Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор научной литературы 8
1.1. Влияние на биологическую активность почвы некоторых природных и агрогенных факторов 8
1.2. Связь биологической активности с трансформацией органического вещества почвы 17
1.3. Влияние агрогенных факторов и местоположения в рельефе на трансформацию органического вещества почвы 21
Глава 2. Объекты, условия проведения опыта и методы исследований 30
Глава 3. Влияние экологических факторов на биологическую активность чернозёма типичного 39
3.1. Влияние внесения удобрений и севооборотов на биологическую активность чернозёма типичного в зависимости от экспозиции склона 39
3.1.1. Влияние органо-минеральных удобрений на биологическую активность почвы в экосистеме зернотравяного севооборота 39
3.1.2. Влияние органо-минеральных удобрений на биологическую активность почвы в экосистеме зернопаропропашного севооборота 49
3.2. Влияние сельскохозяйственных культур на биологическую активность чернозёма типичного в зависимости от внесения удобрений и местоположения в рельефе 57
3.3. Динамика биологической активности чернозема типичного в зависимости от местоположения в рельефе и антропогенного экологического фактора 70
3.3.1. Динамика содержания микробной биомассы в почве 70
3.3.2. Динамика продуцирования С02 с поверхности почвы 82
3.3.3. Динамика интенсивности разложения целлюлозы в пахотном слое чернозёма типичного 89
Глава 4. Влияние экологических факторов на состав органического вещества чернозёма типичного и его динамику 96
4.1. Влияние внесения органо-минеральных удобрений и экспозиции склона на органическое вещество чернозёма типичного 96
4.1.1. Влияние органо-минеральных удобрений и экспозиции склона на состав органического вещества чернозёма типичного в экосистеме зернотравяного севооборота 96
4.1.2. Влияние органо-минеральных удобрений и экспозиции склона на состав органического вещества чернозёма типичного в экосистеме зернопаропропашного севооборота
4.2. Влияние сельскохозяйственных культур и севооборотов на органическое вещество чернозёма типичного в зависимости от внесения удобрений и местоположения в рельефе 147
4.3. Динамика гумусовых веществ в черноземе типичном в зависимости от местоположения в рельефе и антропогенного экологического фактора 151
4.3.1. Динамика гумуса в чернозёме типичном
4.3.2. Динамика лабильных гумусовых веществ в почве
Глава 5. Оценка связи показателей биологической активности с составом гумусовых веществ и некоторыми свойствами пахотного чернозёма типичного 194
5.1. Оценка связи показателей биологической активности почвы с количественным и качественным составом гумусовых веществ 195
5.2. Оценка связи между различными показателями биологической активности чернозёма типичного и некоторыми свойствами почвенного плодородия 200
Выводы 208
Библиографический список 212
Приложения 228
- Влияние внесения удобрений и севооборотов на биологическую активность чернозёма типичного в зависимости от экспозиции склона
- Влияние внесения органо-минеральных удобрений и экспозиции склона на органическое вещество чернозёма типичного
- Оценка связи показателей биологической активности почвы с количественным и качественным составом гумусовых веществ
Введение к работе
Актуальность темы. В связи с возрастанием антропогенной нагрузки на почвы наблюдается их постепенная деградация, снижение плодородия, нарушается способность к саморегуляции. Для регулирования и оптимизации экологического состояния чернозёмов, управления функционированием экосистем, актуально изучение влияния управляемых и неуправляемых экологических факторов на его показатели.
Важнейшим показателем экологического состояния почвы является её биологическая активность, характеризующая жизнедеятельность микробоценоза, подвергающегося наибольшим изменениям при антропогенных воздействиях. В то же время определяющая экологическая роль в чернозёмных почвах принадлежит гумусовым веществам. Микробная биомасса, являясь одним из главных компонентов активной фракции органического вещества чернозема и одновременно выполняя посредническую функцию в трансформации важнейших питательных элементов, играет важную роль в почвенном плодородии, питании растений, а, следовательно, и в функционировании экосистем. Однако в настоящее время микробная биомасса чернозёмов, её сезонные изменения и влияние на неё антропогенного экологического фактора в зависимости от экспозиции склона изучены ещё недостаточно. В то же время, несмотря на многообразие данных, свидетельствующих о тесной связи микробиологических процессов с трансформацией органического вещества, существует их определённая неоднозначность, требующая дальнейшего углубленного изучения данной проблемы.
Знание особенностей динамики основных компонентов органического вещества почвы и биологической активности в зависимости от местоположения в рельефе и антропогенного экологического фактора является необходимым условием для управления плодородием почвы и повышения продуктивности экосистем, длительное и плодотворное использование которых становится возможным только при экологически грамотном подходе к регулированию их функций.
Цели и задачи исследований. Целью наших исследований являлось изучение особенностей влияния некоторых экологических факторов на биологическую активность и состав органического вещества чернозёма типичного в экосистеме микробоценоз - почва - растение.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
Изучить влияние экологических факторов на микробную биомассу и её динамику в чернозёме типичном.
Установить степень и характер сезонного варьирования эмиссии С02 из почвы и интенсивности разложения целлюлозы под влиянием некоторых экологических факторов.
3. Исследовать особенности многокомпонентной системы органического вещества чернозёма типичного и её динамики в зависимости от внесения органо-минеральных удобрений, вида севооборота и местоположения в рельефе.
4. Выявить закономерности и количественно оценить взаимосвязи показателей биологической активности, их динамики с трансформацией количественного и качественного состава органического вещества чернозёма типичного.
Научная новизна
Впервые проведено сопряженное комплексное исследование динамики различных компонентов и групп органического вещества и показателей биологической активности (интенсивности разложения целлюлозы, эмиссии СОг и биомассы микроорганизмов) чернозёма типичного в зависимости от экспозиции склона, севооборотов и внесения органо-минеральных удобрений. Установлены особенности воздействия некоторых экологических факторов на содержание микробной биомассы, а также характер и направленность ее динамики в чернозёме типичном.
7 Впервые дана количественная оценка экологической роли состава гумусовых веществ для микробоценоза чернозёма типичного.
Практическая значимость работы
Установленные особенности воздействия экологических факторов на показатели и динамику биологической активности состава гумусовых веществ изучаемых почв, а также выявленные закономерности оценки связи между ними могут быть использованы при разработке систем управления биологической активностью и воспроизводством органического вещества черноземов в целях улучшения их экологического состояния. Апробация работы.
Результаты исследований были представлены на научно практической конференции Курского отделения Докучаевского общества почвоведов (Курск, 1999); на научно практической конференции " Земледелие в XXI веке. Проблемы и пути решения" в ВНИИЗ и ЗПЭ (Курск, 2000); на Международной научно практической конференции ". Идеи В. В. Докучаева и современные проблемы сельской местности" в Смоленском гуманитарном университете (Смоленск, 2001); на 5-й региональной научно практической конференции "Проблемы экологии и экологической безопасности Центрального Черноземья РФ " в эколого-гуманитарном институте (декабрь, 2001).
По материалу диссертации опубликовано 4 работы.
Влияние внесения удобрений и севооборотов на биологическую активность чернозёма типичного в зависимости от экспозиции склона
В почве под многолетними травами совместное внесение органических и минеральных удобрений способствовало повышению в ней содержания микробной биомассы до 17% на склоне северной экспозиции и до 32% на склоне южной экспозиции в зависимости от слоя почвы и временного фактора (табл. 6-9). Такое увеличение биомассы микроорганизмов в чернозёме типичном в зависимости от этих же факторов на склоне северной экспозиции в слоях 0-10, 10-20, 20-30 см соответственно составило до 17%, 13% , 14%, а на склоне южной экспозиции - до 35%, 29%, 12%. На наш взгляд, наибольшее влияние органо-минеральных удобрений на количество микробной биомассы в почве на склоне южной экспозиции связано с особенностями гидротермических и почвенных условий данного склона, которые влияют на рост, развитие растений и микроорганизмов, жизнедеятельность которых взаимосвязана. Аналогичная закономерность сохранялась и в слоях 0-20 см, 0-30 см чернозёма типичного под клевером (табл.6-9). Однако такой эффект вносимых удобрений наблюдался не всегда. Так, (табл.6-8) в середине мая в слое почвы 10-20 см на склоне обоих экспозиций количество микробной биомассы на вариантах опыта с применением удобрений и без них оставалось на одном уровне, а в начале июля в слое 20-30 см склона южной экспозиции было даже несколько меньшим (на 6%).
При совместном использовании навоза и минеральных удобрений на склоне южной экспозиции возрастает эмиссия СОг из чернозёма типичного на 78% в конце мая, на 13% - в середине июня и на 54% - в августе (рис.1). На склоне северной экспозиции влияние вносимых удобрений проявляется только в начале августа, повышая продуцирование СОг с поверхности почвы на 55% по сравнению с контрольным вариантом. В конце мая на склоне данной экспозиции отмечается лишь тенденция его увеличения, а в середине июня дыхание почвы на вариантах опыта остается без изменений и составляет 3,52 кг/час/га (рис.1).
Применение органических и минеральных удобрений повышало интенсивность разложения целлюлозы в слое, почвы 0-20 см на 109-485% на склоне северной экспозиции и на более 500% - на склоне южной экспозиции в зависимости от временного фактора (рис.2).
Таким образом, результаты анализа наших экспериментальных материалов показали, что использование органо-минеральных удобрений под клевером приводит к существенному изменению биологической активности почвы. Совместное внесение навоза и минеральных удобрений способствует повышению содержания микробной биомассы, увеличению продуцирования СОг с поверхности почвы и интенсивности разложения целлюлозы в слое 0-20 см чернозёма типичного. Степень повышения изучаемых показателей биологической активности при этом определяется экспозицией склона и динамикой химических и биологических процессов в почве.
На водораздельном плато в почве под ячменем на варианте с применением навоза и минеральных удобрений содержание биомассы микроорганизмов было выше, чем в почве контрольного варианта без удобрений на 4-118% в зависимости от слоя почвы и временного фактора (табл. 10-13). Такое его увеличение в зависимости от срока определения микробной биомассы наибольшее в слое 0-10 см чернозёма типичного и составило 11-118%, в слоях 10-20 см, 20-30 см оно было ниже и достигало соответственно 9-27%, 4-19% (табл. 10-13). При этом от середины мая к концу сентября влияние вносимых удобрений на содержание биомассы микроорганизмов в слоях почвы под ячменем 10-20, 20-30 см увеличивается. Повышение микробной биомассы при использовании удобрений наблюдается и в слоях почвы 0-20, 0-30 см, но наибольшее в слое 0-20 см. (табл. 10-13).
Положительный эффект внесения органических и минеральных удобрений на изучаемый показатель биологической активности, вероятно, связан как с поступлением в почву питательных элементов и органических веществ, доступных растениям и микроорганизмам, так и с улучшением структурного состояния и водно-воздушного режима почвы. Механизм действия органических удобрений на микрофлору многогранен: а) изменение рН в сторону нейтральной; б) изменение физических свойств почвы, оказывающих благоприятное влияние на размножение микроорганизмов;в) усиление развития растений и роста их массы корней, что приводит к увеличению ризосферных микроорганизмов. Развитию ризосферной микрофлоры способствуют и минеральные удобрения, обеспечивая подкормку растений нужными элементами в течение более длительного времени.
Влияние внесения органо-минеральных удобрений и экспозиции склона на органическое вещество чернозёма типичного
Так, при использовании навоза и минеральных удобрений в середине мая в слое почвы 0-10 см на 37% возрастает количество лабильных гумусовых веществ по сравнению с контрольным вариантом без удобрений на склоне северной экспозиции и на 16% - на склоне южной экспозиции (табл.6). Повышение содержания лабильных гумусовых веществ во всех изучаемых слоях почвы установлено в конце сентября на склонах обоих экспозиций и в середине июля на склоне южной экспозиции (табл.6-9) Во все сроки отбора почвенных образцов в слоях 0-10 см, 10-20 см, 20-30 см чернозёма типичного и внесением удобрений наблюдается повышение количества лабильных гуминовых кислот на склоне южной экспозиции и в большинстве случаев - на склоне северной экспозиции (табл.6-9). Так, на склоне южной экспозиции такое увеличение в этих слоях почвы соответственно составило до 200%, 133 %, 136%, а на склоне северной экспозиции до 18%), 22%,27% в зависимости от временного фактора. Такое различие между экспозициями в содержании лабильных гуминовых кислот в почве при внесении удобрений, по-видимому, связано с различной структурой микробных ассоциаций на данных склонах, что в сочетании с особенностями гидротермических и почвенных условий (рН среды и др.) обусловливает различную трансформацию органического вещества чернозёма типичного.
Наряду с увеличением в составе лабильных гумусовых веществ гуминовых кислот под влиянием органо-минеральных удобрений установлено и повышение содержания в почве микробной биомассы (табл.6-9), причём большее на склоне южной экспозиции. Так, на склоне северной экспозиции её увеличение в слое 0-20 см чернозёма типичного составило до 11 %, а в слое 0-30 см до 10%, на склоне южной экспозиции соответственно до 32%), 19%. При этом биогенность лабильных гумусовых веществ в зависимости от временного фактора и применения органо-минеральных удобрений в 1,3 - 2,4 раза была выше на склоне южной экспозиции, чем на северной (табл. 6-9).
Характеризуя качественный состав лабильного гумуса, можно отметить, что внесение органических и минеральных удобрений способствовало его улучшению. Так, на склоне южной экспозиции применение удобрений повышало соотношение Слгк/СсЛфкв слоях почвы 0-10 см до 64%, 10-20 см -до 57%, 20-30 см - до 84%о в зависимости от временного фактора. На склоне северной экспозиции такой эффект воздействия удобрений наблюдался в этих слоях чернозёма типичного в начале июля, конце сентября и предыдущие сроки отбора образцов в слое 10-20 см, где степень гумификации лабильного гумуса была выше на 6-37% (табл.6-9).
Под влиянием вносимых в почву органо-минеральных удобрений отмечена тенденция к увеличению содержания инертного гумуса (табл.6-9).
Процентное содержание негумифицированного органического вещества (табл.6-9) в начале июля возрастало в почве на вариантах с применением удобрений на склоне южной экспозиции как в слое 0-20 см до 21%, так и в слое 0-30 см до 18%). На склоне северной экспозиции влияние внесения удобрений проявилось только в слое почвы 10-20 см, повысив его содержание на 48%.
На водораздельном плато в почве под ячменём внесение навоза и минеральных удобрений способствовало повышению содержания гумуса до 7 относительных процентов в зависимости от слоя почвы и срока отбора образцов (табл. 10-13), особенно - в середине мая в слое 0-10 см.
Более значительные изменения при использовании удобрений отмечаются в составе лабильных гумусовых веществ. Так, применение органических и минеральных удобрений способствовало их повышению в слоях 0-20 см, 0-30 см в среднем до 12%.
Оценка связи показателей биологической активности почвы с количественным и качественным составом гумусовых веществ
Так, коэффициент корреляции, характеризующий связь между содержанием биомассы микроорганизмов в почве и количеством в ней лабильных гуминовых кислот в зависимости от временного фактора и гидротермических условий года был равен -0,29 - 0,65, при этом в наибольшей степени варьирование микробной биомассы (на 42%) в чернозёме типичном определялось содержанием лабильных гуминовых кислот в начале мая в 2000 году. Коэффициент же корреляции, характеризующий связь между содержанием биомассы микроорганизмов в почве и содержанием фульвокислот, изменялся от 0,30 в середине мая 1999 года до 0,81 в конце июня 2000 года. На основании полученных экспериментальных материалов установлено, что интенсивность разложения целлюлозы в слое 0 - 20 см чернозёма типичного коррелирует с содержанием гумуса в почве (табл. 32). Так, положительная и сильная связь (г = 0,73-0,89) между этими показателями наблюдалась в весенне-летний период в 1999 году. В 2000 году в начале мая - конце июня она была отрицательной и средней г = -0,31 - (- 0,48), а в конце июня - конце сентября - положительной и слабой г = 0,31-0,34. В 2001 году такая связь была несущественной. Между интенсивностью разложения хлопчатобумажного полотна и содержанием лабильных гумусовых веществ в почве, как правило, обнаруживается отрицательная корреляция: слабая в 1999, 2001 годах и сильная (г = - 0,75 - (- 0,80)) в конце июня - сентябре 2000года (табл. 32). Исключение составила середина июня в 2000 году, когда отмечалась положительная корреляция средней степени. В большинстве случаев отрицательная корреляция отмечалась и между интенсивностью разложения целлюлозы в чернозёме типичном и содержанием лабильных фульвокислот. Коэффициент корреляции изменялся в данном случае от -0,46 в июле, августе 1999 года до -0,60 в июле 2000 г. Но наиболее значительным он был 199 в июне 2000 года (г = 0,65). Можно предположить, что такая отрицательная связь является следствием того, что лабильные гумусовые вещества и, в частности, лабильные фульвокислоты служат питанием для целлюлозоразрушающих микроорганизмов. Неоднозначной была выявленная корреляционная связь между интенсивностью разложения хлопчатобумажного полотна и содержанием в чернозёме типичном лабильных гуминовых кислот. Так, в начале лета 1999 и 2000 года степени связи колеблются от 0,34 до 0,40, а в конце лета - начале осени 2000 года она достигает соответственно -0,87, -0,79. Варьирование интенсивности разложения целлюлозы в слое почвы 0 -20 см в течение изучаемого периода в зависимости от временного фактора и гидротермических условий года определяется до 42% - содержанием фульвокислот, до 64% - содержанием лабильных гумусовых веществ, до 76% - количеством лабильных гуминовых кислот и до 79% - содержанием гумуса в почве.
Несколько реже наблюдалась связь между показателями трансформации органического вещества чернозёма типичного и продуцированием СОг с поверхности почвы, являющимся с одной стороны результатом жизнедеятельности микроорганизмов, а с другой стороны - результатом дыхания корней растений (табл. 32). Как указывает В.В. Гейдебрехт (1999), этому обстоятельству могут быть даны разные объяснения. Наиболее простое из них сводится к тому, что далеко не вся микробная биомасса пребывает в активном состоянии и способствует разложению органического вещества почвы. Значительная её часть может находиться в анабиозе, дожидаясь благоприятной сукцессии, либо какого-то возмущающего воздействия в форме поступления необычного вещества или гибели определённых популяций, оставляющих незанятую экологическую нишу. Так, слабая обратная корреляционная связь выделения С02 из почвы с содержанием лабильных гумусовых веществ отмечалась лишь перед уборкой урожая в 2001 году. Коэффициент корреляции в данном случае составляет -0,30, а 200 варьирование эмиссии СО2 из почвы связано всего на 9% с варьированием их содержания. Обратная связь средней степени рассматриваемого показателя с содержанием лабильных гуминовых кислот наблюдалась только в начале осени 2000 года. В 2001 году она была слабой (г = -0,34) и отмечалась лишь в конце лета. При этом варьирование выделения ССЬ из почвы определялось в зависимости от конкретного года соответственно на 22%, 11% содержанием в ней лабильных гуминовых кислот.
