Таблица 63 Баланс гумуса в севообороте в зависимости от условий питания культур

Таблица 63

Баланс гумуса в севообороте в зависимости от условий питания культур

А.И. Жуков [239] считает, что в зависимости от типа севооборотов, структуры посевных площадей и урожайности культур доза навоза для обеспечения бездефицитного баланса гумуса увеличивается с 2,2 до 28,2 т/га. При наличии в полевом севообороте 40% трав бездефицитный баланс гумуса обеспечивается даже без внесения навоза. Этого же мнения придерживается В.К. Михновский и др. [247].

В результате наших исследований установлено, что к концу ротации зернотравяно-пропашного севооборота при продуктивности его 7 и более т/га к.ед., согласно расчетам при органо-минеральной системе удобрения (не менее 4 т/га органических и 120 кг/га д.в. минеральных удобрений), обеспечивается положительный баланс гумуса (табл. 63). Если же в севообороте применяется только минеральная система удобрения (продуктивность 7,1 т/га к.ед.) – баланс гумуса дефицитный (–4,1 и –5,2 ц/га). Насыщенность зернотравяно-пропашного севооборота удобрениями, равная 120 кг/га NPK + 14 т/га органических удобрений обеспечивает в сочетании с пожнивно-корневыми остатками положительный баланс гумуса, но по продуктивности не имеет преимуществ перед системой удобрения с насыщенностью 165 кг/га NPK + 4 т/га органических удобрений.

Следовательно, для получения положительного баланса гумуса в севообороте, имеющем 40% бобовых культур и продуктивности его не менее 7 т/га к.ед., обязательно применение не менее 4 т/га органических удобрений на фоне 120–165 кг/га минеральных [248].

Вариант	Урожайность, ц/га	Вынос азота, кг/га		Общий расход азота почвы, кг/га	Минерализация гумуса, ц/га	Количество ПКО, ц/га	Образовано гумуса, ц/га				Баланс гумуса, ± ц/га
		всего	в т.ч. из почвы				из ПКО	из орга-нич. удобр.	из ПКО предшеств.	всего
Без удобрений	255	212	127	244	48,8	8,7	0,4	–	21,3	21,7	-27,1
Навоз 50 т/га	303	255	140	269	53,8	10,3	0,52	25,0	28,2	53,7	-0,1
N30P30K45 лентами	321	292	161	309	61,8	10,9	0,55	–	27,8	28,4	-33,4
Вермикомпост 5 т/га + N60P60K90 вразброс	317	292	161	309	61,8	10,8	0,54	25,0	27,1	52,6	-9,2
Вермикомпост 5 т/га	313	291	160	307	61,4	10,6	0,53	25,0	27,3	52,8	-8,6
Навоз 50т/га+N30P30K45 лентами	339	305	168	323	64,6	11,5	0,58	25,0	28,2	53,8	-10,8
Навоз 50т/га+N60P60K90 вразброс	320	285	157	301	60,2	10,9	0,55	25,0	30,3	55,9	-4,3
Вермикомпост 5т/га+N30P30K45 лентами	341	297	163	313	62,6	11,6	0,58	25,0	30,3	55,9	-6,7
N60P60K90 вразброс	311	249	137	263	52,6	10,6	0,53	–	24,9	25,4	-27,2
N60P60K90 вразброс + эпин	311	271	149	286	57,2	10,6	0,53	–	26,0	26,3	-30,9
N60P60K90 вразброс + квартазин	343	281	155	298	59,6	11,0	0,55	–	25,8	26,4	-33,2
N90P60K90 вразброс	331	288	158	303	60,6	11,3	0,57	–	26,3	26,9	-33,7
N90P60K90 вразброс + Сu	345	328	180	346	69,2	11,8	0,59	–	27,9	28,5	-40,7
N120P60K90 вразброс	346	308	169	324	64,8	11,8	0,59	–	27,6	28,2	-36,6

Наиболее важными показателями, характеризующими азотный режим почвы, являются содержание общего азота, минеральных его форм, способность органических соединений азота к аммонификации и нитрификации.

По данным многих авторов, содержание азота в пахотном слое почв колеблется в среднем от 0,1 до 0,5 %. Поскольку основная часть почвенного азота входит в состав гумуса, существует определенное соотношение между содержанием гумуса и азота в почве. В большинстве почв азот составляет 5–8 % от общего содержания гумуса [238].

В результате исследований, проведенных Н.Н. Семененко и др. [24], установлены корреляционные зависимости и описаны уравнения регрессии, пользуясь которыми мы рассчитали содержание общего, легкогидролизуемого, трудногидролизуемого и гидролизуемого азота в пахотном горизонте почвы опытного участка в зависимости от культур севооборота и условий питания (см. табл. 56).

В почвах естественных ценозов (лес) содержание легкогидролизуемой фракции азота в перегнойном горизонте составляет около 10 % от общего азота. При антропогенном воздействии на почву содержание легкогидролизуемого азота в пахотном слое суглинистых почв возрастает от 76,1 до 154,2 мг/кг почвы, что составляет 4,9–8,0%. Изменение легкогидролизуемого азота, считает Н.Н. Семененко, согласуется с распределением общего азота и гумуса, о чем свидетельствует тесная корреляционная связь (r=0,899–0,957), описываемая уравнением регрессии У = 23,0 + 30,22 × Х, где Х – содержание гумуса, % [24].

В результате расчетов установлено, что содержание легкогидролизуемого азота составило 9,9% от общего. При сельскохозяйственном использовании содержание трудногидролизуемой фракции азота в пахотном слое суглинистых почв составляет 7,8–11,9% от общего азота. Наиболее высокое содержание трудногидролизуемого азота – в окультуренной почве. Между содержанием трудногидролизуемых соединений азота в почвах и гумусом установлена тесная связь (r=0,904–0,961), описываемая уравнением регрессии для суглинистых почв: У = 33,10 + 46,52 × Х, где Х – содержание гумуса. Содержание трудногидролизуемого азота колебалось от 103,5 до 121,8 мг/кг почвы, оно составило 14,9% от общего азота.

Велико соотношение между фракциями легко- и трудногидролизуемого азота, которое может быть одним из диагностических показателей окультуренности почв: в слабоокультуренных почвах оно составляет 1,3 и выше, среднеокультуренных 0,8–1,3, повышенной окультуренности и окультуренных – менее 0,8 [24]. К концу первой ротации зернотравяно-пропашного севооборота это соотношение составило 0,69, т.е. почву опытного участка можно считать окультуренной. Степень окультуренности почвы, как показали результаты исследований, определяет уровень урожайности и эффективность применяемых технологий возделывания сельскохозяйственных культур.

Суммарное содержание фракций легко- и трудногидролизуемого азота определяет содержание в почвах гидролизуемого азота, процентное же отношение гидролизуемого относительно общего азота принято считать характеристикой подвижности азотного фонда почв. По данным Н.Н. Семененко [24], степень подвижности азотного фонда перегнойного слоя суглинистых почв колеблется в пределах 15,5–21,4%.

Расчеты показали, что содержание гидролизуемого азота колебалось от 173 до 202 мг/кг почвы, а степень подвижности азотного фонда составила 24,8%. Характеризуя азотный фонд почвы опытного участка, мы пришли к выводу, что она окультурена с высокой степенью его подвижности.

Азотный фонд дерново-подзолистых почв представлен фракциями, различающимися по степени подвижности, доступности и возможности усваиваться растениями. Соединения азота, которые могут служить источником питания растений, характеризуются как доступные или усвояемые. Хотя содержание усвояемого азота в почве невелико, оно имеет большое значение для питания растений, особенно на окультуренных почвах. К непосредственно используемым растениями – легкоусвояемым – относятся нитраты, растворимые в воде, и обменно поглощенный аммоний.

В связи с тем, что аммиак и нитраты являются продуктами жизнедеятельности микроорганизмов, содержание их в почве подвержено значительным колебаниям, и поэтому знание закономерностей этих колебаний очень важно для разработки мероприятий по регулированию азотного питания растений. По исследованиям В.И. Никитишена и др. [250], в состав органических соединений почвы переходит 16–21 % азота удобрений и 36–52 % аккумулируется в слое 0–20 см в виде нитратного азота.

Результаты многочисленных исследований показали, что количество нитратного азота в почве изменяется по определенным закономерностям в зависимости от метеорологических факторов и культурного состояния почвы.

Д.Н. Прянишников [7] считает, что нитрификация, т.е. минерализация азотсодержащих органических соединений, является верным признаком культурной почвы, и что вообще имеется связь между способностью почвы к накоплению нитратов и ее плодородием.

Процесс окисления аммиака до нитратов протекает лишь при условии достаточной обеспеченности почвы кислородом. Однако в естественных почвенных условиях обеспечение кислородом нитрифицирующих бактерий часто бывает недостаточным, особенно при плохой структуре почв.

В отношении накопления нитратов под посевами сельскохозяйственных культур необходимо отметить, что с усилением роста растений в большинстве случаев происходит уменьшение содержания нитратов в почве, а иногда и полное их исчезновение. Уменьшение или полное исчезновение нитратов под растениями обусловлено, главным образом, потреблением их растениями. Однако, как показали расчеты, убыль нитратов не соответствует выносу их растениями.

Кроме усвоения нитратов растениями количество их под посевами уменьшается в связи с подавлением процесса нитрификации, снижением влажности и аэрации почвы, а также в результате процесса денитрификации [251].

Нитраты в почве под растениями могут восстанавливаться специфическими микроорганизмами, которые усиленно развиваются в зоне корней. Установлено, что в почве под культурами сплошного сева нитратов обнаруживается меньше, чем под пропашными культурами. Эту закономерность в накоплении нитратов авторы объясняют более благоприятным водно-воздушным режимом почв под пропашными культурами [252].

Содержание нитратного азота в почве осенью после уборки культур севооборота в вариантах без удобрений колебалось от 4,0 до 5,8 мг/кг почвы, что составило 15,6 и 28,4 % от суммы аммиачного и нитратного азота (см. табл. 55). Низким содержание нитратного азота было после уборки клевера, выше – после картофеля. Под влиянием органических и минеральных удобрений усиливается микробиологическая деятельность, процесс нитрификации проходит более интенсивно. Содержание нитратного азота в этих вариантах опыта существенно увеличивалось (от 0,5 до 2,8 мг/кг почвы) по сравнению с неудобренными вариантами.

Однако при органо-минеральной системе удобрения после озимой и яровой пшеницы снизилось содержание нитратного азота по сравнению с минеральной системой на 5 и 10 % соответственно, что связано с микробиологическим поглощением азота почвы.

Исследованиями Г.П. Гамзикова и др. [249] установлено, что локальное внесение обеспечивает длительное сохранение азота удобрений в минеральной форме в зоне корней, что облегчает его поглощение растениями и повышает коэффициент использования.

Применение сапронита на фоне ленточного внесения удобрений увеличивает количество нитратного азота в почве на 13% после яровой пшеницы и на 28 и 40% после клевера и люпина соответственно. Увеличивается количество нитратного азота в почве на фоне органо-минеральной системы удобрения при ленточном внесении основного удобрения от 22 до 53%. При использовании соломы в качестве органического удобрения содержание нитратного азота увеличивалось в 2 раза по сравнению с подстилочным навозом и вермикомпостом.

Весь нитратный азот в почве образуется за счет окисления имеющегося в ней аммиачного азота. Отсюда следует, что высокая энергия нитрификации в почве косвенно свидетельствует и об интенсивном образовании в ней аммиачного азота, который, однако, не успевает накопиться в больших количествах и при наличии благоприятных условий быстро окисляется в нитраты. Поэтому малое количество в почве аммиачного азота отнюдь не является свидетельством слабой энергии аммонификации.

Процессы аммонификации хотя и зависят от метеорологических условий, все же в меньшей степени подвержены их влиянию, чем процессы нитрификации.

Осенью разложение органического вещества протекает при подавлении процесса нитрификации из-за переувлажнения и низкой температуры, что способствует накоплению аммония в почве.

Установлено, что под культурами сплошного сева поглощенного аммония накапливается больше, чем под пропашными [253].

В зернотравяно-пропашном севообороте в почве после уборки клевера содержание аммиачного азота составляет более 20, после люпина – более 15 мг/кг почвы (см. табл. 55). Содержание аммиачного азота в почве повышается на 30 и 40% при органо-минеральной системе удобрения культур севооборота, при минеральной – на 8–21%, органической – на 10%. Ленточное внесение удобрений, применение бактериальных препаратов под культуры севооборота увеличивало количество аммиачного азота в почве на 8 и 17 %.

По данным Е.Х. Ремпе и др. [254], повышенная концентрация азота при локальном внесении удобрений приводит к снижению численности нитрифицирующих бактерий, что обуславливает более высокое содержание аммонийного азота.

Изучение агрохимических свойств почв в отрыве от биологической активности приводит только к констатации результатов без выявления причин и механизмов этих процессов. Поэтому установление взаимосвязи между биологической активностью, применением удобрений и урожайностью культур является важной научной и практической проблемой.

активность почвы

Несмотря на обстоятельное объяснение преимуществ севооборотов с агротехнической и агрохимической точек зрения, оно остается неполным без учета микробиологических процессов, протекающих в почве. Микроорганизмы очень чувствительны к смене условий почвенной среды, а всякие нарушения деятельности микрофлоры ведут к изменению почвообразовательных процессов. При изменении структуры севооборотов, введении новых систем удобрения уделяется серьезное внимание возможному влиянию этих приемов на уровень биологической активности почвы, а также на способность ее к самоочищению.

Следует отметить, что работ по изучению влияния длительного применения удобрений в севообороте на микрофлору немного [217,255–257].

Ряд авторов [258,259] указывает, что органические удобрения повышают уровень биогенности почв. В большинстве случаев отмечалось достоверное увеличение численности аммонифицирующих, целлюлозоразлагающих и нитрифицирующих микроорганизмов [260]. В.М. Чекановой [257] установлено, что биогенность дерново-подзолистой слабо оподзоленной почвы и соотношение в ней отдельных групп микробного центра коррелятивно связаны с применением органических и минеральных удобрений: при органо-минеральной системе удобрения повышается активность споровых аммонификаторов и целлюлозоразрушающих микроорганизмов, внесение органического удобрения оказывает активизирующее влияние на развитие бактерий и актиномицетов, снижает количество плесневых грибов.

Влияние минеральных удобрений на почвенную микрофлору более сложное и зависит от видов удобрений, доз, соотношений, продолжительности их действия, агрохимических свойств почвы, ее влажности, буферности, возделываемых культур и т.д. [261]. Минеральным удобрениям, как фактору, определяющему биодинамику почвы и ее биологическую активность, посвящены исследования многих авторов. Вместе с тем, единого мнения по вопросу их действия на состав и деятельность почвенных микроорганизмов в литературе нет, что в большой мере обусловлено сложностью этой проблемы.

Ряд авторов указывает на стимулирующее действие минеральных удобрений на микрофлору. Под кормовой свеклой, высеваемой после озимой пшеницы по обороту пласта многолетних трав, на фоне (NPK)₆₀ в 2 раза больше бактерий, 1,5 – грибов, и в 3 раза – актиномицетов по сравнению с неудобренным вариантом. Закономерное увеличение численности бактерий, грибов и актиномицетов наблюдается при увеличении доз минеральных удобрений до (NPK)₉₀. На фоне более высоких доз эффект менее выражен [262].

Еще Е.Н. Мишустин [263] отмечал благотворное влияние небольших и угнетающее действие больших количеств минеральных удобрений на численность микрофлоры. Депрессивное действие больших доз удобрений (N₁₈₀Р₁₆₀К₁₈₀) через 1,5–2 месяца после внесения снималось. Последнее обстоятельство связывается с уменьшением концентрации внесенных солей по мере потребления их растениями.

По мнению Л.А. Карягиной [260], длительное внесение минеральных удобрений на фоне извести не снижает общую биогенность почвы, а в благоприятные по погодным условиям периоды существенно увеличивает численность бактериальной и микрофлоры, особенно аммонифицирующих микроорганизмов. Количество целлюлозоразлагающих микроорганизмов в этих условиях возрастало идентично внесению в почву органических и смешанных удобрений. Торфо-навозный компост в сочетании с минеральными удобрениями достоверно увеличили количество в почве аммонификаторов, целлюлозоразлагающих и нитрифицирующих микроорганизмов.

Основным естественным источником органического вещества для гетеротрофных микроорганизмов в почве полевых севооборотов служат систематически поступающие в нее растительные остатки.

насыщение севооборотов различными сельскохозяйственными культурами существенно влияет на количество микроорганизмов и почвенно-микробиологические процессы, что отражается и на биологической активности почвы. Установлено, что при насыщении севооборотов зерновыми культурами и особенно при их монокультуре урожайность яровой пшеницы, например, падала с 32 ц/га в севообороте до 12,6 ц/га при монокультуре [264].

При включении в севооборот бобовых культур, после которых в почве остается масса, богатая азотом, легкоразлагающегося органического вещества, биологическая активность почвы значительно повышается.

В результате исследований, проведенных в разных почвенно-климатических условиях установлено, что роль предшествующей культуры в севообороте изменяется в зависимости от почвенно-климатических условий. В зоне недостаточного увлажнения для почв, богатых органическим веществом, определяющим фактором биологической активности почвы и урожайности растений является влага. Предпочтение отдается таким предшественникам, как пар и пропашные культуры, которые смягчают неблагоприятный водно-воздушный режим [265,266].

Биологическая активность и плодородие почв с невысоким содержанием органического вещества, сформированных в условиях избыточного или оптимального увлажнения, находятся в основном в зависимости от количества поступающего в них органического вещества. Поэтому влияние предшествующих культур на почвенные процессы в таких условиях определяется, главным образом, массой и химическим составом их пожнивных и корневых остатков.

На почвах с низким естественным плодородием чередование культур в севообороте должно способствовать не только увеличению урожайности, но и повышению плодородия почвы, усилению в ней активности биологических и биохимических процессов.

Изучение микрофлоры почвы с посевами различных сельскохозяйственных культур проводится давно. Основное направление исследований в данной области вплоть до настоящего времени лежит в русле изучения накопления биологического азота бобовыми растениями, инокуляции семян активными штаммами микроорганизмов, исследовании биологии формирования клубеньков на корнях бобовых. Вместе с тем, серьезного изучения требуют вопросы влияния различных агротехнических приемов (в т.ч. и применение бактериальных препаратов) возделывания растений на численность микроорганизмов доминирующих групп, биогенность и структуру микробоценозов ризосферы, поскольку плодородие почвы в значительной степени зависит от интенсивности круговорота веществ, осуществляемого микрофлорой.

В экологических исследованиях нет необходимости устанавливать все существующие в данной почве виды микроорганизмов, а достаточно ограничиться определением доминирующих групп или выявлением производимых ими процессов [267]. Объектами наших исследований служили микроорганизмы следующих физиологических групп: аммонифицирующие, усваивающие минеральный азот, олигонитрофильные, нитрифицирующие и микроскопические грибы.

Аммонифицирующие микроорганизмы осуществляют разложение азотсодержащих органических соединений с выделением аммиака. Это самая богатая и разнообразная физиологическая группа. Она включает бактерии и их спорообразующие формы. Интенсивность минерализации в значительной мере определяется численностью и активностью аммонификаторов и обуславливает степень обеспеченности почвы минеральными соединениями, последние – эффективное ее плодородие.

Аммонифицирующие неспорообразующие бактерии начинают процесс минерализации органического вещества. Споровые их формы минерализуют наиболее устойчивые соединения органического вещества, доводя процесс аммонификации до высвобождения аммиака.

В своих исследованиях мы ставили цель выявить специфику ризосферного микробного комплекса озимой пшеницы, узколистного люпина, клевера лугового, яровой пшеницы, картофеля и установить структурные изменения, происходящие в нем в связи с изучаемыми способами внесения удобрений и использованием в зернотравяно-пропашном севообороте минерального и биологического азота. Наблюдения проводились в течение двух лет.

Изучение структуры микробного ценоза почвы под влиянием разных агротехнических приемов (органические, минеральные удобрения, дозы и способы их внесения, применение биопрепаратов и др.) проводили методом посева на агаризованные среды [268]. Аммонифицирующие микроорганизмы, способные использовать органический азот, выявляли на разбавленном 1:5 мясо-пептонном агаре (МПА); микроорганизмы, усваивающие минеральный азот – на крахмало-аммиачном агаре (КАА). Содержание олигонитрофильных микроорганизмов определяли на среде Эшби; микроскопические грибы – на подкисленном сусло-агаре (СА). Голодный агар (ГА) с аммонийно-магниевыми солями использовали для учета нитрифицирующих бактерий. Групповой состав микроорганизмов устанавливали дважды: в исходной почве до внесения удобрений и посева бактеризованных семян различных сельскохозяйственных культур и в период наибольшей метаболической активности растений (бутонизации – цветения у бобовых и картофеля, цветения – начала колошения – у зерновых). Расчет численности микроорганизмов вели в колониеобразующих единицах на 1г сухой почвы с учетом влажности соответствующих образцов, определяемой одновременно с учетом численности микроорганизмов. Исследования проводили в 1999 и 2000 гг. Коэффициент минерализации определяли по соотношению численности микроорганизмов, усваивающих минеральный азот к количеству аммонификаторов (КАА/МПА), общую биогенность – путем определения суммарной численности микроорганизмов исследуемых доминирующих групп в течение 2-х вегетационных периодов.

Определение численности сапрофитных микроорганизмов показало в целом почти одинаковую картину количественного состава бактерий, непосредственно участвующих в разложении веществ растительного и животного происхождения. Вместе с тем, как видно из данных, приведенных в табл. 67, общая биогенность почвы выше после бобовых предшественников (люпин, клевер).

* КОЕ/г с.п. – колониеобразующие единицы в 1г сухой почвы

Значение коэффициента минерализации органического вещества (отношение численности микроорганизмов, усваивающих минеральный азот, к количеству аммонификаторов) несколько выше в вариантах с зерновыми предшественниками и картофелем, что в большей мере может быть связано со структурой микробного ценоза почвы.

Во всех вариантах опыта самой многочисленной в структуре микробоценоза ризосферы культур севооборота была группа микроорганизмов, усваивающих минеральный азот. Соответственно и долевое участие их в микробоценозах колебалось от 46 до 55%. Численность аммонификаторов выше под бобовыми предшественниками (32 и 37%). Подсчет нитрифицирующих микроорганизмов показал, что максимальное их количество обнаружено в почве под люпином – 1,01 × 10⁵. Аналогичная тенденция характерна и для микроскопических грибов [269].
глава 5. Биологическая активность почвы

в зависимости от условий питания культур севооборота
5.1. люпин узколистный
Как показали результаты исследований, в 1999 г. (табл. 68) в зависимости от способов внесения фосфорно-калийных удобрений общая биогенность почвы практически не изменялась (в среднем 9,72 × 10⁶). При ленточном внесении доминирующими являлись микроорганизмы, усваивающие минеральный азот; при внесении Р₄₀К₆₀ вразброс – аммонифицирующие микроорганизмы.

Инокуляция R. lupini (БП) на фоне фосфорно-калийных удобрений способствовала значительному увеличению общей биогенности ризосферы. Увеличение численности бактерий, утилизирующих органические и минеральные формы азота, олигонитрофилов, микроскопических грибов указывает на усиление мобилизационных процессов в период, когда закладывается основа урожая.

К фазе бутонизации – началу цветения произошла перегруппировка в структуре микробоценоза (рис. 1).

Если в исходной почве доминирующими были микроорганизмы, усваивающие минеральный азот (52,3%), то в фазе бутонизации – начала цветения в контрольном варианте и при внесении вразброс доминировали аммонифицирующие микроорганизмы, долевое участие которых с 27% (исходная почва) возрастает в 2,5 раза (68,8%) в контроле и в 2,0 раза (57,9%) при внесении Р₄₀К₆₀ враз-