Russian Federation
UDK 631.6 Сельскохозяйственная мелиорация
GRNTI 68.31 Сельскохозяйственная мелиорация
OKSO 35.06.01 Сельское хозяйство
BBK 4 СЕЛЬСКОЕ И ЛЕСНОЕ ХОЗЯЙСТВО. СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ И ЛЕСОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ НАУКИ
TBK 5607 Сельскохозяйственная мелиорация
BISAC TEC003000 Agriculture / General
The study of the microflora of drained peat soil was carried out in the zone of the northern forest-steppe of the Northern Trans-Urals in the Tarmanskoye swamp with an area of 125,8 thousand hectares Based on the analysis of the results of field and laboratory studies, specific features of peat soils were established, which determine the formation of peculiar microbial communities in them. It is shown that the microbial association is formed under conditions of high organogenicity at relatively low soil temperatures. In drained peat soils, bacteria represent the most numerous group of microorganisms. Among bacteria, microorganisms that use mineral forms of nitrogen grown on KAA have a numerical superiority. A small amount of nitrifying bacteria was found under perennial grasses of the 14th year of life. Fungi occupy a subordinate position due to the lack of easily hydrolysable organic matter in peat soil. Under the influence of mineral fertilizers, there is a change in the number of microorganisms of all considered biological groups. The annual application of high doses of mineral fertilizers increases cellulose decomposition in a 0,2-meter layer by 33,2%. In the years of aftereffect of fertilizers in all variants, the decomposition of cellulose differs insignificantly. Mineral fertilizers increase the coefficient of mineralization of peat under perennial grasses in comparison with the control by 1,5 times.
: peat soil, microflora, mineral fertilizers, perennial grasses
Плодородие торфяных почв во многом зависит от интенсивности и направленности протекающих в них микробиологических процессов[1]. Торфяным почвам свойственны специфические особенности, резко отличающие их от минеральных почв и обусловливающие формирование в них своеобразных микробиоценозов[2]. Они на 85-95% состоят из органического вещества, бедны калием и особенно фосфором, имеют высокую влагоемкость, неудовлетворительный температурный режим и малую плотность. Несмотря на большое содержание общего азота в торфе, мобилизация его затруднена из-за малой доступности для микроорганизмов соединений, которыми он представлен в почве, и из-за неблагоприятных гидротермических условий [3].
Процессы, протекающие в почве, особенно в ее органической части, неизменно связаны с действием почвенного энзиматического комплекса. Любое чрезмерное антропогенное или природно-климатическое воздействие на почву неизбежно отражается на активности биологических процессов. Контролирующим фактором происходящих в системе изменений является состояние почвенного микробиоценоза и содержание ферментов [4].
Опытами в различных природно-климатических зонах нашей страны показано, что в процессе сельскохозяйственного освоения торфяных почв происходит перестройка качественного состава микрофлоры, т.е. осуществляется смена одних групп другими [5]. При этом возрастает численность отдельных физиологических групп микроорганизмов, важных в агрономическом отношении [6]).
Характерные свойства торфяных почв – приуроченность наиболее высокой численности микроорганизмов (бактерий, актиномицетов и грибов) и максимальной интенсивности микробиологических процессов к верхнему слою торфа[7]. Большинство исследователей отмечают преобладание в составе микробных ценозов аэробной микрофлоры[8]. Наиболее полные и длительные исследования проведены в Центральной Барабе[9], изучена микрофлора различных типов торфа Томской области [10,11,12]. На территории Северного Зауралья практически не проводилось исследований по влиянию минеральных удобрений на микрофлору торфяных почв.
Цель исследования – изучить состав микрофлоры осушаемой торфяной почвы при ежегодном внесении и в годы последействия минеральных удобрений под многолетними травами.
Материал и методы исследования. Полевые исследования проведены в 2001-2015 гг. на опытном участке Решетниково, осушенном гончарным дренажом с междренным расстоянием 24 м и глубиной заложения 1,5 м. Опытно-мелиоративная система Решетниково расположена в Тюменском районе Тюменской области в центральной части Тарманского болотного массива, занимающего площадь 125,8 тыс. га на второй озерно-аллювиальной террасе р. Туры. На объекте Решетниково исследовалась микрофлора среднемощной (слой торфа 1,5 м) торфяной почвы. Растениями – торфообразователями здесь были осоки, тростник, гипнум и др. Степень разложения торфа изменялась от 25 до 45%. На опытном участке возделывали многолетние травы (кострец безостый + овсяница луговая). Удобрения вносили в дозах, обусловленных схемой опыта, которая приведена при описании результатов исследований. Подкормку трав на опыте проводили ежегодно в два приема: первую весной в начале отрастания трав, вторую – после первого укоса. На опыте 2 минеральные удобрения по аналогичной схеме с опытом 1 вносили первые 3 года, после чего их использование было прекращено. Почвенные образцы отбирали буром АМ-16 методом «конверта» по глубинам 0-10, 10-20 см. Определение микроорганизмов проводили по общепринятым в микробиологии методикам.
Результаты исследования и их обсуждение. В результате исследований установлено, что общая численность бактерий в слое 0,1 м в опыте высокая как по ежегодному внесению минеральных удобрений (опыт 1), так и по изучению последействия минеральных удобрений (опыт 2). Максимальное их количество обнаружено во время формирования второго укоса многолетних трав. Среди бактерий численное превосходство имеют микроорганизмы, использующие минеральные формы азота, выросшие на среде КАА (табл. 1).
Полученные нами данные показывают значительное (в 2-3 раза и более) преобладание численности бактерий, растущих на минеральном источнике азота, над численностью бактерий, выявляемых на органическом азоте. Это свидетельствует о бедности осваиваемых почв легкодоступными для бактерий формами азота. На это для условий Центральной Барабы указывают [7,8]. Водорастворимая и легкогидролизуемая фракции органического вещества почвы составляют не более 10% от общего содержания углерода и азота.
1.Влияние минеральных удобрений на микрофлору торфяной почвы под многолетними травами 14-го года жизни, тыс. шт/га сухой почвы
|
Глубина, м |
Бактерии, растущие на |
Грибы |
Актино-мицеты |
Нитрифи-каторы |
Целлюлозо-разлагающие |
Спорообразующие |
||
|
МПА |
КАА |
|||||||
|
Контроль |
0-0,1 |
4523 |
8160 |
13,2 |
493 |
35,22 |
5,79 |
113 |
|
0,1-0,2 |
3186 |
4799 |
4,2 |
434 |
14,47 |
1,34 |
579 |
|
|
N30P60 K60 |
0-0,1 |
7346 |
9555 |
23,6 |
510 |
79,05 |
8,05 |
651 |
|
0,1-0,2 |
2187 |
4397 |
13,4 |
544 |
26,35 |
2,43 |
2074 |
|
|
0-0,1 |
13668 |
13475 |
22,1 |
901 |
53,85 |
8,38 |
918 |
|
|
0,1-0,2 |
2164 |
5213 |
13,9 |
1530 |
28,92 |
9,42 |
544 |
|
|
N90P120K120 |
0-0,1 |
4967 |
5025 |
8,48 |
255 |
46,30 |
7,91 |
1171 |
|
0,1-0,2 |
2709 |
6868 |
4,03 |
2482 |
24,74 |
2,83 |
1054 |
|
|
N120P90 K90 |
0-0,1 |
3524 |
4147 |
20,9 |
411 |
68,73 |
7,96 |
571 |
|
0,1-0,2 |
2493 |
3887 |
7,72 |
1040 |
30,52 |
0,69 |
589 |
|
Известно, что процессы превращения азотсодержащих соединений до подвижных форм и обогащения почв азотом происходят при участии аммонификаторов, олигонитрофилов и анаэробных фиксаторов азота. На торфяной почве опыта 1 аммонификаторы представлены как самая многочисленная группа микроорганизмов. Максимальная численность отмечена в слое 0,1 м в первом опыте в варианте N60P90 K90 – до 13668 тыс. шт./ г почвы и во втором опыте в варианте 5 – до 6120 тыс. шт./ г почвы.
В опыте 1 при систематическом ежегодном внесении минеральных удобрений активность аммонифицирующих бактерий несколько возрастает в июле и составляет от 2752 до 10240 шт./ г сухой почвы. Это намного ниже, чем в этот же срок годом ранее. Видимо, на численность аммонифицирующих бактерий повлияли низкие температуры и высокая влажность июля текущего 2015 года.
На опыте 2 с изучением последействия минеральных удобрений отмечено следующее: численность аммонифицирующих бактерий в среднем почти в 2 раза выше во время формирования первого укоса и составила соответственно 4788 и 2677 тыс. шт./ г сухой почвы (табл. 2).
2.Последействие минеральных удобрений на микрофлору торфяной почвы под многолетними травами 14-го года жизни, тыс. шт./г сух. почвы
|
Вариант |
Глубина, м |
Бактерии, растущие на |
Грибы |
Актино-мицеты |
Нитрифи-каторы |
Целлюлозо-разлагающие |
Спорообразующие |
|
|
МПА |
КАА |
|||||||
|
Контроль |
0-0,1 |
4183 |
6154 |
11,33 |
1173 |
26,85 |
7,99 |
1020 |
|
0,1-0,2 |
3537 |
8039 |
5,46 |
702 |
32,05 |
2,26 |
803 |
|
|
N30P60 K60 |
0-0,1 |
3909 |
5217 |
15,1 |
1368 |
21,33 |
8,36 |
968 |
|
0,1-0,2 |
2913 |
4235 |
5,37 |
576 |
17,58 |
5,02 |
692 |
|
|
N60P90 K90 |
0-0,1 |
4318 |
9441 |
11,17 |
595 |
36,04 |
7,16 |
1190 |
|
0,1-0,2 |
1641 |
3203 |
5,18 |
1035 |
24,34 |
3,32 |
343 |
|
|
N90P120K120 |
0-0,1 |
5304 |
5497 |
14,2 |
666 |
29,57 |
11,5 |
533 |
|
0,1-0,2 |
2807 |
2666 |
5,39 |
342 |
23,74 |
3,97 |
435 |
|
|
N120P90 K90 |
0-0,1 |
6120 |
9722 |
19,96 |
1132 |
30,60 |
7,43 |
1915 |
|
0,1-0,2 |
3935 |
5009 |
4,92 |
833 |
27,15 |
2,94 |
296 |
|
Аммонифицирующие бактерии в торфяных почвах осуществляют разложение органических веществ. Основная причина преобладания аммонифицирующих бактерий – жесткие гидротермические условия почвы. Аммонифицирующая микрофлора с помощью своих ферментов отщепляет аммиачный азот. Дальнейшее превращение азотсодержащих веществ должно идти до нитратной формы азота. Однако следует считать доказанным, что в почве преобладает аммонийная форма минерального азота. Различные группы аммонификаторов приспособлены к неодинаковым условиям, пределы оптимальности которых очень широки. Нитрификаторы же относятся к физиологической группе строгих аэробов с автотрофным типом питания.
Количество утилизаторов аммонийного азота на КАА значительно больше в опыте по изучению влияния внесения минеральных удобрений, чем в опыте с последействием минеральных удобрений. Причем, оно преобладает в слое 0,1 м в 3-м варианте обоих опытах и соответствует 9441 – 13475 тыс. шт./ г сух. почвы. Интенсивность развития микроорганизмов из этой группы в слое 0,1 м указывает на возрастающую напряженность процесса минерализации в осушенной среднемощной почве именно в верхнем горизонте.
Численность спорообразующих бактерий, определенных на суслоагаре, ниже, чем аммонифицирующих, в опыте 1- 113 – 2074 тыс. шт./г сух. почвы, в опыте 2- 295 – 1915 тыс. шт./ г сухой почвы. Поэтому можно отметить, что разложение органического вещества в торфяных почвах происходит в основном за счет деятельности неспоровых бактерий. Количество нитрифицирующих бактерий меньше как в опыте 1, так и в опыте 2. По-видимому, последнее указывает на бедность почвы зольными элементами. В образцах почвы, отобранных в конце мая, нитрификаторов не обнаружено. Как известно, нитрификаторы очень требовательны к теплу, однако торфяные почвы очень плохо прогреваются. Кроме того, установлено, что нитрификаторы хорошо развиваются только в том случае, если в почве не встречается большого количества растворимого органического вещества.
Недостаток легкодоступных органических веществ в почве подтверждает и содержание грибов, которые в общей численности микроорганизмов занимают незначительное место.
Грибы занимают подчиненное положение, для них нужны легкогидролизуемые формы органического вещества. Торф к таковым не относится, поэтому для увеличения численности грибов и в целях ускорения минерализации нужно применять различные органические и минеральные добавки. При внесении высоких доз удобрений возрастает и активность грибов. То же самое прослеживается и у других форм микроорганизмов. Под влиянием удобрений происходит перестройка биологической составляющей почв. В почве происходит изменение численности микроорганизмов всех рассматриваемых биологических групп.
Корреляционный анализ показал, что существует отрицательная высокая связь между нитрифицирующими бактериями (r=0,85), целлюлозоразложением (r=0,70) и бактериями, разлагающими органический азот (МПА). Численность актиномицетов и грибов во всех вариантах опытов не высока, развивается слабо. Поэтому минерализация азотсодержащего органического вещества ограничивается первыми этапами его разрушения. Преобладание в среднемощной торфяной почве микроорганизмов, усваивающих минеральные формы азота, над теми, которые утилизируют его органические соединения, доказывает повышенную олиготрофность среды обитания по углероду и азоту. Бедны по содержанию актиномицетов и торфа Томской области, где их численность составляет около 0,5 млн., а относительное содержание менее 10% [10]. В условиях Белорусского Полесья актиномицеты на окультуренных торфяных массивах составляют от 15 до 27% всего микробного населения [14].
Плодородие торфяных почв определяется наличием целлюлозоразлагающих бактерий, которые являются «поставщиками» органических коллоидов почвы. В торфе без его улучшения процесс разрушения клетчатки протекает очень слабо. Процесс анаэробного разложения целлюлозы играет в возделываемой почве второстепенную роль [15].
Деятельность целлюлозоразлагающей микрофлоры, определяемая по степени распада и убыли сухой массы хлопчатобумажного полотна, является достаточно надежным показателем ее биохимической активности. Разложение ткани в почве за 3 месяца экспозиции составило в опыте 1 – 20,2 – 41,2% в слое 0,1 м; 24,8 – 47,0% на глубине 0,1 – 0,2 м; в опыте 2 – соответственно 26,2 – 35,0 и 26,2 – 49,2% (табл. 3).
3.Интенсивность разложения целлюлозы в торфяной почве в зависимости от дозы и последействия минеральных удобрений , %
|
Глубина, м |
Опыт 1 |
Опыт 2 |
|||
|
Потеря от 5 г. х/б ткани |
Разложение целлюлозы |
Потеря от 5 г. х/б ткани |
Разложение целлюлозы |
||
|
Контроль |
0-0,1 |
3,68 |
26,4 |
3,25 |
35,0 |
|
0,1-0,2 |
3,75 |
25,0 |
2,54 |
49,2 |
|
|
0-0,1 |
4,00 |
20,2 |
3,57 |
28,6 |
|
|
0,1-0,2 |
3,76 |
24,8 |
3,16 |
36,8 |
|
|
0-0,1 |
3,15 |
37,1 |
3,69 |
26,2 |
|
|
0,1-0,2 |
3,00 |
39,9 |
3,69 |
26,2 |
|
|
0-0,1 |
3,04 |
39,2 |
3,55 |
29,0 |
|
|
0,1-0,2 |
3,07 |
38,7 |
3,84 |
23,2 |
|
|
0-0,1 |
2,94 |
41,2 |
3,61 |
27,8 |
|
|
0,1-0,2 |
2,65 |
47,0 |
3,57 |
28,6 |
|
Причем из вариантов наиболее активным целлюлозоразложением отличались N60P90 K90, N90P120K120 и N120P90 K90 (опыт 1) и 1 (опыт2). В опыте 2 практически во всех вариантах, кроме контроля, процесс разложения целлюлозы отличается незначительно. Есть предположение о том, что при внесении минеральных удобрений сработал механизм увеличения микроорганизмов, разлагающих минеральный и органический азот, несколько снижая целлюлозоразложение. Несмотря на достаточную численность микроорганизмов, разлагающих клетчатку, скорость разложения целлюлозы низкая: за 15 дней экспозиции разлагаются в среднем всего 2,03% ткани.
Слабое протекание процесса разложения клетчатки под многолетними травами связано с неблагоприятным тепловым режимом. Этот фактор играет роль ингибитора напряженности окислительно-восстановительных процессов превращения органических веществ. По данным [9], степень разрушения полотна через два месяца после заложения в слое 0,1 м составляла 8%, а в слое 0,15 – 0,30 м – 5%.
Коэффициент минерализации (КАА:МПА) различается не только по срокам, но и по глубинам (табл. 4).
4. Коэффициент минерализации торфяной почвы под многолетними травами 14-го года жизни
|
Вариант |
Глубина, м |
Опыт 1 |
Опыт 2 |
||||||
|
28.V |
11.VII |
26.VIII |
В среднем |
28.V |
11.VII |
26.VIII |
В среднем |
||
|
Контроль |
0-0,1 |
1,06 |
1,46 |
4,04 |
2,19 |
1,36 |
2,22 |
0,96 |
1,51 |
|
0,1-0,2 |
0,78 |
2,16 |
0,79 |
1,24 |
1,04 |
3,81 |
2,44 |
2,43 |
|
|
N30P60 K60 |
0-0,1 |
1,09 |
0,63 |
2,15 |
1,29 |
1,14 |
1,76 |
1,29 |
1,39 |
|
0,1-0,2 |
2,32 |
1,90 |
1,74 |
1,99 |
0,13 |
3,45 |
3,24 |
2,27 |
|
|
N60P90 K90 |
0-0,1 |
0,45 |
0,99 |
1,09 |
0,84 |
1,79 |
2,77 |
2,05 |
2,20 |
|
0,1-0,2 |
1,23 |
3,25 |
3,61 |
2,69 |
2,02 |
1,61 |
2,44 |
2,02 |
|
|
N90P120K120 |
0-0,1 |
0,21 |
0,92 |
2,44 |
1,19 |
0,51 |
1,09 |
1,31 |
0,97 |
|
0,1-0,2 |
1,37 |
3,12 |
5,51 |
3,33 |
0,44 |
2,76 |
1,09 |
1,43 |
|
|
N120P90 K90 |
0-0,1 |
0,34 |
0,42 |
3,23 |
1,33 |
0,65 |
4,88 |
1,36 |
2,29 |
|
0,1-0,2 |
0,96 |
1,58 |
3,04 |
1,86 |
0,42 |
7,37 |
2,13 |
3,31 |
|
В опыте по изучению влияния минеральных удобрений (опыт 1) коэффициент минерализации наиболее высок в слое 0,1 – 0,2 м и составляет по вариантам в среднем за вегетацию от 1,24 до 3,33. Заметна следующая зависимость: с глубиной количество минерализующих бактерий и актиномицетов (КАА) возрастает, а организмов, использующих органический азот, убывает. Видимо, в почве на данной глубине растительные остатки находятся в более глубокой стадии разложения, чем в слое 0,1 м. То же самое можно сказать и об опыте по изучению последействия минеральных удобрений. Если сравнить по срокам, то оптимальный коэффициент минерализации отмечен к середине августа. В почве преобладают организмы, использующие минеральный азот. Это можно объяснить двояко: либо в почве активизируются процессы минерализации при создавшихся условиях, либо она бедна легкодоступными для бактерий органическим азотом.
Выводы
1. Торфяным почвам свойственны специфические особенности, обусловливающие формирование в них своеобразных микробоценозов. Микробная ассоциация осушаемых торфяных почв формируется в условиях высокой органогенности. Состав и численность микроорганизмов в торфяных почвах до осушения в основном зависят от биоклиматических и гидрологических условий формирования болота.
2. В осушаемых торфяных почвах бактерии – самая многочисленная группа микроорганизмов и их жизнедеятельность обусловливает протекание и активность основных микробиологических процессов. Среди бактерий численное превосходство имеют микроорганизмы, использующие минеральные формы азота, выросшие на КАА. Основная причина преобладания аммонифицирующих бактерий – жесткие гидротермические условия торфяной почвы. Количество утилизаторов аммонийного азота на КАА значительно больше в опыте с внесением минеральных удобрений.
3. Разложение органического вещества в торфяных почвах происходит в основном за счет деятельности неспоровых бактерий. Незначительное количество нитрифицирующих бактерий указывает на бедность почвы зольными элементами. В начале вегетационного периода под многолетними травами 14-го года жизни нитрификаторы не обнаружены из-за плохого прогревания почвы.
4. Грибы занимают подчиненное положение в связи с недостатком в торфяной почве легкогидролизуемого органического вещества. Активность грибов возрастает при внесении высоких доз минеральных удобрений. Под влиянием удобрений происходит изменение численности микроорганизмов всех рассматриваемых биологических групп.
5. Ежегодное внесение высоких доз удобрений увеличивает целлюлозо-разложение на 20,2 – 41,2% в слое 0,1 м и 24,8 – 47,0% на глубине 0,1 – 0,2 м. В годы последействия удобрений во всех вариантах, кроме контроля, процесс разложения целлюлозы отличается незначительно.
Внесение минеральных удобрений увеличивает коэффициент минерализации, торфа под многолетними травами по сравнению с контролем в 1, 5 раза.
1. Motorin A.S. Microbiological regime of peat soils of the Northern Trans-Urals // Vestnik TGSHA. - 2010. - No. 2. - S. 51-57.
2. Inisheva L.I., Belova E.V. Agrochemical, biological properties and regimes of drained agropeat soils // Agrochemistry. - 2003. - No. 4. - S. 22-28.
3. Anisimova T.Yu., Lukin S.M. Theoretical and practical foundations for the effective use of drained peatlands in Russia // Swamps and biosphere: materials of Vseros. from int. participation of X school. - Tver: Science-Intensive Technologies LLC, 2018. - P. 11-16.
4. Dobrovolskaya T.G., Golovchenko A.V., Zvyagintsev D.G. Analysis of environmental factors limiting the destruction of high peat // Eurasian Soil Science. - 2014. - No. 3. - S. 304-316.
5. Inisheva L.I., Dementieva T.V. The rate of mineralization of organic matter in peat // Eurasian Soil Science. - 2000. - No. 2.- P. 196-203.
6. Kozlovskiy F.I. Mikroflora pochv Karapuzskogo zaymischa i ee izmenenie pri sel'skohozyaystvennom osvoenii // Byul. nauch. - issl. Ubinskoy OMS. - Novosibirsk, 1958. -№4. - S. 58-70.
7. Gantimurova N.I. Microflora of peat-bog soils of the Central Baraba // Nauch. tr. SevNIIGiM. - Novosibirsk: Zap. - Sib. book. publishing house, 1969. - Issue. 29. - S. 181-211.
8. Klevenskaya I.Ya., Naplekova N.N., Gantimurova N.I. Microflora of soils in Western Siberia. - Novosibirsk: Science, 1970 - 194 p.
9. Naplekova N.N. Aerobic decomposition of cellulose by microorganisms in the soils of Western Siberia. - Novosibirsk: Nauka, Sib. department, 1974. - 250 p.
10. Zhdannikova E.N. Microbiological characteristics of peat-bog soils of the Tomsk region // Waterlogged forests and swamps of Siberia. - M .: Publishing House of the ANSSR, 1963. - P. 170-182.
11. Slavnina T.P., Inisheva L.I. Biological activity of soils of the Tomsk region. - Tomsk, 1987. - 216 p.
12. Dyrin V.A. Microbiological characteristics of peat bogs // Bogs and biosphere. - Tomsk, 1987. - S. 41-52.
13. Kononova M.M. Soil organic matter. - M.: Publishing House of the ANSSR, 1963. - 258 p.
14. Vavulo F.P. Microflora of the main types of soils of the USSR and their fertility. - Minsk: Harvest, 1971. - S. 28-29.
15. Vinogradsky S.N. soil microbiology. - M.: Publishing House of the ANSSR, 1952. - 529 p.
16. Kozlovsky F.I. Soil microflora of the Karapuzskoye Zaymische and its change during agricultural development, Byull. scientific - research Ubinskaya OMS. - Novosibirsk, 1958. - No. 4. - S. 58-70.
