Влияние минеральных удобрений на численность различных физиологических групп микроорганизмов и активность процессов азотфиксации и денитрификации в почве

Нередко для характеристики микробиологического состояния почв проводится анализ изменения численности важнейших эколого-трофических группировок микроорганизмов, хотя эти показатели не позволяют осуществить оценку масштабов проводимых ими процессов.

Минеральные удобрения, вносимые в умеренных дозах, активируют жизнедеятельность микроорганизмов многих физиологических групп. В почвах возрастает количество аэробных и анаэробных азотофиксаторов, денитрификаторов, аммонификаторов, целлюлозоразрушающих бактерий, актиномицетов и грибов, микроорганизмов автохтонной группировки. Но иногда наблюдается и угнетение минеральными удобрениями отдельных групп микроорганизмов и снижение активности проводимых ими процессов: азотфиксации, разложения целлюлозы и фосфорорганических соединений.

В длительно удобряемых дерново-подзолистых почвах (Московская обл.) внесение азотных удобрений отдельно и совместно с калийными вызывало уменьшение числа азотофиксирующих, аммонифицирующих и целлюлозоразлагающих микроорганизмов. Фосфорные и калийные удобрения, напротив, способствовали повышению количества этих бактерий. Известкование этих почв оказывало положительное действие на численность аммонификаторов, азотофиксаторов и нитрификаторов.

Интенсивность процесса разложения целлюлозы была наибольшей на варианте с внесением полного минерального удобрения как на известкованном, так и на неизвесткованном фоне. На неизвесткованных вариантах в составе целлюлозоразлагающих микроорганизмов преобладали грибы, в то время как на известкованных основными целлюлозоразлагателями были бактерии. Удобрения существенно не влияли на процесс накопления аминокислот в дерново-подзолистой почве, суммарное содержание аминокислот было выше в известкованной почве в сравнении с кислой.

Масштабы микробиологических процессов определяются не только численностью микроорганизмов различных физиологических группировок в почве, но главным образом их активностью. Поэтому изучение влияния удобрений на микробную систему почвы должно обязательно сопровождаться оценкой действия минеральных туков на все важнейшие микробиологические процессы, в частности на азотфиксирующую и денитрифицирующую активность почвы.

На активность фиксации атмосферного азота заметное воздействие оказывают азотные удобрения. Существенное торможение нитрогеназной активности почвы наблюдается лишь при внесении высоких (до 200-1000 кг/га) доз азотных удобрений, тогда как небольшие дозы минерального азота приводят к возрастанию активности ассоциативной азотфиксации. Вместе с тем данных о дозах и формах азотных удобрений, стимулирующих нитрогеназную активность почв разных типов в различных агроценоза крайне мало. Другим важным фактором повышения ассоциативной азотфиксации в почве могут быть фосфорные удобрения. В литературе имеются единичные сведения о влиянии соединений фосфора на активность азотфиксации в почве.

Были проведены исследования влияния минеральных удобрений на азотфиксирующую и денитрифицирующую активность почвы в лабораторных, вегетационных и полевых опытах на дерново-подзолистой, серой лесной и лугово-карбонатных почвах под посевами ячменя, тимофеевки, райграса и пшеницы. В качестве азотных удобрений применяли нитратные, аммонийные, амидные и карбамидные (МФУ) соединения азота. Поскольку растения оказывают большое влияние на интенсивность микробиологических процессов трансформации азота, изучалась активность азотфиксации и денитрификации в почве как в отсутствие, так и при наличии растений. Азотфиксирующая и денитрифицирующая активности почвы во многом определялись дозой и формой используемых минеральных соединений азота. Так, на всех изученных типах почв с ростом доз азотных удобрений продолжительность ингибирующего действия на нитрогеназную активность почвы увеличивалась. Наименьшего уровня активность азотфиксации достигала при внесении самой большой дозы минерального азота. Одновременно активность денитрификации при внесении азотных удобрений усиливалась, вследствие чего по мере увеличения доз минерального азота потери его в газообразной форме значительно возрастали, достигая максимальной величины при внесении наибольшей дозы азота.

Разные формы·азотных удобрений заметно отличались по своему влиянию на процессы азотфиксации и денитрификации. Нитрогеназная активность подавлялась в большей степени от внесения мочевины по сравнению с применением аммонийных и нитратных форм азотных удобрений, что может быть обусловлено сильным ингибирующим действием на нитрогеназу газообразного аммиака, выделяющегося при разложении мочевины.

Интенсивность денитрификации в присутствии нитратных соединений азота нередко была ниже, чем при внесении аммонийных и амидных форм азотных удобрений. Вероятнее всего, это обусловлено тем, что закись азота, по количеству которой оценивали активность денитрификации, выделял ась и в ходе нитрификации.

Присутствие растений принципиально изменяло характер влияния азотных удобрений на активность азотфиксации и денитрификации в почве. Так, нитрогеназная активность дерново-подзолистой почвы, низкая после посева ячменя, быстро нарастала, причем особенно заметно в вариантах с внесением азотных удобрений. Максимального значения она достигала в фазу колошения, после чего ее уровень постепенно снижался. В контрольных сосудах без растений активность азотфиксации была в 2-4 раза ниже и оставалась практически постоянной до конца эксперимента. Регистрировавшиеся незначительные колебания уровня нитрогеназной активности тесно коррелировали с изменениями гидротермического режима почвы.

Газообразные потери в виде закиси азота под растениями ячменя также были выше, чем в почве без растений. Наибольшая разница (в 2-3 раза) между активностью денитрификации под ячменем и парующими вариантами опыта была отмечена в фазу выхода ячменя в трубку при внесении наибольшей дозы азотных удобрений. На протяжении последующего периода развития растений высокий уровень газообразных потерь азота сохранился.

Полученные данные позволили определить продуктивность ассоциативной азотфиксации и размеры газообразных потерь азота в различных агроценозах при внесении азотных удобрений.

Аммонийные формы удобрений увеличивали поступление атмосферного азота в почву по сравнению с контролем только в том случае, если доза их внесения не превышала 25 мг N/кг почвы. Применение мочевины сопровождалось продолжительным ингибирующим действием на нитрогеназную активность почвы, что приводило в итоге к снижению продуктивности азотфиксации. Замена части мочевины на МФУ в составе азотного удобрения вызвала еще большее падение продуктивности ассоциативной азотфиксации. Минимальное поступление «биологического» азота в почву зафиксировано при внесении МФУ в дозе 700 мг N/кг почвы. В этих вариантах опыта продуктивность азотфиксации была в два раза ниже, чем при внесении мочевины в тех же дозах.

Применение азотных удобрений сопровождалось возрастанием эмиссии закиси азота из почвы при увеличении дозы вносимых удобрений.

В противоположность имеющимся данным об усилении интенсивности денитрификации в присутствии нитратных соединений азота наибольшие потери закиси азота из почвы были зафиксированы в эксперименте при внесении аммонийных и амидных соединений азота. Известно, что N₂0 является одним из газообразных продуктов не только денитрификации, но и процесса нитрификации.

Газообразные потери азота из почвы при совместном применении мочевины и МФУ были на 10-14% выше, чем в вариантах с внесением одной мочевины, причем с увеличением доли МФУ в составе удобрений активность денитрификации также увеличивалась. Наибольшего значения эмиссия закиси азота достигала при внесении МФУ в дозе 300 мг N/кг.

На дерново-подзолистой почве при внесении азотных удобрений в дозе 25 мг N/кг (что соответствует 75 кг N/гa) достигается оптимальное соотношение между процессами азотфиксации и денитрификации в почве независимо от их минеральной формы. Азотные удобрения в указанной дозе приводили к возрастанию продуктивности ассоциативной азотфиксации в среднем на 12% или почти не снижали ее, как, например, в вариантах с мочевиной.

Возрастание дозы азота до 75 мг/кг (за исключением варианта с Са(NО_З)₂) сопровождалось резким (на 31- 56%) снижением продуктивности ассоциативной азотфиксации и возрастанием потерь азота в результате денитрификации, что привело к снижению эффективности применения таких доз. Так, газообразные потерн азота в расчете на единицу урожая растений с ростом дозы удобрений от 25 до 300 мг N/кг увеличились с 0,04 до 0,75 мг N/г растительной биомассы.

Изучение влияния различных доз азотных удобрений на потенциальную активность азотфиксации и денитрификации в серой лесной почве показало, что нитрогеназная активность возрастала при применении аммиачной селитры в дозе 60 кг N/гa и оставалась практически на том же уровне при удвоении нормы минерального азота. Важно подчеркнуть, что увеличение дозы азотных удобрений не привело к росту урожайности возделываемых культур (прибавка урожая пшеницы и ячменя не превысила 5-10%).

Таким образом, полученные экспериментальные данные и их последующая математическая обработка показывают, что в агроценозах на серой лесной почве оптимальное соотношение между «биологическим» и минеральным азотом складывается при нормах азота, близких к 60 кг/га.

Исследования влияния фосфора, проведенные на дерново-подзолистой почве, показали, что применение суперфосфата приводило к возрастанию азотфиксации с увеличением дозы фосфорных удобрений. Так, при росте вносимой дозы с 8 до 31 мг Р/ кг почвы активность азотфиксации изменялась от 75 до 107*10^-2 мг N/кг. Однако при дальнейшем увеличении суперфосфата нитрогеназная активность почвы оставалась постоянной.

Одновременно с нарастанием нитрогеназной активности происходило и усиление ее денитрифицирующей активности. Наибольшая продуктивность азотфиксации при минимальных газообразных потерях азота была отмечена при внесении суперфосфата в дозе 31 мг Р/кг. Следовательно, фосфорные удобрения позволяют повысить запас азота в дерново-подзолистой почве.

Таким образом, активность азотфиксации и денитрификации в почве зависит от концентрации и формы минерального азота. Существенное влияние на эти процессы оказывает также обеспеченность почвы легкодоступным органическим веществом и фосфором.