УДК 631.861

DOI 10.24411/2413-046Х-2018-12003

Тарасов Сергей Иванович

кандидат биологических наук

Всероссийский научно-исследовательский  институт органических удобрений и торфа

Tarasov Sergeuy Ivanovich

candidat of biological sciences

All-Russian Research  Institute  of  Organic Fertilizers and  Peat

Russia, Vladimir

Кравченко Мария Егоровна

кандидат биологических наук

Всероссийский научно-исследовательский  институт органических удобрений и торфа

Кravchenko  Mariay Egorovna

All-Russian Research  Institute  of  Organic Fertilizers and  Peat

Russia, Vladimir

Бужина Татьяна Александровна

Всероссийский научно-исследовательский  институт органических удобрений и торфа

Bushina Tatjana Alexandrovna

All-Russian Research  Institute  of  Organic Fertilizers and  Peat

Russia, Vladimir

Влияние длительного применения минеральных удобрений,  различных доз бесподстилочного навоза на биологические свойства дерново-подзолистой почвы

The influence of continuous application of mineral fertilizers, different doses of liquid manure on the biological properties of sod-podzolic soil

Аннотация. В  агроценозах с бессменным возделыванием многолетних трав установлено влияние длительного применения (35 лет)  минеральных удобрений, различных доз бесподстилочного навоза на изменение биогенности дерново-подзолистой почвы. Указаны  положительные и негативные  действия удобрений на численность основных физиологических  групп микроорганизмов в дерново-подзолистой почве, их  биологическую активность.  Определены причины высокой биологической активности почвенных микроорганизмов при использовании на удобрение бесподстилочного навоза: резкое увеличение в почве содержания легкогидролизуемого азота, подвижного органического вещества наиболее доступных для микроорганизмов почвы, высокое содержание азота,  , узкое соотношение  углерода к азоту в самих микроорганизмах

Abstract.  In agrocoenosis with the permanent cultivation of perennial grasses the effect of prolonged use (35 years) of mineral fertilizers, of different doses of liquid manure on the change of biogenetic sod-podzolic soil. The positive and negative effects of fertilizers on the number of the main physiological groups of microorganisms in sod-podzolic soil are indicated, their biological activity is determined. the reasons For the high biological activity of soil microorganisms when used for fertilizer of liquid manure-free: a sharp increase in the soil content of easily hydrolyzed nitrogen, mobile organic matter most accessible to soil microorganisms, high nitrogen content, a narrow ratio of carbon to nitrogen in the microorganisms themselves

Ключевые слова. удобрения, кормовые травы, почва, микроорганизмы, , биологическая активность

Key words. fertilizer, perennial grasses, soil , microorganisms, biological activity

   В настоящее время в связи с переводом животноводства на промышленную основу существует проблема утилизации бесподстилочного навоза, помета [1]. Ежегодные объемы их производства  в хозяйствах индустриального животноводства РФ превышают 185 млн. м³, в том числе полужидкого, жидкого  навоза, помета, соответственно, 48 млн. м³ и  85 млн. м³, животноводческих стоков – 52 млн. м³. Основным способом утилизации бесподстилочного навоза,  помета  является их  использование на удобрение, главным образом под многолетние кормовые травы.

   Бесподстилочный навоз является важным источником повышения плодородия почв и оказывает значительное влияние на биологические свойства почв [2]. Биологическая активность характеризует жизнедеятельность микроорганизмов, связанных с процессами трансформации органических, минеральных питательных веществ, поступающих с бесподстилочным навозом в почву и является одним из важнейших показателей ее плодородия  [3 ].

   Имеющиеся литературные данные по влиянию бесподстилочного навоза и минеральных удобрений на биогенность почвы не всегда однозначны. Во многих работах установлено положительное влияние  умеренных доз (≤ N300) бесподстилочного навоза и минеральных удобрений на численность и биологическую активность микроорганизмов и в целом на плодородие почвы [2,4]. Однако в хозяйствах, стараясь избавиться от огромных объемов бесподстилочного навоза, применяют  данное удобрение  в сверхвысоких дозах (свыше N 400) на одних и тех же  полях, расположенных вблизи животноводческого предприятия.  Влияние длительного  применения повышенных   доз  бесподстилочного навоза на биогенность почвы  до сих пор не  изучено [3].

   Цель данной работы -изучить влияние регулярного длительного применения (1983-2017 гг.) минеральных удобрений, различных доз бесподстилочного навоза КРС на биологические  свойства дерново-подзолистой супесчаной почвы в агроценозах с бессменным  возделыванием многолетних трав.

   Методика исследований. В рамках «Программы длительных опытов географической сети по комплексному применению удобрений и других средств   химизации» на опытном поле  ФГБНУ ВНИИОУ в долгосрочном опыте № 088 в «Реестре аттестатов длительных опытов с удобрениями и другими агрохимическими средствами РФ» [5], начиная с 1983 г., изучаются агроэкологические последствия систематического длительного применения различных доз бесподстилочного навоза  в  интенсивном  режиме на одном и том же поле с бессменным травостоем. Почва участка дерново-подзолистая, супесчаная  на мощной суглинистой морене.   Перед  закладкой опыта почва (0-20 см) имела следующие агрохимические показатели: рНсол. 4,9; содержание гумуса (по Тюрину) 1,34%; подвижных фосфора и калия (по Кирсанову), соответственно, 5,6-6,8 и 14,7 мг/100 г;Нг (по Каппену) 1,9 мг экв./100 г, S (по Каппену, Гильковицу) 3,7 мг экв./100 г. Схема опыта: 1. Без удобрений (контроль);  2. Удобрение – бесподстилочный навоз (БН), доза N300; 3. БН400; 4. БН, N500; 5. БН, N700; 6. Минеральные удобрения N300РК (эквивалент NPK варианта 2). Бесподстилочный навоз и минеральные удобрения при внесении равномерно распределяли по всей поверхности делянки перед отрастанием трав. При внесении удобрений  под каждый укос трав единовременная доза бесподстилочного навоза не превышала N300. При большей норме бесподстилочный навоз применяли дробно под три укоса: N400 (300+100+0); N500 (300+100+100); N700 (300+200+200).  Используемый на удобрение бесподстилочный  навоз  КРС характеризовался низким содержанием сухого вещества (1,6%), азота (0,11 %), фосфора (0,06 %), калия (0,12 %). Опытная культура – кострец безостый (Bromopsis  inermis  Leyss)  сорта Моршанский 760.  Агротехника общепринятая для зоны Владимирской области. Стационарный опыт проводится  в соответствии с требованиями ОСТ 10 106 [6]. Площадь делянки 35 м², учетной 27 м². Повторность в опыте 4-кратная. Агротехника  возделывания многолетних злаковых кормовых трав общепринятая для Владимирской области. Биологическое состояние почвы оценивали по комплексу показателей: численность микроорганизмов определяли методом учета на плотных и жидких питательных средах [7, 8]; ферментная и потенциальная активность почв определялась по [9]. Для общей оценки биологического состояния почвы расчитывали интегральный показатель суммарной биологической активности с использованием метода относительных величин [10]. Содержание в почве щелочногидролизуемого азота определялось по Корнфильду [11], общего углерода – по Тюрину [9], запасов углерода и азота общей микробной биомассы – регидратационным (углерод биомассы)  и инкубационным (азот) методами [12], активной биомассы микробиоты – методом субстратиндуцированного дыхания [13], количество доступного для  микроорганизмов  органического углерода – кинетическим методом [14].

   Результаты исследований.  Согласно  результатам  исследований  наименьшая численность основных физиологических групп микроорганизмов  ежегодно отмечалась в почве контрольного варианта опыта, в котором удобрения не применялись.  Низкая микробная обсемененность почвы данного варианта опыта, вероятно, обусловлена низким содержанием в ней органического вещества, питательных элементов. Численность микроорганизмов в почве контрольного варианта  зависела в основном от погодных условий вегетационного периода, количества биомассы, поступающей в нее с пожнивно-корневыми остатками.

   По  итогам  многолетних исследований микрофлора дерново- подзолистой супесчаной  почвы оказалась чрезвычайно  чувствительной  к  воздействию бесподстилочного навоза и минеральных удобрений. Изменения  численности, биологической активности  почвенной микрофлоры  обнаруживаются  уже  в первый год использования удобрений, однако  наиболее   очевидными, с меньшей зависимостью от погодных условий вегетационного периода,  они  проявляются с увеличением длительности исследований [6].

   Регулярное,  длительное применение удобрений под многолетние травы (35 лет) значительно повышало  в почве  численность сапрофитной микрофлоры, изменяло ее  видовой состав (таблица 1). Систематическое применение  бесподстилочного  навоза (N300) обусловливало  рост численности микроорганизмов,     участвующих в разложении органических и минеральных форм азота  в 2,5 – 3,4 раза.  Численность нитрифицирующих бактерий, окисляющих  аммонийные  соединения   до нитратных,   повышалась в 7,5 – 14,9 раз, денитрифицирующих микроорганизмов,  восстанавливающих нитратный азот до молекулярного – в 100 раз по сравнению с неудобренной почвой. Ежегодное применение бесподстилочного навоза сопровождалось ростом  численности   целлюлозоразрушающих микроорганизмов в 4,3 – 6,4 раз, микромицетов в 1,7 – 2,2 раза, актиномицетов в 2,8 – 3,3 раз, активно участвующих в разложении органического вещества и пожнивно-корневых остатков. Использование бесподстилочного навоза повышало  в 2,5 — 3 раза обсемененность почвы олигонитрофилами и олигокарбофилами, которые на конечной стадии разложения органических  веществ способны  из почвенного раствора  усваивать малые количества азотистых соединений,  ассимилировать   углеродосодержащие вещества[8].

   Несмотря на высокое содержание в почве  минерального и органического азота, использование бесподстилочного навоза  увеличило  численность свободноживущих азотфиксирующих  микроорганизмов, в основном, Сlostridium    рasteurianum  и Azotobacter   chroococcum. Согласно данным таблицы 1 с увеличением дозы бесподстилочного навоза с N300  до  N700  отмечалось  дальнейшее  достоверное повышение в почве численности всех указанных физиологических групп  микроорганизмов.

   В соответствии с результатами исследований  многолетнее  применение минеральных удобрений (N300PK) также повышало  микробную обсемененность  почвы .  В сравнении с почвой контрольного варианта опыта в данной почве численность  аммонификаторов, микроорганизмов, использующих минеральные формы азота,  микромицетов  увеличивалась в 2 раза, целлюлозоразрушающих и нитрифицирующих микроорганизмов  в  3 раза, денитрификаторов – в 10 раз. В сравнении с бесподстилочным навозом (N300)  применение минеральных удобрений оказало меньшее влияние на рост численности  в почве  нитрификаторов,  денитрификаторов, олигонитрофилов, олигокарбофилов, однако, обусловило значительно большее содержание в ней микромицетов в основном  рода   Penicillium.

   Увеличение  обсемененности почвы нитрифицирующими и денитрифицирующими микроорганизмами при использовании  удобрений, вероятно, обусловлено   наличием в них  легкодоступного аммонийного   и  нитратного азота. Увеличение численности грибов, актиномицетов, целлюлозоразрушающих микроорганизмов свидетельствует о более интенсивной минерализации органического вещества в почве под влиянием бесподстилочного навоза и минеральных удобрений. Известно, что на начальном этапе минерализации органического вещества почвы принимают участие преимущественно грибы и целлюлозоразрушающие микроорганизмы, на окончательном – актиномицеты [3]. Указанные  изменения почвенного микробиоценоза под влиянием бесподстилочного навоза и минеральных удобрений. отмечались как в пахотном, так и в нижележащих горизонтах (таблица 2.).

   Согласно литературным данным рост численности микроорганизмов в почве оказывает как  отрицательное, так  и положительное влияние на состояние агрофитоценоза, плодородие почвы.  В условиях, благоприятствующих активизации обменных процессов, синтезу физиологически  активных и гумусообразующих соединений, увеличение численности микроорганизмов способствует росту плодородия почв. Однако чрезвычайно высокое содержание в почве денитрификаторов  увеличивает  непроизводительные потери   азота  —  важнейшего биогенного элемента, которые могут превысить 20% от его общего содержания в удобрениях  [3]. Увеличение численности нитрифицирующих бактерий, согласно результатам многочисленных исследований, приводит к накоплению нитратов в почве, в продукции растениеводства, повышает риск загрязнения грунтовых вод [1].  Высокая  обсеменненность  актиномицетами, грибами, бактериями, способных синтезировать токсичные соединения, в основном фенольной природы, как правило, обусловливает снижение интенсивности обменных процессов в почве, ее  энергетического потенциала [3,13,15].  Согласно результатам проводимых исследований  высокая численность нитрификаторов, денитрификаторов в почве вариантов опыта с использованием минеральных удобрений и бесподстилочного  навоза  в дозе N700, вероятно, является причиной   снижения окупаемости их применения в результате непроизводительных потерь азота, сверхнормативного содержания в растительной продукции нитратов, их активной миграции по профилю почвы.  Интенсивная обсемененность почвы  актиномицетами, микромицетами  данных вариантов опыта обусловила рост  ее токсичности   (таблица 3 ).

   Помимо численности микроорганизмов  важным   показателем биогенности почвы является ее  актуальная (полевая, естественная) и потенциальная (искусственная) биологическая активность.  По результатам проводимых исследований    (таблица 4) наименьшая биологическая активность почвенных микроорганизмов отмечалась в неудобренной почве, что обусловлено крайне низким уровнем  обмена веществ и энергии, что является закономерным для устойчивых, климаксовых формаций [15,16]. Помимо  пожнивно-корневых остатков  в почву вариантов опыта с применением бесподстилочного навоза   поступало значительное количество дополнительного  энергетического материала   в  виде  органического вещества, биогенных элементов в составе данного удобрения. Это обстоятельство   явилось причиной роста   численности микроорганизмов, их  биологической активности  в почве   вариантов опыта  с  применением жидкого навоза, животноводческих стоков.  С увеличением дозы  бесподстилочного навоза  степень разложения полотна, желатина фотопленки, интенсивность дыхания почвы возрастала, достигая максимума при N700 (таблица 3). Наибольшим дозам бесподстилочного  навоза соответствовала максимальная активность ферментов ( уреазы, инвертазы, фосфатазы, каталазы, полифенолоксидазы), принимающих  участие в реакциях гидролитического распада высокомолекулярных  органических соединений, синтеза нового органического вещества (активизация азотфиксации), обогащающих почву подвижными и доступными растениям и микроорганизмам питательными веществами, что  имеет   чрезвычайно важное значение для ускорения обменных  процессов   в  системе: «почва – растения — микробиота»  (таблица 4). В исследованиях выявлена  низкая активность почвенных ферментов в варианте с минеральными удобрениями, что может быть обусловлено неблагоприятным изменением кислотности почвенного раствора под их влиянием.

   Каждый из определяемых  показателей не может в полной мере характеризовать биологическую деятельность в почве. Поэтому используют расчетный показатель суммарной относительной биологической активности, который позволяет в целом более достоверно и объективно оценить биологическое состояние почвы и степень воздействия изучаемых факторов [10]. Как следует из данных таблиц 5, 6  максимальная биологическая активность, индексы чувствительности микробиоты почвы к воздействию удобрений  рассчитанные   за 2 последних года (2016, 2017 гг.), относятся к варианту с применением дозы N700 бесподстилочного навоза, затем с N300. Вариант N300PK оценивается по всем показателям выше контроля, но ниже вариантов с бесподстилочным навозом.

   Согласно результатам биохимических исследований высокая биологическая активность микроорганизмов почвы вариантов опыта с применением бесподстилочного навоза , обусловлена резким увеличением в ней  содержания наиболее доступного для микроорганизмов легкогидролизуемого азота, подвижного органического вещества, а также большим содержание азота в самих почвенных микроорганизмах  (таблица 7).  В  почве  при внесении органических удобрений снижалось соотношение  C:N и   повышалась  суммарная  активная  биомасса почвенных микроорганизмов.

Выводы:

1. Дерново-подзолистая почва контрольного варианта опыта в котором удобрения не применялись характеризовалась наименьшей численностью микроорганизмов основных физиологических групп, их биологической активностью.  Биогенность почвы данного варианта опыта зависела от погодных условий вегетационного периода, величины биомассы пожнивно-корневых остатков, ежегодно поступающих в нее.

2. Применение бесподстилочного навоза значительно повышало численность и биологическую активность почвенных микроорганизмов. С увеличением дозы бесподстилочного навоза биогенность почвы возрастала.

3. Согласно результатам микробиологических исследований использование бесподстилочного навоза на удобрение  должно  быть строго регламентировано, соответствовать требованиям рекомендаций высокоэффективного,  экологически безопасного его применения [18,19].

4. Ненормированное, сверхинтенсивное применение бесподстилочного навоза в дозах, более N400 резко повышало численность аммонифицирующих, нитрифицирующих, денитрифицирующих микроорганизмов, актиномицетов , микромицетов, что потенциально может увеличить непроизводительные потери азота удобрений,  загрязнение почвы, растительной продукции, грунтовых  вод нитритами, нитратами, стимулировать рост  токсичности  почвы, снижать урожайность растительной продукции, оказывать негативное влияние на ее качество.

5. Минеральные удобрения (N300РК) по своему влиянию на биогенность дерново-подзолистой почвы уступали действию бесподстилочного навоза (N300).  Повышение кислотности  почвы при использовании данных удобрений явилось причиной снижения ее ферментативной  активности, резкого увеличения численности микромицетов – основных продуцентов токсичных соединений.

6. Согласно результатам  биохимических исследований высокая биологическая активность  почвы в вариантах с применением бесподстилочного навоза обусловлена заметным увеличением в ней  содержания доступного для микроорганизмов легкогидролизуемого азота, подвижного  органического вещества, повышением энергетического потенциала  самих  почвенных   микроорганизмов в результате увеличения в  их  биомассе  содержания активного азота, сужением соотношения С:N.

Литература

1. Баранников В.Д. Охрана окружающей среды в зоне  промышленного животноводства // В.Д.Баранников.- М.: Россельхозиздат, 1985.- 118 с.
2. Мерзлая Г.Е. [и др.] Агроэкологические основы и технологии использования бесподстилочного навоза/ М.: Россельхозакадемия – ГНУ ВНИПТИОУ. 2006. – 463 с.
3. Минеев В.Г.Агрохимия, биология и экология почвы/ В.Г. Минеев, Е.Х.Ремпе. – М.: Росагопромиздат, 1990. – 206 с.
4. Асарова М.Х. Микробиологическая активность дерново-подзолистой почвы при внесении высоких доз жидкого навоза/М.Х.Асарова// Известия ТСХА. — 1982, — №. 3. – С. 189-191.
5. Реестр аттестатов длительных опытов с удобрениями и другими агрохимическими средствами Российской Федерации. Издание второе /под общей редакцией Сычева В.Г. — М.: ВНИИА, 2009.-196 с.
6. ОСТ 10 116 — 87 Опыты полевые с удобрениями. Порядок проведения. – Взамен  ОСТ 46-23-74; введ. 1988 – 07 – 01. – М.:  Госагропром  СССР, 1988. —   48 с.
7. Теппер Е.З. Практикум по микробиологии/ Е.З. Теппер, В.К. Шильникова – М.:Дрофа, 2004. – 175с.
8. Титова В.И. Методы оценки функционирования микробоценоза почвы, участвующего в трансформации органического вещества/ В.И.Титова, А.В. Козлов. — Нижний Новгород: Нижегородская гос.с.-х. академия, 2012. – 64 с.
9. Практикум по агрохимии: учеб.пособие / под ред. В.Г. .Минеева.- М.: Изд-во МГУ, 2001. — 689 с.
10. Карягина Л.А. Микробиологические основы повышения плодородия почв/Л.А. Карягина. — Минск: Наука и техника, 1989. – 230 с.
11. Методические  указания  по определению  щелочногидролизуемого азота в почве по методу Корнфильда / МСХ СССР,  Утв. Зам.Министра сельского хозяйства СССР, Председателем объединения «Союзсельхозхимия»  Н. Ф. Татарчук 11.04.1985 [Электронный ресурс]. – Режим доступа: htm:// www.document/415948450. htm, свободный
12. Благодатский С.А. Регидратационный  метод  определения  биомассы  микроорганизмов  в  почве / С. А. Благодатский, Е. В. Благодатская, А. Ю. Горбенко, Н.С.Паников //  Почвоведение. – 1987. —  № 4. —  С.64-72.
13. West A.W.  Modification to the substrate-induced respiration  method  to  permit  measurement  of microbial  biomass  in  soils  of  different water  contents / A.W.West,  P.Sparling // Journal of  Microbiological  Methods – 1986. —  № 5.-Р. 177-189.
14. Патент SU 1508148 АС 1305599, МКИ G 01, № 33/24.   Способ определения степени доступности для минерализации органического углерода почвы / С.С.Исламов, С.М. Аксенов, О.В. Орлова ; заявитель и патентообладатель  Агрофизический научно-исследовательский институт. — № 4328725/30-15; заявл. 17.11.87; опубл. 15.09.1989, Бюллетень изобретений № 34.
15. Лобков В.Т. Биоразнообразие в агроэкосистемах как фактор оптимизации биологической активности почвы /В.Т. Лобков //  Почвоведение. -1999. — № 6. – С. 732-737.
16. Лобков  В.Т.  Почвоутомление при выращивании полевых культур // В.Т. Лобков. – М.: Колос, 1994. – 112 с.
17. Ацци Ж. Сельскохозяйственная экология //Ж.Ацци. – М.: Изд.иностр.лит., 1959. –480 с.
18. Дозы и сроки внесения бесподстилочного навоза: методические рекомендации / ВАСХНИЛ, ВИУА; сост. Г.Е.Мерзлая, С.Ф. Полунин, В.А.Васильев.  – М., 1990.  – 24 с.
19. РД-АПК 1.10.15.02-17  Методические рекомендации по технологическому проектированию систем удаления и  подготовки к использованию навоза и помета / МСХ РФ; сост. Федоренко В.Ф., Н.П. Мишуров и др.- М., 2017. – 167 с.