Влияние сельскохозяйственного использования на ферментативную активность верхних горизонтов зональных типов почв

Примечание. Инвертаза — в мг инвертированного сахара на 1 г почвы за 1 сут; уреаза — в мг NH3 на 1 г почвы за 1 сут; фосфатаза — в мг Р₂С>5 на 100 г почвы за 1 ч; пероксидаза и полифенолоксидаза — в мг пурпургаллина на 100 г почвы за 30 мин; дегидрогеназа — в мг ТФФ на 100 г почвы за 1 сут.

При экстенсивном использовании почв, сопровождающемся чаще всего их деградацией, интенсивность микробиологических процессов и ферментативной активности снижается.

2.8.7.2. Почвоутомление

Почвоутомление рассматривается как результат нарушения экологического равновесия в системе почва — растение, являющегося следствием одностороннего воздействия на почвенную среду культурных растений. В качестве определяющего фактора выступает перегруппировка почвенных микроорганизмов в направлении повышения удельного веса агрономически менее ценной и вредной микрофлоры, в частности, увеличения доли микроскопических грибов, актиномицетов и фитотоксичных форм в общем количестве микроорганизмов. Такова реакция микронаселения почвы на однокачественность ежегодно поступающих в нее растительных остатков.

Фитотоксическими свойствами на определенных стадиях раз­ложения обладают остатки практически всех культур, но в раз­ной степени. Например, остатки бобовых обладают ими недолго, а соломистые остатки зерновых колосовых сохраняют эти свойства длительное время.

Почвоутомление проявляется не только при бессменной куль­туре, но и при чередовании сходных по биологии культур или высоком насыщении севооборотов культурами одной группы, хотя в первом случае наблюдается повышенное содержание ток­сичных форм микроорганизмов в почве.

Фитотоксичные формы имеются у всех основных групп по­чвенных микроорганизмов, но наибольшее их количество обна­ружено среди микроскопических грибов. Наиболее значительное количество фитотоксичных видов найдено среди грибов Penicillium, Aspergilus, Fusarium, среди бактерий родов Pseudomonas, Bacillus. Среди актиномицетов большей токсичностью отличают­ся культуры с серым воздушным мицелием. Распространены фитотоксичные микроорганизмы во всех по­чвах. Источниками поступления в почву фитотоксических ве­ществ помимо фитотоксинов микроорганизмов и продуктов раз­ложения послеуборочных остатков сельскохозяйственных куль­тур являются также прижизненные выделения надземных орга­нов растений и корневые выделения. С продуктами метаболизма корневых систем клевера, люцерны, льна связано сильное утомление этих культур при бессменном возделывании.

Уменьшение видового разнообразия растительного покрова имеет своим следствием некоторое упрощение микробного ценоза почвы. Под влиянием бессменного воздействия зерновых культур в почве агроценозов отмечается увеличение доли фитотоксических форм сапрофитных бактерий и, особенно, грибов. Соответственно бессменное возделывание зерновых культур сопровождается накоплением водорастворимых колинов. Количество этих токсических веществ в почве возрастает с длительностью бессменной культуры (табл...).

8. Изменение содержания свободных фенолов в черноземе типичном под озимой пшеницей в процессе девятилетнего бессменного возделывания и в севообороте, мкг/100 г почвы

Рассматривая почвоутомление с экологических позиций, можно определить его как результат экологического кризиса, на­ступающего как следствие дисгармонии в отношении растений и почвенной среды в агроценозах. Почвоутомление — это тот экологический механизм, с помощью которого система почва - растение пытается освободиться от одностороннего воздействия на почвенную среду со стороны искусственного растительного сооб­щества, создавая условия для его естественной смены. Именно в результате этой общей причины в бессменной культуре получают боль­шое развитие сорные растения, являющиеся одной из стадий воз­можной сукцессии. Почвоутомление сопровождается разви­тием болезней и вредителей растений. Фитосанитарное состояние агроценозов определяется многи­ми факторами, в том числе вредными организмами, развитие которых не связано с почвенными условиями. Однако у боль­шинства из них часть онтогенеза проходит в почве, от состояния которой зависят их распространение и вредоносность. При по­чвоутомлении происходит значительно более интенсивное на­копление инфекционного начала. Этому способствует снижение биологической активности почвы, поскольку дольше сохраняется фитомасса пораженных растений. Кроме того, депрессивные из­менения в составе микрофлоры почвы обусловливают меньшую встречаемость возбудителя болезни со своими антагонистами из числа сапрофитных микроорганизмов. В условиях почвоутомле­ния быстрее распространяется первичная инфекция. Растения заражаются на ранних стадиях развития, отчего вредоносность болезни возрастает. В начале вегетации болезнь развивается сильнее в тех агроценозах, которые не сменяются в течение ряда лет. К концу вегетации число пораженных растений увеличива­ется и в севооборотном варианте, однако вредоносность болезни, безусловно, ниже.

При бессменной культуре имеется больше возможностей для реализации инфекционного запаса, поскольку не происходит смены восприимчивых культур менее восприимчивыми. Инфекционная нагрузка на одно растение, к тому же ослабленное воздействиями фитотоксинов, чрезвычайно велика. Этим объяс­няется высокая поражаемость при бессменном возделывании зерновых корневыми гнилями, картофеля — фитофторой, льна — фузариумом, хлопчатника — вилтом, подсолнечника —ложной мучнистой росой, сахарной свеклы — мучнистой росой, церкоспориозом и т.д.

2.8.3.3. Влияние агротехнических приемов на микробиологические процессы

Органические удобрения. Интенсивность микробиологических процессов зависит прежде всего от поступления в почву органического вещества. Наибольшее влияние на биологическую активность почв оказывает навоз, компосты, сидераты и тем интенсивнее, чем уже в них соотношение С:N. Использование соломы также имеет важное значение, но ее заделка в почву вызывает биологическое закрепление минерального азота вследствие широкого соотношения С:N (около 100). Недостаток азота при внесении соломы следует компенсировать внесением азотных удобрений из расчета 6-10 кг на 1 кг соломы. Запашка соломы в условиях повышенного увлажнения нередко сопровождается накоплением токсичных продуктов анаэробного разложения. Заделка ее должна быть мелкой, чтобы обеспечить разложение токсичных продуктов в аэробных условиях. В засушливых условиях широко используется мульчирующий эффект соломы. Солома активизирует мобилизационные процессы в почве, в том числе деятельность азотфиксирующих микроорганизмов. При внесении 1 т соломы фиксируется 5-12 кг азота.

Применение низинного торфа в качестве удобрения мало влияет на биологическую активность почв. Роль его как удобрения также преувеличивается, поскольку три четверти органического вещества представлено гумусовыми и лигниноподобными веществами, которые минерализуются микроорганизмами очень медленно.

Химическая мелиорация и рекультивация почв.Микробиологическое «оживление» кислых почв достигается известкованием, устраняющим токсичное влияние кислотности, повышенное содержание подвижных соединений, алюминия, марганца, железа, токсичных для многих микроорганизмов. В результате известкования значительно (в 2-3 раза и более) возрастает количество бактерий, актиномицетов, азотобактера, нитрификаторов, усиливается образование клубеньков у бобовых растений. В результате гипсования солонцов, устраняющего избыточную щелочную реакцию и улучшающего физические свойства этих почв также нормализуется состав микрофлоры, угнетаются анаэробы, в частности сульфатредукторы, с которыми связано содообразование.

С повышением биогенности почв связана рекультивация земель, нарушенных промышленностью, строительством, торфоразработками и т.п. «Оживление» таких субстратов начинается с цианобактерий, фиксирующих молекулярный азот, зеленых, желто-зеленых и датомовых водорослей. Их сопровождают неспороносные бактерии с преобладанием микобактерий. Затем поселяются бациллы и антиномицеты. При искусственном нанесении почвенного слоя и применении органических удобрений этот процесс существенно ускоряется.

Севообороты.С учетом поддержания оптимальной биогенности и биологической активности почв должны строится все звенья системы земледелия, начиная с оптимизации структуры посевных площадей и севооборотов по этим условиям. По мере интенсификации севооборотов, то есть увеличения доли пропашных технических культур необходимо усиливать применение органических удобрений, вводить сидеральные культуры, промежуточные посевы, многолетние травы, чтобы обеспечить поддержание в почве лабильного органического вещества в качестве энергетического материала для полезной микрофлоры, в том числе разлагающей пестициды и снижающей риски химизации.

Минеральные удобрения. Оценка влияния минеральных удобрений на микробиологические процессы иногда оказывается противоречивой. Отмечаются факты снижения численности бактерий в почвах при использовании высоких доз минеральных удобрений. Трактовка этих данных не всегда корректна, так же как и представления о катастрофических потерях гумуса при внесении минеральных удобрений.

Следует критически относится к «экологическим мифам» по поводу вредности минеральных удобрений, объективно используя источники информации.

Какова же истинная картина?

По довольно многочисленным данным, применение минеральных удобрений не только улучшает питание растений, но и изменяет условия существования почвенных микроорганизмов, также нуждающихся в минеральных элементах. Под влиянием минеральных удобрений возрастает количество микроорганизмов и их активность (В.Т. Емцев, Е.Н. Мишустин, 2006). Фосфорно-калийные удобрения усиливают деятельность азотфиксирующих микроорганизмов. Интеннсивность микробиологических процессов существенно усиливается под влиянием микроэлементов (Мо, В, Сu, Mn, Zn и др). Молибден входит в ферментную систему азотфиксирующих микроорганизмов. Для симбиотической азотфиксации необходим также бор.

Характерным показателем активизации микробной деятельности под влиянием минеральных удобрений является усиление «дыхания» почвы, как результат ускорения разложения органического вещества. Усиление минерализации гумуса компенсируется приростом его за счет увеличения поступления в почву растительных остатков вследствие повышения урожайности растений.

Что же касается влияния минеральных удобрений на повышение подвижности гумусовых веществ дерново-подзолистых почв, то оно связано с подкислением почв. Этим же явлением обусловлено отмеченное снижение численности микроорганизмов в малобуферных песчаных и супесчаных почвах при повышенных дозах минеральных удобрений. При этом не страдают микроскопические грибы, устойчивые к повышению кислотности почвы. Не трудно понять, что такого рода экологические издержки обусловлены не удобрениями, а нерациональным их применением, не сопровождающимся нейтрализацией кислотности, возникающей под влиянием физиологически кислых удобрений.

Обработка почвы. Традиционно механическая обработка почвы, особенно вспашка плугом, рассматривалась как важнейшее средство повышения биологической активности почвы, усиления минерализации органического вещества и соответственно мобилизации элементов минерального питания. Одно из обоснований вспашки заключалось в устранении дифференциации пахотного слоя по биологической активности и плодородию. Суть этой дифференциации заключается в снижении численности всех групп микроорганизмов с глубиной пахотного горизонта. Урожайность растений, выращенных на различных слоях этого горизонта (например по 5 см) в вегетационных опытах, сильно снижалась с глубиной. Снижение численности микронаселения с глубиной объясняют ухудшением воздушного режима, накоплением токсичных продуктов неполного распада растительных остатков.

Представления об обязательности отвальной вспашки (то ли с позиций структурной теории В.Р. Вильямса, то ли с точки зрения перемещения плодородного верхнего слоя в более увлажненную часть пахотного горизонта и повышения биологической активности) утратили универсальность по мере разработки почвозащитных систем земледелия и наукоемких агротехнологий. В степных и лесостепных районах широкое распространение получили безотвальные, плоскорезные, минимальные обработки, обеспечивающие защиту почв от эрозии, дефляции, способствующие сохранению влаги и повышению урожайности. В 70-80-х годах стало меняться отношение к регулированию мобилизационных процессов. Выяснилось, что при освоении и использовании черноземов в севооборотах с чистым паром накапливается излишние количества минерального азота. В глубокие слои почвы «сбрасывается» большое количество нитратов. Процесс чрезмерной минерализации гумуса в таких условиях был назван «биологической эрозией» вслед за физическими потерями гумуса в результате процессов смыва почвы и дефляции.

В те же годы стали развиваться представления об экологических функциях органического вещества почв, необходимости охраны почв от дегумификации. Стало очевидным, что в условиях интенсификации земледелия и широких возможностей привлечения агрохимических средств для питания и защиты растений на первый план выходят именно экологические функции гумуса. Содержание его в значительной мере определяют разрешающую роль к химизации земледелия.

Число микроорганизмов (КАА) при различных способах основной обработки выщелоченного чернозема в слое 0-40 см, млн. КОЕ /см² (средние данные за вегетационные периоды 1986-1988 и 2001-2003 г.г.)

Как показали исследования, переход от вспашки к безотвальной и минимальной обработкам, а при определенных условиях и к «нулевой» (прямому посеву) способствовали последовательному снижению численности нитрофильных микроорганизмов. Иллюстрацией к этому служат данные В.И. Кирюшина и А.А. Даниловой (1991, 2007 годы) для чернозема выщелоченного Приобья, используемого в 5-польном севообороте при различных системах обработки почвы. 25-летние наблюдения показали, что наиболее интенсивно процесс дифференциации пахотного слоя и снижение численности названных микроорганизмов происходит в первые годы после вспашки, а затем стабилизируется к концу первой ротации 5-польного севооборота, В последующие 20 лет эта картина практически не изменяется.

Как и численность микроорганизмов в результате минимизации обработки почвы снижаются показатели ферментативной активности (табл…)

Изменение ферментативной активности чернозема выщелоченного при минимализации основной обработки (среднее за 1986—1988 гг.)

Снижение активности протеазы по мере минимизации основной обработки почвы свидетельствует о торможении мобилизации азота уже на начальных этапах его метаболизма. Значительное снижение метаболической активности микробиоты при минимизации обработки почвы доказывается резким уменьшением дегидрогеназной активности.

Изменению показателей потенциальной биологической активности почвы соответствует динамика процессов минерализации органического вещества и азота. Как следует из рисунка, выделение СО₂, с поверхно­сти почвы существенно уменьшилось при минимальной обработке по сравнению с вариантом систематической вспашки — в среднем за веге­тационный период .на ~300 кг С/га (рис...)

С-СО2 кг/(га-сут)

Май Июнь Июль Август Сентябрь

Профильное распределение нитратного азота (табл....) свидетельствует о существенно меньшем его накоплении в слое почвы 0-100 см при минимальной (плоскорезной) обработке почвы и соответственно меньших его потерях за счет нисходящей миграции.

Распределение нитратного азота по почвенному профилю (пшеница по пару, 1987-1988 гг.), кг/га

В географическом аспекте степень снижения микробиологической активности почвы при минимизации обработки усиливается от каштановых почв к черноземам и далее лесным и таежным почвам. В этом направлении усиливается дефицит азота. Для его компенсации требуется внесение азотных удобрений иначе урожайность сельскохозяйственных культур при минимизации почвообработки снижается. В связи с повышением засоренности посевов минимизация механической обработки почвы сопровождается применением гербицидов. При правильном их применении в соответствии с установленными рекомендациями флуктуация численности и активности микроорганизмов находится в пределах устойчивости микробного комплекса почвы. При этом отмечены тенденции повышения фитотоксичности грибного населения почвы.

В случаях загрязнения почв повышенными количествами пестицидов наибольшую чувствительность к ним проявляют азотобактер, клубеньковые бактерии, микроскопические грибы и водоросли. Для бобовых культур гербициды и дозы их применения следует подбирать особенно тщательно. Протравливание семян бобовых рекомендуется не позднее, чем за две недели до посева. Инокуляция посевного материала клубеньковыми бактериями проводится в день посева.

Длительность применения гербицидов в почве зависит от их химической природы и многих почвенно-климатических факторов. На скорость распада гербицидов влияет применение доступных для микроорганизмов органических и минеральных соединений. Процесс трансформации пестицидов может осложняться образованием новых токсичных соединений, прочных комплексов с гумусовыми веществами.

2.8.7.4. Применение микробиологических препаратов

На фоне биологической оптимизации агротехнологий, создания благоприятных почвенных режимов важную роль играет применение микробиологических препаратов. Отечественной промышленностью производится довольно большое количество микробиологических препаратов, разработанных учеными ВНИИ сельскохозяйственной микробиологии и других научных учреждений страны.

Биопрепараты на основе ризосферных микроорганизмов. В числе наиболее эффективных препаратов для обработки семян бобовых культур зарекомендовал себя ризоторфин.

Действующее начало – клубеньковые бактерии (рода Rhizobium), образующие на корнях растений клубеньки и индуцирующие процесс фиксации молекулярного азота из воздуха. Агрономическая эффективность ризоторфина для бобовых культур составляет в среднем 10-30%, дополнительный сбор белка - 2-5 ц /га. При интродукции новых бобовых культур (козлятник, люцерна, люпин) эффективность бактеризации может составлять 50-100%, а повышение сбора протеина достигает 2-3 раз.

Для каждого вида бобовых культур производится определённый вид препарата (с использованием специфичных именно для этой культуры микроорганизмов).

Биопрепараты на основе ассоциативных микроорганизмов. Эта группа биопрепаратов (агрофим, флавобактерин, мизорин, экстрасол, ризоагрин, бактосан, азоризин) создана недавно, но уже хорошо зарекомендовала себя в России и за рубежом на широком спектре культур.

Микроорганизмы, являющиеся основой этих биопрепаратов, тесно взаимодействуют с растениями (образуя «ассоциативный симбиоз») и способны выполнять ряд функций, полезных для растений:

Ø усиливать фиксацию атмосферного азота на корнях растения, заменяя при этом 30-50 кг/га минеральных азотных удобрений;

Ø стимулировать рост и развитие растений за счёт продуцирования физиологически активных веществ (ускоряя созревание продукции на 10-15 дней);

Ø подавлять развитие фитопатогенных микроорганизмов, обеспечивая снижение поражаемости растений болезнями в 1,5 – 10 раз, улучшая при этом фитосанитарную обстановку в почве;

Ø усиливать устойчивость растений к неблагоприятным условиям (засуха, заморозки, пониженные или повышенные температуры, повышенное содержание солей, неблагоприятная реакция почвенного раствора);

Ø повышать коэффициенты использования минеральных удобрений и питательных веществ из почвы;

Механизм действия препаратов группы "Экстрасол": ризосферные бактерии не образуют видимых глазу клубеньков, но, заселяя прикорневую зону растений (ризосферу) и поверхность корней, вытесняют болезнетворных бактерий, лишая их пространства и пищи; выделяют ростстимулирующие вещества и витамины; продуцируют антибиотики против грибной инфекции, дополнительно питают растения водой, азотом, фосфором, калием и другим элементами питания, переводя их из труднодоступных форм.

Биопрепараты фосфатмобилизующих микроорганизмов. Весьма эффективным в данном отношении является препарат микофил, созданный на основе эндомикорезных

Микофил - микробиологический препарат на основе эндомикоризных грибов - облигатных симбионтов, обладающих уникальной способностью резко усиливать поступление фосфора, калия, микроэлементов и воды практически во все сельскохозяйственные культуры. Особенно эффективен на почвах с низким содержанием доступных для растений соединений фосфора.

Микофил хорошо сочетается с ризоторфином на бобовых культурах, резко повышая продуктивность растений и качество продукции.

Биопрепараты, ускоряющие деградацию пестицидов. Примерами таких биопрепаратов являются бацифор и экзофор. Они рекомендуются для ускорения детоксикации фосфорорганических пестицидов в условиях защищенного грунта. Бацифор и экзофор в два - пять раз ускоряют разложение гордоны, карбофоса и актеллика, снижают фитотоксичность торфов и грунтов длительного пользования.

Препараты стимулируют интенсивный рост растений и мощное развитие корневой системы, ускоряют формирование генеративных органов, стимулируют биосинтез хлорофилла.