Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор литературы
1.1. Биологическая активность почвы как характеристика ее потенциального плодородия 8
1.2. Влияние внешних условий на изменение активности микробиологических процессов разных типов почв 12
1.3. Направленность изменений показателей биологической активности почвы при антропогенном воздействии
1.3.1. Влияние процесса освоения и окультуривания на жизнедеятельность почвенных микроорганизмов 23
1.3.2. Динамика биологической активности почв под влиянием удобрений 27
2. Цель, условия и методы проведения исследований
2.1. Цель и задачи исследований 39
2.2. Методика постановки опытов 41
2.3. Условия проведения экспериментов
2.3.1. Погодные условия 49
2.3.2. Почвенные условия 50
2.4. Методы лабораторных исследований 55
3. Результаты исследований
3.1. Изменение активности микробиологических процессов в почве при средних дозах внесения удобрений
3.1.1. Динамика биологической активности почвы в течение вегетации и по годам 59
3.1.2. Влияние удобрений на биологическую активность почвы и проявление токсичности
3.2. Динамика показателей микробиологической активности почвы под действием систематического внесения высоких дозорганических удобрений 71
3.2.1. Опыте жидким свиным навозом 72
3.2.2. Опыты с птичьим пометом
3.3. Биологическая активность почв с очень высоким содержанием подвижных фосфатов 94
3.4. Потенциальная биологическая активность почвы и ее динамика
3.4.1. Исследования на дерново-подзолистой почве 99
3.4.2. Исследование на почве с очень высоким содержанием подвижных фосфатов 113
3.5. Оценка наличия и тесноты связи между показателями биологической активности почвы и некоторыми характеристиками агроэкосистемы
3.5.1. Оценка степени влияния содержания подвижных фосфатов в почве на изменение ее биологического состояния 122
3.5.2. Оценка степени влияния активности микробиологических процессов на продуктивность почв 125
Выводы 130
Рекомендации производству 133
Список литературы
- Направленность изменений показателей биологической активности почвы при антропогенном воздействии
- Влияние процесса освоения и окультуривания на жизнедеятельность почвенных микроорганизмов
- Условия проведения экспериментов
- Биологическая активность почв с очень высоким содержанием подвижных фосфатов
Направленность изменений показателей биологической активности почвы при антропогенном воздействии
Кроме этого, следует отметить работы Л.М. Загуральской, Р.А. Егоровой и П.Г. Сманцера (1972), Г.П. Голодяева (1972), Л.С. Шугалей (1980), Л.А. Мурдам, О.О. Рыыса, Л.К. Сирпа (1981), А.А. Широких (1995), посвященные изучению зависимости активности различных ферментов от колебаний гидротермического режима в условиях умеренного и континентального климата.
Исследованием биологической активности почв степной зоны занимались Э.Н. Михайлова, З.И. Никитина, (1972), С.А. Алиев, Д.А. Гаджиев (1979), Е.И. Л.А. Перемузова и Л.Ф. Гайдамакина (1981), Т.А. Девя-това Т.А. (1996, 2000), А.Г. Синчин (1999) и др.
В целом же направление сезонной динамики и амплитуды колебаний биологической активности почв независимо от зоны их распространения определяются гидротермическими условиями в течение вегетационного периода. В годы с нормальным выпадением осадков в вегетационный период (достаточное количество и равномерность) динамика биологической активности положительно сопряжена с температурным режимом почвы и имеет летние максимумы, в засушливые годы она лимитируется недостатком влаги и имеет летние минимумы.
Однако следует отметить, что размах колебаний биологической активности в течение вегетационного периода небольшой. Обычно изменение биологической активности с отдельными подъёмами и спадами происходит вокруг среднего значения, и, вследствие гомеостатичности почвы, она стремится к определенному относительно стабильному уровню, характерному для данной почвы (Звягинцев Д.Г., 2000).
Анализ литературных данных показывает, что агрохимические свойства почв играют немаловажную роль в формировании их биологической активности. По мнению Н.Л. Благовидова (1960) основными показателями плодородия почв являются гумус, уровень рН и содержание подвижного фосфора; именно эти свойства учитываются в первую очередь при бонитировке почв.
Гумус - это жизненная основа и продукт жизнедеятельности почвенных микроорганизмов и растений. Поэтому можно утверждать о наличии определенной взаимосвязи между содержанием гумуса и биологической активностью почвы, что подтверждается многочисленными исследованиями (Хазиев Ф.Х., 1972; Щербакова Т.А., 1980; Мс Laren A.D. а.о., 1975 и др.). Интересно отметить, что с активностью карбогидраз связано содержание в почве подвижного воднорастворимого гумуса. Такая зависимость позволила И.В. Александровой (1959) сделать важный вывод о том, что активность сахаразы свидетельствует о присутствии в почве легкоподвижных биологически активных форм органического вещества. Как указывают С.Н. Ивлева и Н.А Шимко (1997) между активностью инвертазы и количеством водорастворимого органического вещества существует корреляционная связь, которая свидетельствует о том, что активность инвертазы отражает в некоторой степени процессы, связанные с превращением органического вещества в почве. В.О. Виземюллером (1968) отмечена зависимость от сахаразной активности состава гумуса.
Т.В. Аристовская (1965), изучая микробиологию подзолистых почв, обнаружила, что типичным для данного типа почв является резко выраженная приуроченность наиболее активных биологических процессов к верхней части их профиля. Это обусловлено тем, что основная масса корней расположена в верхних почвенных горизонтах. В соответствии с этим поступление свежего органического материала и процессы его превращения микроорганизмами также ограничиваются преимущественно верхними горизонтами почв. Аналогичные данные представлены в работе А.А. Широких (1995) на кислых дерново-подзолистых почвах Кировской области, Т.А. Девятовой (1996) на черноземах ЦЧЗ и Н.Н. Студеникиной (2000) на окультуренной серой лесной почве Владимирского ополья.
Любые биохимические процессы протекают лишь в оптимальных для них интервалах концентрации водородных ионов. Поэтому и микроорганизмы, различающиеся по своей физиологической природе, требуют специфических условий реакции внешней среды. Микробиологами установлено, что основные и нейтральные почвы содержат большее число микроорганизмов, особенно бактерий (Пейве Я.В., 1961).
Исследования, проведённые Т.В. Аристовской (1965) по микрофлоре нескольких разновидностей подзолистых почв Ленинградской и Вологодской областей, показали, что с понижением кислотности почвенного раствора общая биогенность почв возрастает. Аналогичные закономерности изменения биологической активности в зависимости от кислотности подзолистых почв обнаружили А.Ш. Галстян (1968), Е.Н. Мишустин (1972), Н.Н. Наплёкова (1974), Л.С. Шугалей (1980), О.Д. Шарафутдинова (1999). Я.В. Пейве (1961) в своей работе по биохимии почв указывает на то, что повышение концентрации водородных ионов снижают активность бактерий, разлагающих органические вещества почв, а также негативно сказывается на процессах нитрификации.
Кроме того, ряд исследователей указывают на отрицательное влияние на биологическую активность почв присутствия в почвах отдельных элементов. Так, А.А. Широких (1995) при изучении микрофлоры кислых дерново-подзолистых почв Кировской области, установил выраженную отрицательную корреляцию биогенности почв с содержанием подвижного алюминия. Активность ферментов резко подавляется также под влиянием активного и поглощенного натрия, который создает высокую щелочную реакцию среды (рН 9,0-11,0) (Галстян А.Ш., 1977).Андреюк, Е.В. Валагурова, А.Ф. Корниенко (1981), СМ. Мир-джалилова (1981),
Влияние процесса освоения и окультуривания на жизнедеятельность почвенных микроорганизмов
Данный опыт был заложен на вегетационной площадке кафедры агрохимии и агроэкологии профессором В.й. Титовой 05. 06. 1995 года в расчете на пять лет по схеме, предусматривающей шесть вариантов, которые представлены различными уровнями по содержанию подвижного фосфора (все шесть уровней созданы искусственно). Для исследований по данной теме были использованы 3 варианта этого опыта, а именно: 1) Pi 250 -500 (300) мг/кг, 2) Р2 750 - 1000 (900) мг/кг, 3) Р3 1500 - 2000 (1800) мг/кг, Для создания фосфатных уровней были использованы рекомендации по внесению фосфорных удобрений на заданное содержание фосфора (Сдобни-кова О.В., 1985; Чумаченко И.Н., 1986). Согласно этим рекомендациям, для увеличения содержания фосфора в серой лесной легкосуглинистой почве на 10 мг/кг надо затратить 80 кг/га действующего вещества.
В результате расчетов было определено, что для получения фона с содержанием подвижного фосфора 300, 900 и 1800 мг/кг почвы необходимо внести соответственно 0,61; 2,21 и 4,61 мг фосфора на 1 кг почвы.
Опыт закладывался в асбесто-цементных трубах диаметром 28 см и высотой 60 см, вмещающих 25 кг почвы подпахотного слоя и 23 кг в 20 см слое, имитирующем пахотный слой. Исследования проводились в четырехкратной повторности, в четыре яруса, со смещением в ярусе на один вариант.
В качестве фосфорного удобрения использован двойной гранулированный суперфосфат, с содержанием 50 % действующего вещества, непосредственно перед внесением в почву размолотый до порошкообразного состояния. Перед набивкой в лизиметры почва была просеяна через грохот и перемешана. В течение последующих лет опыт поддерживался в рабочем состоянии, а в 1998-1999 гг. уход за опытом осуществлялся автором работы. Почвенные образцы для проведения соответствующих анализов по показателям биологической активности отбирались 4 раза за вегетацию растений: 1. Начало вегетации растений - 26.05.98г. и 31.05.99г. 2. Период активной вегетации - 27.07.98г. и 28.07.99г. 3. Ослабление вегетации - 15.09.98г. и 16.09.99г. 4. Полное прекращение вегетации - 03.11.98г. и 04.11.99г. В качестве опытной культуры в 1998 - 1999 годах возделывался козлятник восточный (Galega orientalis Lam.). Модельные лабораторно-полевые опыты Опыты 6-8. Целью закладки лабораторно-полевых опытов являлось моделирование микробиологических процессов в почве после внесения в нее разных удобрений, но без участия растений.
Опыты 6 и 7 заложены на дерново-подзолистой почве разного гранулометрического состава (песчаной и среднесуглинистой соответственно) по схеме, предусматривающей внесение разных доз ЖСН и ПП. Сделаны 2 закладки опытов (в 1999 и 2000 гг.). Повторность в опыте - 3-кратная. Опыты проведены в пластмассовых сосудах на 0,5 кг почвы. Уход за опытом состоял из периодического рыхления (1 раз в неделю) и увлажнения (1-2 раза в неделю) для поддержания постоянной аэрации и влажности, тем самым создавались наиболее благоприятные условия для жизнедеятельности микроорганизмов. Схема опытов 6 и 7: 1. Контроль, без удобрений 2. ПП 20 т/га 3. ПП 40 т/га 4. ЖСН 200 м3/га 5. ЖСН400м3/га Дозы удобрений, поставленных на изучение, были аналогичны тем, которые использовались в опытах 2-4 и приведены в таблице 6. Таблица 6 Дозы внесения удобрений в опытах 6 и Птичий помет Жидкий свиной навоз 20 т/га 40 т/га 200 м3/га 400 м3/га г/кг почвы мл/кг почвы 6,66 13,32 66,6 133,2 Опыт 8 предусматривал своей целью изучение микробиологических свойств почв, имеющих гипертрофированно высокое содержание подвижных фосфатов (от 300 до 1800 мг/кг), а также влияние на указанные свойства дополнительного внесения азотно-калийных удобрений.
Он проведен на светло-серой лесной легкосуглинистой почве с заранее созданными (по ранее описанной методике) фосфатными фонами по следующей схеме: 1) Pj (300 мг/кг) 3) Р2 (900 мг/кг) 5) Р3(1800 мг/кг) 2) P No.iKo.2 4) Р2+ N0,iK0,2 6) Р3+ N0,iK0 2 Дозы удобрений в опыте 8 составили: N-98 мг/кг и К20-112 мг/кг почвы. Показатели биологической активности за период компостирования почвы определяли 4 раза за вегетационный сезон. Сведения по датам отбора проб приведены в таблице 7.
Условия проведения экспериментов
Следует отметить, что описанные выше тенденции справедливы в равной степени как для 1999, так и для 2000 годов. Разница заключается лишь в том, что по погодным условиям 2000 год, как было сказано ранее (см. раздел - погодные условия), был более благоприятным как для развития растений, так и для жизнедеятельности почвенных микроорганизмов. В результате этого биологическая активность почвы в 2000 году в целом несколько выше, чем в 1999 году. Исключение составляет нитрификационная активность, что объясняется особенностями выращиваемой культуры. Как отмечалось ранее, в 1999 году опытной культурой была викоовсяная смесь, а в 2000 году - пшеница озимая. То есть, благодаря наличию бобового компонента в смеси вика+овес появляется дополнительный источник азота и для самих растений, и для ризосферного населения, что способствует активизации нитрификаторов. Пшеница же, как злаковая культура, наоборот, активно потребляет азот в форме Nil/ и Ж)з , и как следствие, почва обедняется этим элементом, а восполнения его недостатка извне, за счет фиксации атмосферного азота, нет. Таким образом, активность нитрификаторов при выращивании пшеницы постепенно снижается.
Кроме того, как это следует из представленных графиков, направление изменений биологических процессов в течение вегетации по годам однотипно. Так на неизвесткованном фоне для активности каталазы и нитрифицирующей способности почвы по всем вариантам опыта характерны одновершинные кривые с максимумом в июле. По активности инвертазы и целлюлозоразлагающей способности напротив наблюдается минимум в данный месяц при относительно высоких значениях данных показателей в мае и августе. И, наконец, продуцирование СОг почвой постепенно снижается с максимума весной до минимума в августе. Несколько иную картину можно наблюдать на известкованном фоне, при сохранении, однако, общей тенденции по годам. Во-первых, спад интенсивности микробиологических процессов, т.е. дыхания почвы, носит более выраженный характер. Кроме этого, как свидетельствуют полученные результаты известкование светлосерой лесной легкосуглинистой почвы оказало влияние и на направление отдельных биохимических реакций. Так на вариантах 3 (NPK+навоз) и 4 (навоз) можно наблюдать пик активности инвертазы в июле, в то время как на неизвесткованном фоне в данный месяц - убыль.
Таким образом, проведенное исследование показало, что изучаемая светло-серая лесная легкосуглинистая почва обладает определенным, характерным для нее, уровнем биологической активности, который подвержен колебаниям, в том числе и за счет изменений гидротермического режима. В соответствии с этим происходят сезонные флуктуации биологической активности.
Учитывая то, что направленность биологических процессов в большей мере определяется кислотностью почвы, а не погодными условиями лет исследования, резонно для уточнения степени влияния доломитовой муки на биологические свойства почвы рассмотреть результаты исследования в среднем за 2 года (табл. 17 и рис. 3). Как показало исследование, мелиорирующее действие известкования проявляется не только в улучшении агрохимических показателей почвы, но и в улучшении ее биологического состояния. За счет проведения периодического известкования повышается биологическая активность почвы, что прослеживается при сравнении вариантов известкованного и неизвесткованного фонов, и в частности, контрольных вариантов, где не было предусмотрено внесение каких-либо удобрений. Полученные данные также свидетельствуют о том, что внесение минеральных, органо-минеральных и органических удобрений на фоне 0\ 0\
Влияние удобрений на биологическую активность почвы в полевом опыте 1 (в среднем за 1999-2000 гг.) № п/п Вариант опыта Инвертаза,мг глюкозы/г/сут Катал аза, 02 мл/г/мин Нитрифицирующая способностьN03" мг/ЮОг Целлюлозоразлагающая способность, % Дыхание, С02 мг/10г/сут значение прибавка значение прибавка значение прибавка значение прибавка значение прибавка
Биологическая активность почвы на фоне многолетнего применения разных систем удобрения, опыт 1 (в среднем за 1999-2000гг.) известкования способствует большей активизации микробиологических процессов в почве, чем без известкования, несколько увеличивается интенсивность дыхания, ферментативная активность и целлюлозоразлагаю-щая способность. Однако следует отметить, что при этом не наблюдается увеличения нитрифицирующей способности, что согласуется с результатами исследований Е.Х. Ремпе с сотрудниками (1981). Кроме этого, следует отметить, что внесение доломитовой муки способствует некоторой стабилизации биологических свойств почвы. То есть, рассматриваемые варианты опыта на известкованном фоне характеризуются близкими значениями показателей биологической активности почвы. Нельзя выделить какую-либо систему удобрений, которая в равной степени способствовала бы повышению всех рассматриваемых показателей биологической активности. В то же время на неизвесткованном фоне хорошо заметен явный приоритет системы удобрений «NPK+навоз», где по всем показателям получены максимальные прибавки к контролю.
И органические, и минеральные удобрения, равно как и химические мелиоранты, могут содержать в своем составе вредные вещества, и, прежде всего, тяжелые металлы, в токсических для растений количествах. Поэтому важно знать, как скажется их применение на прорастании семян культур и на проявлении токсичности почвы. Изучение посевных качеств семян вики и овса, а также озимой пшеницы (табл. 18) показало, что внесение удобрений оказывает положительное влияние на всхожесть и энергию прорастания семян данных культур. При этом степень влияния навоза (4 вариант) на посевные качества семян ниже, чем полного минерального удобрения. Наибольшее же позитивное влияние оказало совместное применение полного минерального удобрения и навоза (3 вариант), что подтверждается статистически. В ходе исследования также установлено, что известкование почвы способствует повышению всхожести и прорастанию семян вики, овса и озимой пшеницы в среднем на 3-7 %.
Биологическая активность почв с очень высоким содержанием подвижных фосфатов
Как было сказано ранее, длительное применение или применение высоких доз птичьего помета и свиного навоза в качестве органических удобрений, часто сопровождается резким повышением содержания подвижных фосфатов в почве. Это явление связано с тем, что основная часть фосфора, содержащегося в удобрениях, закрепляется в почве за счет химического поглощения, в отличие от азота и калия, значительная часть которых вымывается. Поэтому актуальным, по мнению ряда исследователей (Фокин А.Д. и Раджабова П.А., 1996; Ковалева Г.В., 1999), является изучение влияния высокого содержания фосфора в почве на ее биологическое состояние, что рассматривается в данной главе.
Результаты исследования представлены в Приложении 9 и на рис. 9-Ю. Представленные данные (Приложение 9, рис. 9) говорят о том, что показатели биологической активности варьируют в зависимости как от варианта опыта, так и от сезона года, что согласуется с результатами предыдущих экспериментов и с работами Н.А. Красильникова (1958), Е.Х. Ремпе и О.Г. Калтаговой (1965) и др.
Наибольшая активизация микробиологической деятельности приходится на II декаду сентября. Это явление, возможно, связано с тем, что июнь и июль в 1998 - 1999 годах характеризовались недостаточным количеством осадков и высокой температурой. Поэтому в осенний период, когда почва за счет обильных осадков в августе достаточно увлажнена и еще «не остыла», так как лето закончилось только в 1 декаде сентября, происходит бурное развитие микрофлоры и активизация ее жизнедеятельности. Кроме того, для данного периода характерно увеличение количества отмершей как надземной, так и подземной биомассы, которая является субстратом для микроорганизмов. Следовательно, происходит интенсифика 1998 год 1999 год 2- июль 4- ноябрь ция микробиологических процессов, протекающих в почве, именно в осенний период. Так активность инвертазы характеризуется как высокая, цел-люлозоразрушающая способность - как сильная и очень сильная. Высокими значениями отличается и нитрифицирующая способность почвы. В то же время активность каталазы и дыхание почвы в этот период находятся на достаточно низком уровне, как и на протяжении всего времени проведения наблюдений, и дыхание почвы характеризуется как очень слабое, а активность каталазы - слабая.
Особый интерес представляют данные о влиянии различных уровней фосфора на динамику показателей биологической активности почвы (табл. 25, рис. 10).
Влияние высокого содержания подвижных фосфатов на биологическую активность светло-серой лесной почвы, опыт 5 (в среднем за 1998-1999 гг.) № п/п Вариант опыта Инвертаза,мг глюко-зы/г/сут Катал аза, 02мл/г/мин Нитрифицирующая способность, Ж)з мг/ЮОг Целлюлозо-разлагающаяспособность,% Дыхание,со2мг/10г/сут 3 Рзоо РэдоPl800НСР05 36,137,3 38,7 1,2 2,6 1,3 1,81,8 1,7 0,0 -0,1 0,1 12,89,77,9 -зд-4,91,6 52,5 53,5 56,4 1,03,91,1 3,8 2,4 2,1 -1,4-1,7 0,6 Приамечние: - значение показателя; - прибавка к 1 варианту.
Полученные результаты показывают, что при увеличении содержания P20s происходит незначительное (на 3-7 %) повышение активности инвертазы и целлюлозоразрушающей способности почвы. В то же время наблюдается тенденция к снижению активности каталазы и достоверное Интенсивность микробиологических процессов - дыхание почвы
Биологическая активность почв с очень высоким содержанием подвижных фосфатов, опыт 5 снижение нитрифицирующей способности почвы и ее дыхания. То есть, можно сказать, что при увеличении содержания в почве подвижного фосфора до 900 мг/кг почвы и выше за счет внесения фосфорсодержащих удобрений интенсивность микробиологических процессов снижается.
Однако следует отметить, что, несмотря на отрицательное действие, которое оказывает высокое содержание подвижных фосфатов на микробное население почвы, прорастание и всхожесть семян козлятника восточного при этом не ухудшаются (табл. 26). Почва во всех вариантах имеет 0-ю степень токсичности (Приложение 10). Полученные данные подтверждают результаты опытов B.C. Гузева с соавторами (1986) и А.В. Куракова с соавторами (1989), свидетельствующие о том, что применение фосфорных удобрений не лимитируется токсикозом почвы.
Таким образом, проведенное исследование показало, что высокие фоны фосфора, с одной стороны, положительно влияют на активность гидролитических ферментов и целлюлозоразрушающей способность почвы, а с другой - негативно сказываются на активности микроорганизмов - нит-рификаторов и дыхании почвы, то есть в целом на микробном населении почвы. В то же время, как показало исследование, высокое содержание подвижных фосфатов не вызывает токсикоз почвы. 3.4. Потенциальная биологическая активность почвы и ее динамика
В опытах, представленных выше, важная роль отводилась влиянию растений - как одному из определяющих биологическое состояние почвы факторов. Тем не менее, не следует забывать, что и сама почва имеет свой, характерный только для нее микробный пул и соответственно характеризуется определенным уровнем биологической активности. Причем не только виды почв различаются между собой по своему биологическому состоянию, но и почвенные разновидности в пределах одного вида какой-либо почвы будут иметь некоторые свои специфические особенности. На основании сказанного выше были проведены исследования по компостированию почвы. За счет периодического увлажнения и рыхления почвы в сосудах поддерживались наиболее благоприятные условия для жизнедеятельности почвенной микрофлоры и протекания микробиологических процессов. Кроме этого, было исключено непосредственное влияние растений.
Таким образом, результаты, полученные в микроопытах по компостированию почвы в сосудах, характеризуют «потенциальную» биологическую активность, свойственную для определенной почвы, и могут дать более доказательные данные о степени влияния удобрений.
В исследованиях по компостированию (опыты 6-7) использовалась дерново-подзолистая почва разного гранулометрического состава: песчаная и среднесуглинистая. Это было сделано для того, чтобы установить степень значимости для биологии почвы не только гранулометрического состава, но и различного уровня агрохимических показателей, а также для того, чтобы сравнить не только уровень естественной биологической активности, но и характер изменений при внесении удобрений.
