Влияние минимизации способов почвообработки и прямого посева на биогенность почвы и развитие азотобактера в почвенно-климатических условиях юго-востока ЦЧР

Полный текст

Введение

В современном земледелии актуальны разработка и внедрение ресурсосберегающих технологий обработки почвы вплоть до прямого посева, несмотря на то, что это зачастую приводит к ухудшению физических и биологических свойств почвы [1–4], наращиванию объемов применения пестицидов и удобрений [5–8], что вызывает опасность ухудшения экологического состояния почв [9–11].

В последние годы для изучения и оценки экологического состояния пахотных почв широкое распространение получают методы микробиологического тестирования [12–14], т. к. почвенная микрофлора является одним из чувствительных показателей оценки плодородия и экологического состояния пашни [15–18]. Поэтому в настоящее время особое значение и актуальность приобретает изучение интенсивности и направленности микробиологических процессов в почве при применении современных энергосберегающих технологий, насыщенных агрохимикатами и пестицидами.

В связи с этим цель работы – исследование динамики и направленности развития основных групп почвенных микроорганизмов и азотобактера как индикаторов экологического состояния почвы при минимизации обработки и прямом посеве.

Методика исследования

Исследование проводили в стационарном опыте по изучению эффективности приемов минимизации обработки почвы в Воронежском ФАНЦ им. В. В. Докучаева на черноземе обыкновенном среднегумусном, тяжелосуглинистом, с благоприятными физико-химическими показателями 0–30 см слоя: гумус (по Тюрину в модификации Симакова, ГОСТ 2613–91) – 6.48%, общий азот (по Гинзбург) – 0.36%, общий фосфор (по Гинзбург и Щегловой) – 0.35%, общий калий (по Ожигову) – 1.85%, азот гидролизуемый (по Тюрину и Кононовой) – 61.2 мг/кг почвы, сумма поглощенных оснований (ГОСТ 27821–88) – 66.4 мг/кг почвы, рН_KCl 6.99, гидролитическая кислотность – 0.57 мг-экв/100 г почвы.

Наблюдения за динамикой микробиологических процессов (развитием микробиома почвы и азотобактера) проводили в течение 9-ти лет с 2014 по 2022 гг. в вариантах традиционной обработки почвы – вспашке на глубину 20–22 см (контроль), минимальной обработки на глубину 6–8 см, прямом посеве – нулевой обработке и залежи. Изучение приемов минимизации обработки чернозема проводили в зернопропашном севообороте: горох – озимая пшеница – кукуруза на зерно – ячмень – однолетние травы – озимая пшеница – подсолнечник – ячмень.

Для изучения изменения микробного ценоза в вариантах опыта отбирали смешанные почвенные образцы из наиболее биогенного слоя 0–20 см. Учет численности микроорганизмов проводили классическим методом посева на питательные среды по методике Теппер [19], азотобактера – на почвенных пластинах. Обработку данных проводили с использованием Microsoft Office Excel 2016.

Погодные условия в годы исследования были различными и в целом близкими к типичным для юго-востока ЦЧР, что позволило получить достоверную оценку действия изученных факторов.

Результаты и их обсуждение

Данные об изменении биогенности чернозема обыкновенного при минимализации обработки почвы и прямом посеве представлены на рис. 1.

Рис. 1. Изменение биогенности (общей численности микроорганизмов) чернозема в слое 0–20 см при минимизации обработки почвы и прямом посеве

Показано, что на фоне выраженных амплитудных изменений общей численности микроорганизмов, обусловленных гидротермическими условиями вегетационных периодов при r = 0.46 при поверхностной обработке до r = 0.28 при нулевой обработке и r = 0.26 на залежи существовали трендовые закономерности изменения общей численности микроорганизмов в зависимости от изученных приемов обработки почвы. При максимальной среднегодовой биогенности (общей численности микроорганизмов) 0–20 см слоя почвы, равной 47.9 млн КОЕ/г почвы при вспашке на глубину 20–22 см поверхностная обработка на глубину 6–8 см приводила к некоторому снижению уровня биогенности до 47.4 млн КОЕ, а использование систематического прямого посева снижало среднегодовую общую численность микрооганизмов в этом слое до 45.0 млн КОЕ/г абсолютно сухой почвы или на 6.1%. При этом минимальная среднегодовая общая численность микроорганизмов была в залежи – 37.3 млн КОЕ/г абсолютно сухой почвы или на 22.1% меньше, чем при вспашке, и на 17.1% меньше, чем при нулевой обработке почвы. Необходимо отметить, что трендовая закономерность изменения биогенности (общей численности микроорганизмов) чернозема обыкновенного при нулевой обработке была аналогична таковой в почве, находящейся в условиях залежи, о чем свидетельствовали уравнения регрессии: y = 0.668x – 1310 в условиях залежи и y = 0.620x – 1207 при нулевой обработке только при более высоких показателях, что было связано с культурным агроценозом.

Обработанная почва (вспашка и поверхностная обработка) имела несколько иные закономерности в развитии биогенности по сравнению с залежью и необработанной почвой. Но при этом динамика и направленность микробиологических процессов в обработанной почве были аналогичными и описывались уравнениями регрессии: y = – 0.450x + 957.3 при вспашке на глубину 20– 22 см и y = –0.434x + 924.2 при поверхностной обработке почвы на глубину 6–8 см.

Наиболее стабильной была микробиологическая активность в обработанной почве, вспаханной на глубину 20–22 см и при поверхностной обработке, где коэффициент вариации составил 14.7–15.3%, тогда как при обработке no-till – 18.4%. Можно сделать вывод, что при отказе от обработки почвы в почвенно-климатических условиях опыта, биологическая активность почвы в большей мере зависела от влияния факторов внешней среды и погодных условий.

Одним из показателей плодородия почвы и ее экологического состояния является активность азотфиксирующих бактерий, принадлежащих к роду Azotobakter. Эти бактерии обеспечивают трансформацию молекулярного азота воздуха в доступные формы для растений. К тому же Azotobakter очень чутко реагирует на изменение агрономических свойств и ухудшение плодородия и экологического состояния почвы [20, 21].

Результаты изучения динамики развития азотобактера и статистическая обработка данных свидетельствовали, что наиболее благоприятные условия для развития азотобактера складывались при вспашке, где отмечено наибольшее его присутствие со среднегодовой численностью 445 КОЕ/50 г почвы (рис. 2).

Рис. 2. Среднегодовая численность азотобактера при различных способах обработки почвы (2014–2022 гг.)

Применение приемов минимизации обработки почвы привело к ухудшению условий для его развития: при поверхностной обработке почвы его численность снизилась на 6.6% (416 КОЕ/50 г почвы), при нулевой обработке – до 353 КОЕ/50 г почвы или на 20.6%. Азотобактер слабо реагировал на изменение внешних факторов, корреляционная зависимость между численностью бактерий и гидротермическим коэффициентом была очень слабой при всех изученных обработках почвы: r = –0.05–0.22.

Минимизация обработки почвы приводила к ухудшению условий почвенной среды для развития азотобактера, усиливавшихся с продолжительностью использования (рис. 3).

Рис. 3. Развитие азотобактера при минимизации обработки почвы и прямом посеве

В связи с расширением площадей с применением минимизации обработки почвы и прямого посева в земледелии региона увеличились объемы использования гербицидов, особенно – глифосатсодержащих. При этом в научной литературе все чаще утверждают, что глифосатсодержащие препараты являются небезопасными для окружающих организмов и подавляют деятельность азотфиксирующих бактерий, развитие грибной микоризы, оказывающей стимулирующее влияние на усвоение влаги и питательных веществ выращиваемыми культурами [22–24].

Так как многие исследователи в качестве тест-организма для определения наличия в почве токсинов рекомендуют использовать активность развития колоний азотобактера [7, 8]. Была изучена и проанализирована динамика развития свободноживущих азотфиксирующих микроорганизмов рода Azotobacter в черноземе обыкновенном, используемом в сельскохозяйственном производстве без применения глифосатсодержащих гербицидов и при нулевой обработке почвы – прямом посеве, предусматривающем ежегодное применение гербицидов на основе глифосата осенью после уборки предшественника и весной до всходов культур севооборота. В опыте в качестве глифосатсодержащего препарата использовали гербицид Торнадо-500, ВР с нормой расхода 2.5 л/га. За период исследования (9 лет) в почву в варианте с no-till обработкой было внесено глифосата порядка 22.5 л/га.

Анализ данных показал, что в первые 5 лет используемый при прямом посеве глифосат депрессирующего влияния на развитие бактерий рода Azotobacter в слое почвы 0–20 см не оказал, но при более длительном применении глифосата в агроценозе отмечена четкая тенденция к снижению численности свободноживущих азотфиксирующих бактерий рода Azotobacter по сравнению с фоном, где отсутствовало применение глифосатсодержащего гербицида (рис. 4).

Рис. 4. Развитие азотобактера в слое 0–20 см почвы на различных фонах применения глифосатсодержащих гербицидов

Хотя на общей численности микроорганизмов в агрогенной почве это не сказалось (рис. 1), что было обусловлено высокой буферностью и биологической активностью черноземных почв и влиянием на почвенную среду корневых систем выращиваемых в севообороте культур.

Изучение активности развития азотобактера в поверхностном слое 0–5 см почвы, где непосредственно концентрируется действующее вещество препарата при проведении гербицидной обработки (опрыскивании почвы), в вариантах с нулевой обработкой почвы,, показало, что через 5 сут после проведения гербицидной обработки отмечено снижение численности азотобактера в 7 раз по сравнению с фоном, где глифосатсодержащие препараты не применяли, а на фоне ежегодного применения минеральных удобрений N60P60K60 под основную обработку почвы – почти в 3 раза (табл. 1).

Таблица 1. Численность азотобактера в слое 0–5 см почвы при традиционной обработке почвы и нулевой обработке спустя 5 сут после применения препарата Торнадо 500 ВР (2019–2020 гг.)

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, выявлено, что в почвенно-климатических условиях юго-востока ЦЧР при минимизации почвообработки в зернопропашном севообороте прослеживается общий тренд на снижение биогенности почвы и увеличении ее зависимости от влияния погодных условий. Наиболее благоприятные условия для развития азотобактера складывались при вспашке на глубину 20–22 см, где его среднегодовая численность в слое 0–20 см составляла 445 КОЕ/50 г почвы. Минимизация обработки почвы приводила к ухудшению условий почвенной среды для успешного развития азотобактера, усиливающихся с продолжительностью использования этого приема.

Глифосатсодержащие гербициды, примененные при нулевой обработке почвы, при длительном их применении оказывали депрессирующее влияние на развитие свободноживущих азотфиксирующих бактерий рода Azotobacter. Применение минеральных удобрений N60P60K60 при нулевой обработке почвы снижало негативное влияние глифосатсодержащих препаратов на микрофлору и азотобактер в черноземе обыкновенном.

Об авторах

В. М. Гармашов

Email: garmashov.63@mail.ru
Россия, 397463 Каменная Степь, Воронежская обл., Таловский р-н, пос. 2-го участка Института им. В.В. Докучаева, квартал 5, 81

Л. В. Гармашова

Автор, ответственный за переписку.
Email: garmashov.63@mail.ru
Россия, 397463 Каменная Степь, Воронежская обл., Таловский р-н, пос. 2-го участка Института им. В.В. Докучаева, квартал 5, 81

Список литературы

Дополнительные файлы

Доп. файлы

Действие

1. JATS XML

Скачать

2. Рис. 1. Изменение биогенности (общей численности микроорганизмов) чернозема в слое 0–20 см при минимизации обработки почвы и прямом посеве

Скачать (944KB)

Метаданные

3. Рис. 2. Среднегодовая численность азотобактера при различных способах обработки почвы (2014–2022 гг.)

Скачать (813KB)

Метаданные

4. Рис. 3. Развитие азотобактера при минимизации обработки почвы и прямом посеве

Скачать (936KB)

Метаданные

5. Рис. 4. Развитие азотобактера в слое 0–20 см почвы на различных фонах применения глифосатсодержащих гербицидов

Скачать (883KB)

Метаданные