с выделением углекислоты и органических кислот при интенсивном разложении органического вещества на данных вариантах.
Концентрация солей почвенного раствора является одним из основных показателей пригодности тепличных грунтов. При внесении больших доз удобрений нередко наблюдается повышение концентрации солей в растворе, а так как поглощающий комплекс тепличных грунтов сильно насыщен основаниями (степень насыщенности составляет 90-98%), адсорбция катионов коллоидами ограничена и минеральные элементы поступают в раствор.
После двух лет использования тепличного грунта контрольный вариант по показателю электропроводности (ЕС) переходит из разряда нормального содержания водорастворимых солей в разряд с их умеренной концентрацией. Внесение органических удобрений обеспечивает нормальный уровень концентрации солей, причем, значимое увеличение ЕС относительно контроля отмечено на всех вариантах. Так, на вариантах со СН максимальное значение данного показателя наблюдали при его внесении в дозе 24 т/га, в то время как для ВК отмечена обратная тенденция.
Известно, что ЕС грунтов зависит, главным образом, от концентрации соединений водорастворимого калия и нитратного азота. Множественный корреляционный анализ показал, что в нашем исследовании содержание водорастворимого калия, по-видимому, являлось основным фактором, определяющим величину БС, так как коэффициент корреляции составлял +0,93 как в 2003, так и в 2004 году. Таким образом, для содержания калия прослеживали аналогичные тенденции, что и для величины БС. Необходимо отметить, что все варианты опыта характеризуются низким уровнем концентрации этого элемента.
Содержание фосфора увеличивалось с возрастанием дозы вносимого удобрения, аналогичные тенденции были отмечены ранее и другими исследователями [Филиппова, 2000; Агафонов и др., 2001]. По-видимому, это объясняется интенсивным разложением органического вещества (высокая положительная корреляция г=+0,86 в 2003 году между содержанием органического вещества и водорастворимого фосфора) и переводом органических форм фосфора в доступные для растений минеральные соединения за счет фосфатазной активности бактерий и растений, а также влиянием корневых выделений растений (органических кислот) на растворение труднорастворимых минеральных соединений [Назарюк, 2004].
Варианты с минимальными дозами удобрений можно отнести к нормальному уровню, причем, содержание фосфора здесь значимо ниже по сравнению с контрольным вариантом, который характеризуется повышенным содержанием этого элемента.
Условия закрытого грунта обуславливают интенсивную ежегодную минерализацию органического вещества, составляющую 10-20% [Овощеводство защищенного грунта, 1983]. Таким образом, внесение органических удобрений является одним из обязательных мероприятий для создания оптимальных условий для выращивания овощных культур. В проведенных нами исследованиях показано, что на варианте без внесения удобрений наблюдается более значительное снижение содержания органического вещества. Относительно исходного грунта данный показатель уменьшился на 23%. Для двух лет исследования при внесении СН и ВК наблюдали аналогичные тенденции: минимальное содержание органического вещества на вариантах с дозой удобрений 16 т/га, более высокие - на 24 т/га и самые высокие - 8 т/га. Внесение удобрений значимо увеличивало количество общего азота относительно контроля. Изменения данного показателя подвержены тем же тенденциям, что и содержание органического вещества, так как в нем содержится более 90% всего азота почвогрунта. Несмотря на то, что концентрация общего азота в грунте на всех вариантах достаточно велика, содержание доступных минеральных соединений характеризуется как низкое.
Влияние органических удобрений на микробиологические свойства тепличного грунта
В качестве исследуемой культуры нами был выбран листовой салат сорта Московский парниковый, как пример наиболее чувствительной и часто выращиваемой в закрытом грунте овощной культуры.
Анализ урожайных данных показал (табл.10), что в первый год вегетации при внесении СН максимальная прибавка относительно неудобренного грунта была получена на варианте с минимальной дозой навоза (8 т/га). Множественный корреляционный анализ показал прямую зависимость урожая салата от содержания водорастворимых форм калия (г= +0,91), содержание которых было оптимальным на варианте СН8 из-за отсутствия конкуренции со стороны м/о за питательные элементы, как на других вариантах. Именно на этом варианте отмечали наименьшую численность, как бактерий, в том числе актиномицетов, так и микроскопических грибов.
Урожаи на всех вариантах с ВК значимо не отличались между собой, прибавки составляли 11-13 % относительно контрольного варианта. Величина прибавки урожая позволяет отнести салат сорта «Московский парниковый» согласно градации отзывчивости на ВК к средне отзывчивым культурам [Агроэкология, 2000]. Снижение урожая при использовании ВК относительно СН связано, по-видимому, с меньшим содержанием доступных для растений форм основных питательных элементов на этих вариантах. Во второй год урожай листового салата был меньше, чем в первый, что, по-видимому, связано с изменением содержания питательных веществ в тепличном грунте, в частности с уменьшением содержания минерального азота, который необходим для фотосинтеза и роста листьев салата. Следует отметить, что средняя температура в теплице во второй год вегетации была существенно выше, чем в первый, что, по-видимому, также повлияло на урожайность овощных культур. Во второй год достоверные прибавки отмечены только на вариантах СН16, ВК16 и ВК24. Второй культурой был выбран редис сорта «Корунд», как и салат, часто выращиваемый в закрытом грунте и по своим физиологическим особенностям сходный с зеленными культурами.
На всех вариантах с удобрениями были получены значимые прибавки урожая редиса (табл.10) относительно контрольного варианта в первый год вегетации. Однако существенных отличий с возрастанием дозы ВК в величине урожая не отмечено. На вариантах со СН значимо отличается СН24 от других доз свиного навоза. Значимых отличий между аналогичными дозами СН и ВК не показано. Величина прибавки урожая при использовании ВК позволяет отнести редис сорта «Корунд» согласно градации к хорошо отзывчивым культурам [Агроэкология, 2000]. Множественный корреляционный анализ показал высокую прямую зависимость урожая редиса от содержания водорастворимых форм фосфора и калия в грунте (г=+0,93 и г=н-0,85, соответственно).
Во второй год значимые прибавки относительно неудобренного грунта отмечены только на вариантах СН16, ВК16 и ВК24, как и при выращивании салата. Несмотря на то, что во второй год выращивания в тепличном грунте уменьшается количество элементов питания, урожай товарной массы редиса выше, чем в первый год. Это, по всей видимости, можно объяснить разницей температурных режимов грунта. Во второй год выращивания в августе наблюдались более оптимальные температуры для выращивания редиса.
Изучение показателей качества овощных культур показало, что в листьях салата первого года вегетации наблюдается существенное увеличение содержания азота (за исключением варианта ВК16), фосфора и калия на вариантах со СН относительно ВК (табл.11). Существенные отличия содержания питательных элементов в корнеплодах редиса наблюдали во второй год, где было показано, что на вариантах с ВК больше азота в редисе, но меньше фосфора и калия. Тенденция уменьшения калия в редисе с увеличением дозы удобрения связана с ростовым «разбавлением» (г= -0,92 для урожая и содержания калия в редисе в 2003 году). Во второй год значимые отличия отмечали по содержанию фосфора, количество которого было больше на вариантах с ВК. Следует отметить меньшие концентрации этого элемента, а также калия в салате во второй год вегетации.
Анализ содержания такого важного качественного показателя для зеленных овощей как витамин С показал, что его количество в листьях салата значимо выше на варианте с ВК в дозе 8 т/га относительно СН 8, как в первый, так и во второй год эксперимента (рис.8). Для ВК отмечена тенденция уменьшения содержания аскорбиновой кислоты с увеличением дозы, что, по-видимому, связано с ростовым разбавлением за счет более высокого урожая. Следует отметить уменьшение содержания витамина С во второй год исследования. Это, по-видимому, связано с наименее благоприятным температурным режимом во второй год эксперимента для выращивания салата, когда происходил значительный расход аскорбиновой кислоты как антиоксиданта, направленный на реконструкцию поврежденных структур и поддержание метаболизма. Следовательно, снижение содержания витамина С во второй год может свидетельствовать об усилении защитной реакции растения, хотя не исключено подавление самого синтеза аскорбиновой кислоты.
Известно, что салат обладает относительно высокой способностью накапливать нитраты [Овощеводство, 2003]. Наши исследования показали, что концентрации нитратов увеличивались с возрастанием дозы органических удобрений и были значимо выше при внесении СН в дозах 16 и 24 т/га в первый год эксперимента. На содержание нитратов в растительной продукции влияют многие факторы: количество нитратов в почве, рН среды, температура, освещенность и другие. Корреляционных зависимостей содержания нитратов от изученных агрохимических показателей грунта показано не было (приложение 6). По-видимому, большие концентрации нитратов в салате при внесении СН обусловлены факторами, которые не учитывались в нашем исследовании. Согласно литературным данным «биогумус» может оказывать как блокирующее действие на накопление нитратов, так и увеличивать их содержание в растениях [Терещенко, 2002]. Во второй год эксперимента концентрация нитратов в растениях были существенно ниже, чем в первый на всех вариантах. Следует отметить, что при внесении СН и ВК в дозе 8 т/га концентрация нитратов в салате подвергались меньшим колебаниям, чем при использовании более высоких доз удобрений. Превышений ПДК не показано.
