Экологическая оценка влияния диатомита на фитоценоз и состояние почвенно-биотического комплекса светло-серой лесной легкосуглинистой почвы
На правах рукописи
КОЗЛОВ АНДРЕЙ ВЛАДИМИРОВИЧ ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ДИАТОМИТА НА ФИТОЦЕНОЗ И СОСТОЯНИЕ ПОЧВЕННО-БИОТИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА СВЕТЛО-СЕРОЙ ЛЕСНОЙ ЛЕГКОСУГЛИНИСТОЙ ПОЧВЫ Специальность 03.02.08 – экология (биология)
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук
Москва – 2013
Работа выполнена на кафедре агрохимии и агроэкологии Нижегородской госу дарственной сельскохозяйственной академии доктор сельскохозяйственных наук, профессор
Научный консультант:
Титова Вера Ивановна
Официальные оппоненты: Аканова Наталья Ивановна доктор биологических наук, профессор, главный научный сотрудник отдела химической мелиорации почв ВНИИА имени Д.Н. Прянишникова Россельхозакадемии Савич Виталий Игоревич доктор сельскохозяйственных наук, профессор, профессор кафедры почвоведения, геологии и ландшафтоведения ФГБОУ ВПО РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева ФГБОУ ВПО «Ульяновская ГСХА им. П.А. Сто
Ведущая организация:
лыпина» Министерства сельского хозяйства РФ
Защита диссертации состоится «20» февраля 2013 года в 14 час. 30 мин. на засе дании диссертационного совета Д 220.043.03 при Российском государственном аграрном университете – МСХА имени К.А. Тимирязева по адресу: 127550, г. Москва, ул. Прянишникова, д. 15.
Текст автореферата размещен на сайте РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева:
www.timacad.ru.
С диссертацией можно ознакомиться в Центральной научной библиотеке РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева.
Автореферат разослан « 15 » января 2013 года.
Ученый секретарь диссертационного совета О.В. Селицкая
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность исследований В свете современных тенденций биологизации и экологизации отечественно го сельского хозяйства в отрасль растениеводства активно внедряются различ ные способы модернизации технологий возделывания сельскохозяйственных культур, которые зачастую рассматривают потенциальную возможность агро химического использования веществ, ранее не учитываемых в качестве удобри тельных. Вследствие общего истощения ресурсных факторов как составляющих плодородия пашни, ее нынешнее использование без пополнения запасов биоген ных элементов не может обеспечить устойчивого функционирования агроэкоси стем и высокой урожайности культурных растений. С другой стороны, примене ние традиционных минеральных удобрений не всегда оправдано с экономиче ских (низкий уровень рентабельности) и экологических (их производство и, в ряде случаев, применение сопряжено с негативным воздействием на окружаю щую среду;
запасы агроруд близки к истощению) позиций. Поэтому изучение в качестве удобрений неклассических для агрохимии веществ актуально при ре шении вопросов оптимизации питания сельскохозяйственных растений и эколо гического состояния почвенно-биотического комплекса (ПБК) агроэкосистем.
Многочисленными исследованиями (Матыченков, 2007, 2008;
Лобода, 2000, 2002;
Куликова, 2003, 2008, 2011;
Капранов, 2006, 2008, 2009;
Ma J.F., Takahashi E., 2002 и др.) подтверждается положительное влияние нетрадиционных удобри тельных веществ, в качестве которых рассматривают, в том числе, кремнийсо держащие агроруды. Их действие изучается на отдельных культурах агрофито ценоза, затрагивая особенности питательного режима почвы. Известно, напри мер, что они способствуют повышению урожайности культурных растений, улучшая качество растительной продукции, обладают ростстимулирующей функцией в отношении растительного сообщества, а также приводят к увеличе нию содержания в почве подвижных форм азота, фосфора и калия.
В литературе, однако, редко встречаются работы, содержащие результаты комплексной оценки влияния кремнийсодержащих материалов на почвенную экосистему, включающую не только культурный фитоценоз, но и микробиоце ноз, в значительной степени характеризующий экологическое состояние ПБК.
Это определило необходимость постановки опытов в строго контролируемых лабораторных и вегетационных условиях, направленных на выявление влияния кремнийсодержащего материала диатомита на биопродуктивность озимой ржи, урожайность яровой пшеницы и кукурузы, выращиваемой на зеленую массу, а также на микробиоценоз, как показатель экологического состояния почвы.
Цель и задачи исследований Основной целью исследований явилась интегральная оценка влияния различ ных доз диатомита на экологическое состояние фитоценоза по продуктивности культурных растений и основным характеристикам почвенно-биотического комплекса светло-серой лесной легкосуглинистой почвы.
Программа исследований предусматривала решение следующих задач:
1) изучить влияние различных доз диатомита на реализацию агробиотическо го потенциала зерновых (яровая пшеница) и кормовых (озимая рожь и кукуруза, выращиваемые на зеленую массу) культур при использовании его в чистом виде и по фону минеральных удобрений;
2) определить кислотно-щелочные характеристики диатомита, его буферность и потенциальное влияние на устойчивость почвы к изменению реакции среды;
3) выявить действие диатомита на содержание различных форм кремния в светло-серой лесной легкосуглинистой почве, поглощение его яровой пшеницей и кукурузой, а также на изменение основных показателей пищевого режима почвы;
4) оценить экологическое состояние ПБК по изменению численности отдель ных групп микробиоценоза при использовании разных доз диатомита, а также по силе и направленности изменений биологической активности почвы;
5) оценить возможность замены минеральных удобрений диатомитом при внедрении в производство ресурсосберегающих технологий с целью снижения нагрузки на окружающую среду.
Научная новизна В строго контролируемых условиях вегетационных опытов изучен биологи ческий отклик культурных растений (озимая рожь, яровая пшеница и кукуруза) на внесение различных доз диатомита, применяемого в чистом виде или по фону минеральных удобрений.
Впервые оценено влияние диатомита на экологическое состояние светло серой лесной легкосуглинистой почвы по показателям численности отдельных групп микроорганизмов, обеспечивающих минерализацию азотсодержащих и безазотистых компонентов органического вещества почвы, численности фосфат и силикатредуцирующей микрофлоры почвы, а также биологической активности ферментов, участвующих в активизации контролируемых данными группами микробиоценоза процессов.
Определена степень влияния диатомовой агроруды на питательные свойства почвы, содержание в ней различных форм кремния и возможность его поглоще ния культурами.
Практическая значимость исследований Полученные результаты могут быть востребованы при разработке элементов биологизации земледелия, предусматривающих повышение продуктивности сель ско-хозяйственных культур за счет внесения природных кремнийсодержащих мате риалов при минимизации или стабилизации использования минеральных удобрений.
Данные учетов численности отдельных групп почвенных микроорганизмов и ферментативной активности светло-серой лесной легкосуглинистой почвы по зволяют более обоснованно прогнозировать продуктивное состояние биотиче ской составляющей и изменение плодородия почв при использовании в агроэко системе диатомита.
Основные результаты исследований используются в процессе преподавания дисциплин сельскохозяйственная экология, агрохимия и система удобрения, чи таемых в Нижегородской государственной сельскохозяйственной академии.
Основные положения, выносимые на защиту 1. Использование диатомита на светло-серой лесной легкосуглинистой почве увеличивает продуктивность фитоценоза. Эффект зависит от биологических особенностей культур, дозы препарата и наличия минеральных удобрений.
2. Кремнийсодержащий материал диатомит, обладая слабощелочной реакцией и буферной способностью, позволяет улучшить состояние поглощающего ком плекса почвы, поддерживая благоприятные кислотно-основные характеристики и высокое содержание в ней доступных растениям основных элементов питания.
3. Внесение диатомита приводит к увеличению содержания различных форм кремния в почве, повышению выноса его почвенных запасов при некотором снижении коэффициентов биоаккумуляции и использования Si на фоне уве личения доз внесения диатомита.
4. Применение диатомита способствует оптимизации экологического состояния светло-серой лесной почвы за счет активного развития агрономически цен ных групп микроорганизмов – аммонифицирующих, амилолитических, цел люлолитических, фосфат- и силикатредуцирующих, что в значительной сте пени коррелирует с изменениями активности почвенных ферментов, соответ ствующих данным группам микробиоценоза.
5. Использование диатомита в чистом виде обеспечивает возможность получе ния высокой продуктивности культурных растений на неудобренной почве, что является значимым элементом ресурсосбережения.
Апробация работы Результаты исследований ежегодно докладывались на научно-практических конференциях студентов, аспирантов и педагогических работников Нижегород ской ГСХА (Н. Новгород, 2010-2012 гг.), на межвузовской конференции Ассоциа ции образовательных учреждений АПК и рыболовства России «Агрообразование», посвященной итогам конкурса «Молодые новаторы аграрной России» (Орел, ОрелГАУ – 2010 г.), на научно-практической конференции «Земледелие и его ре сурсное обеспечение в современных условиях» (Н. Новгород, НГСХА – 2010 г.), на международной научно-практической конференции «Нетрадиционные источники и приемы организации питания растений» (Н. Новгород, НГСХА – 2011 г.), а также на международной конференции при Московской летней экологической школе MOSES-2012 (Москва, РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева – 2012 г.).
Лабораторная часть диссертационной работы частично выполнена при финан совой поддержке Гранта «Молодые новаторы аграрной России» (Москва, 2010 г.).
Общее количество опубликованных работ – 13 наименований (8,6 усл. печ. л., личное участие – 4,8 усл. печ. л.). В журналах списка ВАК опубликовано 3 работы.
Объем и структура работы Диссертация содержит введение, обзор литературы, 7 глав результативной части и выводы. Работа изложена на 182 страницах, содержит 5 формул, 34 таб лицы, 24 рисунка и 18 приложений. Список литературы включает 301 наимено вание, в т.ч. 26 иностранных публикаций. Исследования выполнены в соответст вии с комплексным тематическим планом научных исследований Нижегород ской ГСХА (номер государственной регистрации темы 0120.0 805769).
Диссертационная работа выполнена автором в течение очного обучения в ас пирантуре при кафедре. Общая концепция и программа исследований разрабо таны под научным руководством доктора с.-х. наук, профессора Титовой В.И., в решении некоторых теоретических и прикладных вопросов работы принимали участие профессора кафедры агрохимии и агроэкологии НГСХА Бусоргин В.Г. и Дабахова Е.В., доцент кафедры Гейгер Е.Ю., аспирант кафедры Бахарев А.В., студентка-дипломница Суслова О.А., а также доктор пед. наук, профессор ка федры биохимии и физиологии растений ННГУ им. Лобачевского Дятлова К.Д., которым автор выражает сердечную благодарность за оказанную помощь.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Глава 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ Анализ литературных источников показал, что в результате изучения природ ных кремниевых агроруд и искусственных кремнийсодержащих веществ многими авторами выявлено разностороннее и, в целом, положительное действие на про дуктивность и показатели качества культур агрофитоценозов (Ермолаев, Кудино ва, Капранов, Лобода, Куликова, Сластя, Самсонова и др.), установлен оптимизи рующий эффект в отношении показателей плодородия (Матыченков, Розанов, Водяницкий, Глазунова и др.) и агроэкологической безопасности почв (Марова, Шмакова, Дорожкина, Яковлев, Искендеров и др.). Однако для комплексной оценки степени и направленности действия кремнийсодержащих веществ на со стояние ПБК полученных данных, в том числе и по анализу их влияния на микро биоценоз почвы, недостаточно. Поэтому была поставлена задача изучить влияние природной кремниевой агроруды диатомита в системе «удобрение-почва растение» не только с позиции влияния на фитоценоз, но и на микробиологиче скую активность светло-серой лесной легкосуглинистой почвы, от которой в зна чительной мере зависит состояние ресурсных факторов ее плодородия.
Глава 2. ОБЪЕКТЫ, УСЛОВИЯ И МЕТОДЫ ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ Объектом исследований являлся диатомит Инзенского месторождения (Уль яновская обл.), представляющий собой осадочную породу, сложенную остатка ми диатомовых водорослей, которая характеризуется большой удельной поверх ностью (до 100 м2/г), высокой реакционной активностью, имеет нейтральную реакцию (рНводн.-7,2), содержит органическое вещество (до 7%) и широкий спектр биогенных элементов (подвижные формы (мг/кг): азота – 13, фосфора – 37, калия – 350, кремния – 12200;
кальция и магния – 10 и 39 мг-экв./100 г и др.).
Исследования проведены в 2009-2011 гг. путем закладки 2х лабораторно вегетационных опытов с озимой рожью (Secale cereale L.) и по 2 вегетационных опыта с яровой пшеницей (Triticum aestivum L.) и кукурузой (Zea mays L.).
Опыты закладывались на светло-серой лесной легкосуглинистой почве, ис ходная характеристика которой представлена в таблице 1.
1. Исходная характеристика светло-серой лесной легкосуглинистой почвы № Гу- SiO2, мг/кг pHkcl, V, Hг S P2O5 K2O опы- мус, по Матыченкову ед. рН % та % мг-экв./100 г почвы мг/кг по Кирсанову актуал. потенц.
лабораторно-вегетационные опыты, 2009-2010 гг.
1, 2 6,2 2,0 3,3 10,5 76 120 50 66 вегетационные опыты, 2010 г.
3, 4 5,4 1,9 3,1 12,9 81 140 124 14 вегетационные опыты, 2011 г.
5, 6 5,3 2,0 3,3 12,6 79 150 136 74 Схемы опытов по изучению влияния диатомита были однотипными для всех культур, дозы диатомита и удобрений были различны по опытам (табл. 2).
2. Краткие сведения по опытам Дозы удобрений по культурам Обозначение Содержание варианта озимая яровая варианта кукуруза рожь пшеница Почва без удобрений – контроль – – – К 1,5 1,5 2,0 Д Внесение диатомита, 3,0 3,0 4,0 Д г физ. массы / 1 кг почвы 4,5 4,5 6,0 Д 6,0 6,0 8,0 Д NPK, г д.в. / 1 кг почвы N0,2P0,2K0,2 N0,2P0,2K0,2 N0,4P0,4K0,4 NPK-фон 0,6 + 1,5 0,6 + 1,5 1,2 + 2,0 NPK + Д NPK, г д.в. / 1 кг почвы + 0,6 + 3,0 0,6 + 3,0 1,2 + 4,0 NPK + Д внесение диатомита, 0,6 + 4,5 0,6 + 4,5 1,2 + 6,0 NPK + Д г физ. массы / 1 кг почвы 0,6 + 6,0 0,6 + 6,0 1,2 + 8,0 NPK + Д Количество высеваемых семян культур составило (шт./сосуд (поддон)): для озимой ржи – 100, яровой пшеницы – 30, кукурузы – 15. Количество растений к уборке соответственно равно 100, 15 и 5.
2010 год был более сухим и жарким как по сравнению со средней климатиче ской нормой, так и с последующим (2011) умеренно жарким годом.
Лабораторно-вегетационные опыты № 1 (2009 г.) и № 2 (2010 г.) В опытах изучали влияние диатомита на начальную продуктивность озимой ржи в виде выгонки проростков, а также его влияние на экологическое состоя ние почвенно-биотического комплекса. Опыты закладывали в 4х-кратной повтор ности в поддонах из-под сосудов Митчерлиха объемом на 0,8 кг почвы по схеме для озимой ржи (Валдай). Диатомит и минеральные удобрения, используемые в качестве фона (Nаа, Рсд, Кх), вносили в почву при ее подготовке к закладке опытов.
Почву смешивали с растворами NH4NO3 и KCl, а также с тонкоразмолотыми по рошками суперфосфата и диатомита. Подготовленную почву предварительно компостировали в течение 4х месяцев в полиэтиленовых пакетах при температуре +25 °С, еженедельно подвергая увлажнению до 60% от ПВ и тщательно переме шивая. Затем поддоны набивали подготовленной почвой, из которой производили выгонку зеленой биомассы озимой ржи по методу проростков Нейбауэра Шнейдера (Агрохимические…, 1960) с искусственным доосвещением. Ежеднев ное 12-часовое доосвещение проводили четырьмя люминесцентными фитолам пами марки «Camelion» WL-3017;
срок проращивания – 21 день.
Вегетационные опыты № 3 (2010 г.) и № 5 (2011 г.) В опытах изучали влияние диатомита на продуктивность яровой пшеницы и экологическое состояние почвенно-биотического комплекса. Опыты закладыва ли в сосудах Митчерлиха на 5 кг почвы в 4х-кратной повторности по схеме для яровой пшеницы (Курская 2038). Диатомит и минеральные удобрения (Nаа, Рсд, Кх) вносили в почву при ее подготовке к закладке опытов. Почву смешивали с растворами NH4NO3 и KCl, а также с порошками суперфосфата и диатомита.
Вегетационные опыты № 4 (2010 г.) и № 6 (2011 г.) В опытах изучали влияние диатомита на урожайность зеленой биомассы кукурузы и экологическое состояние почвенно-биотического комплекса. Опыты закладывали в сосудах Митчерлиха на 10 кг почвы в 4х-кратной повторности по схеме для кукурузы (РОСС 299МВ). Удобрения вносили при набивке сосудов.
Анализ диатомита, образцов почв и растений выполнен в лабораториях ка федры агрохимии и агроэкологии Нижегородской ГСХА, а также в ФГБУ «НРЦ Россельхознадзора» по методам, используемым в современной агрохимической и микробиологической практике (Методические указания…, 2003).
Образец Инзенского диатомита проанализирован на определение кислотно сти его суспензий потенциометрическим методом. Определение рН водной и со левой (1 n р-р KCl) вытяжек порошка диатомита, предварительно размолотого и просеянного через сито (0,5 мм), проводилось с помощью ионометра PortLab 102, откалиброванного по трем буферным растворам – 4,01, 6,86 и 9,18 ед. рН.
Образцы почв анализировали по следующим методам: обменная кислотность (pH солевой вытяжки) – по ГОСТ 26483-85;
гидролитическая кислотность – по ГОСТ 26212-91;
кислотно-основная буферность – потенциометрически по мето ду Аррениуса (Физико-химические методы…, 1980).
Содержание органического вещества в почве определяли по ГОСТ 26213-91;
подвижные соединения фосфора и калия – по ГОСТ 26207-91;
содержание ми неральных форм азота в почве – фотоэлектроколориметрическими методами:
аммонийной – по Несслеру, нитратной – по методу Грандваль-Ляжу;
содержа ние подвижного кремния – спектрофотометрически по Маллену и Райли с экс тракцией кремния по Матыченкову (Минеев, 2001).
Учет показателей биологической активности почвы проводили из свежих об разцов непосредственно после уборки опытов с дополнительным анализом ризо сферной (прикорневой) части почвы, отделяемой по Красильникову, и с после дующим пересчетом показателей на массу абс.-сух. почвы (Теппер и др., 2004).
Численность основных эколого-физиологических групп микроорганизмов в почве определяли чашечным методом Коха из оптимальных разведений почвен ной суспензии с посевом на общепринятые твердые питательные среды при па раллельном засеве 5и чашек Петри на каждый образец почвы. В качестве пита тельных сред использовали: для определения численности аммонифицирующей микрофлоры – мясопептонный агар, амилолитической – крахмало-аммиачный агар, аэробной целлюлолитической микрофлоры – агар Гетчинсона-Клейтона, численности литотрофных силикатных микроорганизмов – алюмосиликатный агар, литотрофных фосфатных микроорганизмов – агар Муромцева, автохтонных микроорганизмов – нитритный агар Теппер (Ежов, 1981;
Практикум…, 2005).
Ферментативную активность почвы определяли следующими методами: ак тивность протеазы – по методу Галстяна и Арутюнян, инвертазы – по методу Купревича и Щербаковой, фосфатазы – по Хазиеву, метод Багнюка и Щетин ской использовали при определении активности целлюлазы (Хазиев, 1976).
При анализе растений использовали следующие методы: урожайность и со держание сухого вещества определяли весовым методом;
высоту растений – метрически;
содержание кремния – спектрофотометрически по Барсуковой. Со держание клетчатки определяли по методу Кюршнера и Ганека в модификации Петербургского, содержание клейковины – по ГОСТ 28796-90, содержание крахмала – поляриметрически по Эверсу (Минеев, 2001).
Расчет площадей буферности почвы и диатомита производили методом чис ленного интегрирования по формуле определения площади криволинейной тра пеции (Назырова, 2002). Коэффициенты использования кремния из почвы и его биоаккумуляции в фитомассе культур, а также микробиологические коэффици енты Мишустина и Аристовской рассчитывали по общепринятым формулам (Андреюк, 1981;
Ильин, 1995). Математическая обработка результатов исследо ваний проведена методом вариационной статистики, дисперсионного и корреля ционного анализа по Доспехову с использованием Microsoft Office Excel 2007.
Глава 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ДИАТОМИТА В ЛАБОРАТОРНЫХ УСЛОВИЯХ Основным комплексным показателем, характеризующим эколого-агрономи ческий эффект от применения нетрадиционного удобрительного материала, яв ляется отклик фитоценоза, оцениваемый по биологической продуктивности.
Установлено, что внесение диатомита в почву повышало биопродуктивность озимой ржи с приростом биомассы до 30% при увеличении его дозы (табл. 3).
3. Влияние диатомита на биопродуктивность озимой ржи, среднее за годы исслед.
Общая биомасса растений, возд.-сух. масса «проростки :
прибавка прибавка Вариант среднее, ± к контролю корни» от удобрений от диатомита г/сосуд г/сосуд % ± г/сосуд ± % ± г/сосуд ± % Контроль 15,1 – – – – – – 0,86 : Д1,5 = Д1 15,6 0,5 3 – – 0,5 3 1,23 : Д3,0 = Д2 18,6 3,5 23 – – 3,5 23 1,19 : Д4,5 = Д3 19,5 4,4 29 – – 4,4 29 1,22 : Д6,0 = Д4 18,9 3,8 25 – – 3,8 25 1,25 : NPK-фон 21,5 6,4 42 6,4 42 – – 1,98 : NPK + Д1 23,7 8,6 57 8,1 52 2,2 10 2,29 : NPK + Д2 27,2 12,1 80 8,6 46 5,7 26 2,36 : NPK + Д3 27,3 12,2 81 7,8 40 5,8 27 2,59 : NPK + Д4 26,5 11,4 75 7,6 40 5,0 23 2,63 : НСР05 2,6 – 1,2 – 1,8 – – Применение диатомита с макроэлементами питания увеличивало продуктив ность культуры: на фоновом варианте (вар. NPK) – в среднем на 42%, при наи меньшей дозе диатомита (вар. NPK+Д1) – в среднем еще дополнительно на 10%.
Из этого следует, что внесение минимальной дозы агроруды положительно влияло на эффективность минеральных удобрений (вероятно, способствуя луч шему усвоению элементов питания из внесенных в почву минеральных солей).
Использование диатомита совместно с макроэлементами питания на 57-81% повышало общую биопродуктивность озимой ржи, из которых на долю диато мита пришлось около влияния. При этом влияние кремнийсодержащей агро руды на биомассу культуры оказалось одинаковым как при внесении ее в чистом виде (по неудобренному фону), так и при внесении по фону NPK, так как про цент прироста продуктивности от диатомита на вариантах Д1-Д4 и на вариантах NPK+Д1-NPK+Д4 был практически равен. Абсолютная прибавка от диатомита всегда была выше на удобренных вариантах, величина которой зависела от его дозы. Математически доказуемой лучшей дозой диатомовой агроруды, оказы вающей стимулирующий эффект на синтез биомассы ржи без дополнительного внесения минеральных удобрений, была доза в 4,5 г/кг почвы (Д3), а при внесе нии диатомита по фону макроэлементов питания – 3,0 г/кг почвы (NPK+Д2).
При изучении кислотно-основных свойств диатомита выявлено, что его вод ная вытяжка (актуальная кислотность) обладала нейтральной реакцией, показа тель которой (рНвод.) изменялся в интервале значений 7,33-7,58-7,70 ед. рН в за висимости от степени разбавления водой (1:2,5-1:25-1:50). Значения обменной кислотности солевой (1 n р-р KCl) вытяжки из диатомита при аналогичных раз бавлениях были ниже вышеупомянутых показаний по воде (7,15-7,58-7,65), что может свидетельствовать о наличии у агроруды определенной емкости обмена.
В результате определения показателей буферности выявлено, что диатомит обладает буферными свойствами и, в частности, большим запасом основных ка тионов, чем кислотных, поскольку площадь буферности для кислотного интер вала (30,8 см2) была меньше, чем для щелочного (38,5 см2). Показатель буфер ной емкости почвы (количество ионов Н+(ОН–), необходимое для сдвига рН на ед.), компостированной с диатомитом (1,5 г/кг почвы), повысился с 26,1 до 40,0 ммоль Н+/100 г в кислотном интервале и снизился с 22,2 до 5,0 ммоль ОН– /100 г – в щелочном. Теоретически это может свидетельствовать о повышении способности почвы, обработанной диатомитом, в большей степени противосто ять ее подкислению, чем подщелачиванию.
Подготовка почвы слабо повлияла на ее микробиоценоз, в заметной степени изменяя только численность аммонифицирующей микробиоты (рис. 1-2).
млн. КОЕ/1 г почвы К Д1 Д2 Д3 Д4 NPK NPK + Д1 NPK + Д2 NPK + Д3 NPK + Д до закладки опытов Ряд после уборки культуры, неризосферная почва после уборки культуры, ризосфера Рис. 1. Влияние диатомита на численность аммонифицирующих микроорганизмов в почве Выращивание же проростков озимой ржи способствовало повышению биоло гического отклика микробиоценоза от внесения удобрений, оптимизируя усло вия развития преимущественно для аммонифицирующих микроорганизмов.
млн. КОЕ/1 г почвы К Д1 Д2 Д3 Д4 NPK NPK + Д1 NPK + Д2 NPK + Д3 NPK + Д до закладки опытов Ряд после уборки культуры, неризосферная почва после уборки культуры, ризосфера Рис. 2. Влияние диатомита на численность амилолитических микроорганизмов в почве В почве ризосферы численность аммонификаторов и амилолитиков в целом была выше, чем в неризосферной зоне, что очевидно зависело от метаболизма корней ржи. При этом здесь (в ризосфере) ферментативная активность почвы (табл. 4) в наибольшей степени изменялась в зависимости от дозы диатомита.
Так, с увеличением дозы агроруды протеазная активность почвы возрастала, а ее инвертазная активность снижалась. При этом фон элементов питания (NPK) спо собствовал направлению изменений обоих показателей ферментативной актив ности почвы.
4. Влияние диатомита на ферментативную активность ризосферной почвы Протеазная активность** Инвертазная активность*** Вариант опыт № 1 опыт № 2 опыт № 1 опыт № * ± от д.* * ± от д.* сред. ± от д. сред. сред. ± от д. сред.
– – – – Начало опыта 2,97 3,42 19,8 21, после уборки культуры – – – – Контроль 3,85 4,09 21,2 24, Д1,5 = Д1 4,26 0,41 4,40 0,31 28,3 7,1 26,8 2, Д3,0 = Д2 4,46 0,61 4,74 0,65 31,7 10,5 26,7 2, Д4,5 = Д3 4,88 1,03 5,66 1,57 27,6 6,4 25,3 0, Д6,0 = Д4 5,18 1,33 4,81 0,72 22,5 1,3 24,8 0, – – – – NPK-фон 3,54 3,85 26,2 29, NPK + Д1 3,82 0,28 5,28 1,43 30,9 4,7 31,6 2, NPK + Д2 4,97 1,43 5,56 1,71 33,4 7,2 30,1 1, NPK + Д3 5,18 1,64 5,49 1,64 28,7 2,5 29,1 0, NPK + Д4 5,71 2,17 5,20 1,35 27,3 1,1 28,0 -1, НСР05 0,82 0,64 6,1 2, * ** *** – ± от диатомита;
– мг глицина / 1 г почвы за 24 ч.;
– мг глюкозы / 1 г почвы за 24 ч.
Диатомит в максимальных дозах оптимизировал микробиологические про цессы минерализации азотсодержащих органических веществ почвы, а в мини мальных дозах – способствовал микробной трансформации ее безазотистых ор ганических компонентов.
Глава 4. ВЛИЯНИЕ ДИАТОМИТА НА ФИТОЦЕНОЗ Основной целью опытов было изучение влияния диатомита и удобрений на урожайность и основные показатели качества биомассы фитоценоза (табл. 5-6).
5. Влияние диатомита на продуктивность яровой пшеницы, среднее за годы исслед.
Урожайность…, Общая надземная масса, зерн. ед.
г/сосуд «зерно : ± к кон- прибавка, г/сосуд Вариант среднее, солома» тролю, от удоб- от диато г/сосуд зерна соломы % рений мита Контроль 11,0 18,5 1 : 1,68 15,6 – – – Д1,5 = Д1 12,7 17,6 1 : 1,39 17,1 10 – 1, Д3,0 = Д2 12,7 18,9 1 : 1,48 17,4 12 – 1, Д4,5 = Д3 14,6 20,6 1 : 1,41 19,7 26 – 4, Д6,0 = Д4 13,4 21,2 1 : 1,58 18,7 20 – 3, NPK-фон 16,3 27,2 1 : 1,67 23,1 48 7,5 – NPK + Д1 18,5 26,7 1 : 1,44 25,2 62 8,1 2, NPK + Д2 18,9 29,2 1 : 1,54 26,1 67 8,7 3, NPK + Д3 18,4 31,0 1 : 1,68 26,1 67 6,4 3, NPK + Д4 18,0 31,6 1 : 1,76 25,9 66 7,2 2, НСР05 2,5 1,9 2,6 1,2 1, – – Установлено, что на варианте с тройной дозой диатомита, внесенной в чис том виде (табл. 5, вар. Д3), наибольшая и, вместе с тем, статистически достовер ная прибавка урожайности зерна яровой пшеницы была выше (33%), чем при двойной дозе, внесенной по фону NPK (16%). Биомасса же соломы пшеницы увеличивалась одинаково при повышении дозы диатомовой агроруды: к вариан ту Д4 – на 15%, к варианту NPK+Д4 – на 16%. Наибольший выход зерна отме чался при минимальной дозе диатомита (вар. Д1 и NPK+Д1), от увеличения кото рой общая фитомасса пшеницы повышалась преимущественно за счет увеличе ния выхода соломистой части урожая. Внесение двойной дозы агроруды (вар. NPK+Д2) достоверно повышало эффективность минеральных удобрений, которые, в свою очередь, способствовали увеличению прибавки только от дей ствия минимальных доз диатомита (1,5-3,0 г/кг почвы).
Влияние диатомита на урожайность листовой биомассы кукурузы (табл. 6) было бльшим (29%) при его тройной дозе, внесенной в чистом виде (вар. Д3), чем при ее совмещении с макроэлементами питания (вар. NPK+Д3, 22%).
6. Влияние диатомита на продуктивность кукурузы, среднее за годы исслед.
Урожайность…, Общая надземная масса, зерн. ед.
высота г/сосуд ± к кон- прибавка, г/сосуд Вариант расте- среднее, тролю, от удоб- от диато ний, см г/сосуд листьев стеблей % рений мита Контроль 20,5 32,0 65 8,9 – – – Д2,0 = Д1 23,9 34,0 68 9,8 10 – 0, Д4,0 = Д2 25,9 35,5 79 10,4 17 – 1, Д6,0 = Д3 26,4 38,5 94 11,0 24 – 2, Д8,0 = Д4 25,7 35,7 93 10,4 17 – 1, NPK-фон 52,5 73,8 117 21,5 142 12,6 – NPK + Д1 59,1 78,3 128 23,3 162 13,5 1, NPK + Д2 61,8 92,4 150 26,2 194 15,8 4, NPK + Д3 64,2 90,8 166 26,3 195 15,3 4, NPK + Д4 62,7 90,4 158 26,0 192 15,6 4, НСР05 8,8 11,5 13 2,5 – 1,1 1, Внесение двойной дозы агроруды по фону NPK (вар. NPK+Д2) способствова ло получению достоверной прибавки стеблевой массы (в 25%), что оказалось выше, чем при использовании диатомита без удобрений (вар. Д3, 20%).
Общая фитомасса кукурузы, высота которых заметно повышалась от внесе ния уже двойной дозы диатомита (вар. Д2 и NPK+Д2) в 1,7 раза, сильнее и суще ственнее увеличилась на неудобренном варианте Д3 – на 24%, чем и на варианте NPK+Д2 – на 22%. Но при этом, как и в опытах с яровой пшеницей, применение двойной дозы диатомита повышало эффективность фона NPK.
Установлено, что диатомит способствовал улучшению показателей качества зерна яровой пшеницы, поскольку содержание клейковины в зерне достоверно повышалось на 6% при внесении в почву тройной дозы агроруды в чистом виде (4,5 г/кг почвы). Накопление зерном крахмала было существенным на варианте с двойной дозой диатомита (3,0 г/кг почвы), используемой по фону NPK, и увели чивалось в среднем на 8% относительно фонового уровня.
Накопление клетчатки и сухого вещества фитомассой кукурузы возросло при внесении в почву двойной дозы диатомита (4,0 г/кг почвы) как в чистом виде, так и по фону минеральных удобрений. Повышение содержания сухого вещест ва на варианте с минеральными удобрениями составило 17%, а содержания клетчатки – 11%.
Содержание кремния в фитомассе яровой пшеницы существеннее повыша лось от применения диатомита в чистом виде (рис. 3), увеличиваясь относитель но контроля: в зерне – на 19% на варианте с двойной дозой диатомита (с 0,37 до 0,44%), в соломе – на 2% на варианте с тройной дозой (с 1,47 до 1,50%).
SiO2, % 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, К Д1 Д2 Д3 Д4 NPK NPK + Д1 NPK + Д2 NPK + Д3 NPK + Д в зерне пшеницы, % в соломе пшеницы, 10, % в листьях кукурузы, % в стеблях кукурузы, % Рис. 3. Влияние диатомита на содержание кремния в различных частях растений яровой пшеницы и кукурузы На содержание кремния в фитомассе растений кукурузы диатомит эффектив нее действовал также при внесении его в почву без минеральных удобрений, по вышая содержание элемента в стеблевой биомассе в среднем по годам на 17% (с 0,35 до 0,41%), а в листовой – на 14% (с 0,29 до 0,33%) на вариантах с двой ной и тройной дозами агроруды (4,0-6,0 г/кг) соответственно.
Вынос кремния надземной биомассой зерновых культур (табл. 7) повышался с увеличением дозы диатомита и, в особенности, на вариантах NPK+Д1-NPK+Д4.
При этом отмечается, что на данных вариантах абсолютная прибавка выноса элемента была большей частью обусловлена действием фона элементов питания.
7. Вынос, использование и биоаккумуляция кремния в фитомассе культур Коэффициент биоаккумуляции Si в фи КИ Si фи Вынос Si…, мг/сосуд томассе (КБ) по отношению к содержа томассой фитомассой фитомассой нию активной формы кремния в почве из почвы, Вариант пшеницы кукурузы % яровая пшеница кукуруза ±* сред. ± * ** к*** п зерно солома листья стебли сред.
К 317 – 174 – 9,3 3,7 5,4 21,6 6,0 7, Д1 323 6 210 36 7,4 3,5 4,8 17,2 5,1 6, Д2 342 25 226 52 7,1 3,3 4,5 15,3 4,5 5, Д3 373 56 247 73 7,1 3,4 4,1 14,3 4,4 5, Д4 373 56 224 50 6,8 3,0 3,6 13,5 4,1 5, NPK 467 – 419 – 9,7 5,8 4,0 15,4 4,1 5, NPK+Д1 464 -3 480 61 8,9 8,2 3,8 14,1 4,9 6, NPK+Д2 508 41 574 155 8,3 8,2 3,4 12,1 4,3 6, NPK+Д3 539 72 534 115 8,2 7,7 3,3 11,3 4,2 5, NPK+Д4 544 77 496 77 7,9 7,3 3,1 10,8 3,8 5, * – ± от диатомита;
** – по опытам с пшеницей, *** – по опытам с кукурузой.
Использование кремния из почвенных запасов (коэфф. КИ) было стабильно выше на вариантах с совместным действием диатомита и удобрений. Однако мера усвоения элемента корневой системой культур всегда снижалась с повы шением дозы агроруды, причем более значительно на вариантах с NPK.
Биоаккумуляция кремния (коэфф. КБ) в стеблевой части растений обеих куль тур была всегда выше, чем в зерне у яровой пшеницы и в листьях у кукурузы, но снижалась с повышением дозы диатомита. При увеличении дозы агроруды фон элементов питания на вариантах NPK+Д1-NPK+Д4 снижал степень биоаккуму ляции элемента питания листьями кукурузы и зерном пшеницы по сравнению с его усвоением, полученным на неудобренных вариантах (Д1 и NPK+Д1 и т.д.).
Глава 5. ВЛИЯНИЕ ДИАТОМИТА НА СОСТОЯНИЕ ПБК Выявлено, что повышение дозы диатомита, обладающего нейтральной реак цией, способствовало снижению обменной и гидролитической кислотности поч вы (табл. 8), его внесение по фону NPK сдерживало изменение этих показателей.
8. Влияние диатомита на физико-химические свойства почвы Обменная кислотность (рНkcl) Гидролитическая кислотность (Нг) под пшеницей под кукурузой под пшеницей под кукурузой Вариант ± от ± от мг-экв. ± от мг-экв. ± от ед. рН ед. рН диат. диат. / 100 г диат. / 100 г диат.
Контроль 5,2 – 5,4 – 3,4 – 3,5 – Д1 5,2 0,0 5,5 0,1 3,3 -0,1 3,4 -0, Д2 5,3 0,1 5,6 0,2 3,3 -0,1 3,2 -0, Д3 5,5 0,3 5,8 0,4 3,2 -0,2 3,1 -0, Д4 5,5 0,3 5,8 0,4 3,1 -0,3 3,0 -0, NPK-фон 4,7 – 5,2 – 3,2 – 3,1 – NPK + Д1 4,7 0,0 5,3 0,1 3,1 -0,1 3,1 0, NPK + Д2 4,8 0,1 5,4 0,2 3,1 -0,1 3,0 -0, NPK + Д3 4,9 0,2 5,5 0,3 3,0 -0,2 2,9 -0, NPK + Д4 4,9 0,2 5,5 0,3 3,0 -0,2 2,8 -0, НСР05 0,2 0,3 0,3 0, 9. Влияние диатомита на содержание подвижных форм фосфора и калия в почве Опыты с яровой пшеницей Опыты с кукурузой Вариант Р2О5, мг/кг К2О, мг/кг Р2О5, мг/кг К2О, мг/кг * ** ±* ±** * ** ±* ±** ± ± ± ± сред. сред. сред. сред.
Контроль 118 – – 122 – – 117 – – 92 – – Д1 101 – -17 110 – -12 108 – -9 90 – - Д2 94 – -24 100 – -22 106 – -11 81 – - Д3 86 – -32 85 – -37 94 – -23 71 – - Д4 82 – -36 80 – -42 78 – -39 71 – - NPK-фон 180 62 – 134 12 – 167 50 – 101 9 – NPK + Д1 180 79 0 142 32 8 165 57 -2 103 13 NPK + Д2 184 90 4 148 48 14 172 66 5 99 18 - NPK + Д3 190 104 10 160 75 26 180 86 13 105 34 NPK + Д4 197 115 17 162 82 28 185 107 18 104 33 НСР05 11 15 17 21 14 18 21 * ** – ± от NPK;
– ± от диатомита.
Применение диатомита в чистом виде привело к увеличению содержания в почве только минерального азота, повышая значение по аммонийной форме на 0,4 мг/кг, а по нитратной – на 1,0 мг/кг (табл. 9-10). Внесение агроруды по фону NPK в большей степени увеличивало отдачу от минеральных удобрений: от фосфорных и калийных – в равной степени на 30%, от азотных – на 20% по NO3-.
10. Влияние диатомита на содержание минеральных форм азота в почве Опыты с яровой пшеницей Опыты с кукурузой NH4+, мг/кг NO3–, мг/кг NH4+, мг/кг NO3–, мг/кг Вариант * ** ±* ±** * ** ±* ±** ± ± ± ± сред. сред. сред. сред.
Контроль 2,2 – – 9,3 – – 1,8 – – 6,1 – – Д1 2,5 – 0,3 10,3 – 1,0 1,9 – 0,1 6,3 – 0, Д2 2,8 – 0,6 10,6 – 1,3 2,0 – 0,2 6,3 – 0, Д3 2,9 – 0,7 12,2 – 2,9 2,0 – 0,2 6,3 – 0, Д4 3,0 – 0,8 11,5 – 2,2 2,0 – 0,2 6,1 – 0, NPK-фон 4,2 2,0 – 16,1 6,8 – 3,4 1,6 – 10,4 4,3 – NPK + Д1 4,4 1,9 0,2 17,2 6,9 1,1 3,5 1,6 0,1 11,7 5,4 1, NPK + Д2 4,6 1,8 0,4 18,0 7,4 1,9 3,5 1,5 0,1 12,3 6,0 1, NPK + Д3 4,9 2,0 0,7 18,9 6,7 2,8 3,8 1,8 0,4 12,5 6,2 2, NPK + Д4 5,0 2,0 0,8 18,1 6,6 2,0 3,7 1,7 0,3 11,9 5,8 1, НСР05 1,1 0,5 1,4 2,2 1,0 0,3 1,1 2, * ** – ± от NPK;
– ± от диатомита.
11. Влияние диатомита на содержание подвижных форм кремния в почве актуальный потенциальный активный Вариант ± от диатомита ± от диатомита ± от диатомита мг/кг мг/кг мг/кг мг/кг % мг/кг % мг/кг % среднее за 2 года после уборки яровой пшеницы Контроль 34 – – 342 – – 682 – – Д1,5 = Д1 46 12 35 410 68 20 870 188 Д3,0 = Д2 51 17 50 465 123 36 970 288 Д4,5 = Д3 63 29 85 424 82 24 1049 367 Д6,0 = Д4 73 39 115 378 36 11 1103 421 NPK-фон 55 – – 411 – – 961 – – NPK + Д1 59 4 7 448 37 9 1038 77 NPK + Д2 67 12 22 553 142 35 1218 257 NPK + Д3 78 23 42 542 131 32 1317 356 NPK + Д4 88 33 60 492 81 20 1372 411 НСР05 13 39 – – – среднее за 2 года после уборки кукурузы Контроль 10 – – 374 – – 474 – – Д2,0 = Д1 18 8 80 414 40 11 594 120 Д4,0 = Д2 26 16 160 423 49 13 683 209 Д6,0 = Д3 28 18 180 461 87 23 736 262 Д8,0 = Д4 31 21 210 433 59 16 738 264 NPK-фон 35 – – 383 – – 728 – – NPK + Д1 31 -4 -11 275 -108 -28 585 -143 - NPK + Д2 36 1 3 346 -37 -10 701 -27 - NPK + Д3 28 -7 -20 419 36 9 694 -34 - NPK + Д4 27 -8 -23 415 32 8 680 -48 - НСР05 16 43 – – – Содержание подвижного кремния в почве (табл. 11) от применения удобре ний увеличивалось и по большей части – за счет диатомита. Фон макроэлемен тов питания практически не способствовал повышению эффективности крем нийсодержащей агроруды. Следует также отметить, что в целом по опытам с яровой пшеницей и кукурузой увеличение дозы диатомовой агроруды значи тельнее способствовало повышению содержания в почве актуальной (водорас творимой) части подвижного кремния.
Глава 6. БИОЛОГИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ ПОЧВЫ КАК ПОКАЗАТЕЛЬ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ АГРОЭКОСИСТЕМЫ В главе рассмотрено влияние удобрений на микробиологическую активность основных процессов трансформации почвенного вещества в экосистеме, что по зволяет не только оценить агроэкологическое состояние почвы в настоящий мо мент времени, но и прогнозировать его изменение в перспективе.
12. Влияние диатомита на микробиологическую активность трансформации азотсодержащих органических веществ почвы Численность микроорганизмов, КОЕ / 1 г почвы Протеазная активность опыты с яровой пшеницей опыты с кукурузой *** *** п* к** Вариант МПА НА МПА НА 107 106 107 ± от ± от ± от ± от мг глицина / КОЕ диат. КОЕ диат. КОЕ диат. КОЕ диат. 1 г / 24 ч.
Контроль 28,5 – 7,7 – 66,4 – 19,8 – 5,06 11, Д1 31,5 3,0 8,0 0,3 70,0 3,6 26,7 6,9 5,68 11, Д2 40,8 12,3 8,5 0,8 76,2 9,8 33,6 13,8 6,00 12, Д3 38,9 10,4 6,8 -0,9 84,1 17,7 39,1 19,3 6,92 14, Д4 39,2 10,7 6,2 -1,5 75,6 9,2 36,3 16,5 7,29 14, NPK-фон 44,0 – 9,1 – 80,2 – 25,5 – 7,13 16, NPK + Д1 58,1 14,1 7,3 -1,8 90,6 10,4 36,2 10,7 7,19 17, NPK + Д2 70,7 26,7 8,3 -0,8 95,1 14,9 42,3 16,8 7,63 19, NPK + Д3 79,9 35,9 6,1 -3,0 104,7 24,5 49,2 23,7 7,94 19, NPK + Д4 84,1 40,1 5,7 -3,4 95,0 14,8 46,0 20,5 7,91 19, НСР05 10,4 6,8 21,3 9,6 1,24 0, * – по опытам с пшеницей;
** – по опытам с кукурузой;
*** – мясопептонный (МПА) и нитритный (НА) агар.
13. Влияние диатомита на микробиологическую активность трансформации простых безазотистых органических веществ почвы Опыты с яровой пшеницей Опыты с кукурузой числен. на КАА* акт. инвертазы числен. на КАА акт. инвертазы Вариант 7 ± от мг глюк. / ± от ± от мг глюк. / ± от 10 КОЕ диат. 1 г / 24 ч. диат. КОЕ диат. 1 г / 24 ч. диат.
Контроль 27,7 – 32,7 – 15,7 – 19,4 – Д1 30,5 2,8 36,0 3,3 19,0 3,3 23,3 3, Д2 35,5 7,8 39,2 6,5 22,3 6,6 24,2 4, Д3 37,7 10,0 41,5 8,8 25,6 9,9 26,3 6, Д4 37,7 10,0 41,2 8,5 25,0 9,3 26,7 7, NPK-фон 33,0 – 45,6 – 31,2 – 37,6 – NPK + Д1 40,4 7,4 47,7 2,1 34,9 3,7 39,7 2, NPK + Д2 45,3 12,3 51,9 6,3 42,6 11,4 41,6 4, NPK + Д3 59,6 26,6 54,6 9,0 46,0 14,8 39,8 2, NPK + Д4 53,2 20,2 53,2 7,6 44,0 12,8 38,2 0, НСР05 5,0 4,2 15,6 9, * – крахмало-аммиачный агар.
Выявлено, что внесение в почву диатомита в значительной степени способст вовало увеличению численности аммонифицирующих микроорганизмов в опы тах с яровой пшеницей, а увеличению численности автохтонной микробиоты – в опытах с кукурузой (табл. 12). В опытах с кукурузой активность ферментов про теаз заметнее повышалась от применения агроруды как по общему уровню, так и в зависимости от ее дозы.
Увеличение численности амилолитической микрофлоры и соответствующей ей инвертазной активности почвы от применения диатомита наблюдалось в опы тах с яровой пшеницей (табл. 13), а повышение количества целлюлолитических микроорганизмов – в опытах с кукурузой (табл. 14). Активность же ферментов целлюлаз была наивысшей также в опытах с кукурузой.
14. Влияние диатомита на микробиологическую активность трансформации сложных безазотистых органических веществ почвы Опыты с яровой пшеницей Опыты с кукурузой числен. на АГК* акт. целлюлазы числен. на АГК акт. целлюлазы Вариант 103 ± от мкг глюк. / ± от ± от мкг глюк. / ± от КОЕ диат. 10 г / 48 ч. диат. КОЕ диат. 10 г / 48 ч. диат.
Контроль 60,3 – 53,7 – 29,8 – 66,6 – Д1 61,9 1,6 52,8 -0,9 36,1 6,3 70,1 3, Д2 67,0 6,7 61,2 7,5 40,9 11,1 71,8 5, Д3 71,8 11,5 66,1 12,4 50,7 20,9 71,7 5, Д4 71,8 11,5 69,4 15,7 58,4 28,6 74,8 8, NPK-фон 64,5 – 62,3 – 57,5 – 77,3 – NPK + Д1 69,0 4,5 69,3 7,0 66,0 8,5 76,7 -0, NPK + Д2 74,2 9,7 77,4 15,1 77,2 19,7 80,3 3, NPK + Д3 89,3 24,8 80,0 17,7 93,1 35,6 87,9 10, NPK + Д4 81,4 16,9 81,3 19,0 99,5 42,0 87,1 9, НСР05 18,8 13,4 9,2 5, * – агар Гетчинсона-Клейтона.
15. Влияние диатомита на микробиологическую активность трансформации фосфор- и кремнийсодержащих веществ почвы Численность микроорганизмов, 106 КОЕ / 1 г почвы Фосфатазная активность опыты с яровой пшеницей опыты с кукурузой *** *** п* к** Вариант Мур. АСА Мур. АСА ± от ± от ± от ± от мг Р2О5 / 100 г КОЕ КОЕ КОЕ КОЕ диат. диат. диат. диат. / 30 мин.
Контроль 36,9 – 18,0 – 30,5 – 15,6 – 6,96 10, Д1 61,0 24,1 23,6 5,6 38,8 8,3 17,6 2,0 7,17 10, Д2 62,2 25,3 24,5 6,5 43,8 13,3 21,9 6,3 7,10 11, Д3 68,7 31,8 27,6 9,6 44,1 13,6 21,4 5,8 7,56 11, Д4 67,9 31,0 25,9 7,9 49,0 18,5 22,4 6,8 7,51 11, NPK-фон 62,2 – 45,9 – 32,1 – 22,1 – 8,09 12, NPK + Д1 86,4 24,2 50,8 4,9 41,0 8,9 24,5 2,4 8,09 12, NPK + Д2 91,1 28,9 61,1 15,2 52,5 20,4 29,8 7,7 7,96 12, NPK + Д3 105,0 42,8 63,3 17,4 62,1 30,0 29,9 7,8 8,10 12, NPK + Д4 122,0 59,8 63,7 17,8 67,3 35,2 25,0 2,9 8,12 11, НСР05 11,1 1,8 17,0 4,9 1,20 1, * – опыты с пшеницей;
**– опыты с кукурузой;
***–агар Муромцева (Мур.) и алюмосиликатный агар (АСА).
Применение диатомита в значительной мере способствовало повышению об щего уровня и микробиологического отклика фосфор- и силикатредуцирующих микроорганизмов в почве под яровой пшеницей, а общего уровня и активности фосфатазных ферментов почвы – в почве под зеленой биомассой кукурузы (табл. 15). Фон минеральных удобрений на вариантах опытов NPK+Д1-NPK+Д4 с обеими культурами повышал влияние диатомита на численность и биохимиче скую активность микробиоценоза почвы, участвующего в разложении ее мине ральных компонентов.
Глава 7. АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ДИАТОМИТА В КАЧЕСТВЕ УДОБРЕНИЯ Расчет агрономической окупаемости удобрений (табл. 16) показал, что в среднем по 2м годам исследований максимальная прибавка зерна яровой пшени цы от минеральных удобрений была получена на варианте с внесением NPK вместе с двойной дозой диатомита, а максимальная прибавка биомассы кукуру зы – с тройной дозой агроруды.
16. Влияние диатомита на окупаемость минеральных удобрений прибавкой урожая яровой пшеницы и кукурузы Яровая пшеница (зерно) Кукуруза (зеленая биомасса) Вариант прибавка, окупаемость, г/г удобр. прибавка, окупаемость, г/г удобр.
г/сосуд г/сосуд 2011 г. в среднем 2010 г. в среднем NPK-фон 5,4 3,2 1,8 73,8 8,6 6, NPK + Д1 7,6 3,4 2,5 84,9 9,5 7, NPK + Д2 7,9 4,0 2,6 101,7 9,7 8, NPK + Д3 7,4 3,9 2,5 102,6 10,3 8, NPK + Д4 7,0 3,7 2,4 100,7 10,0 8, Оплата 1 г внесенных в виде фона минеральных удобрений прибавкой зерна пшеницы была наибольшей в случае их использования совместно с диатомитом в дозе 3,0 г/кг почвы, а оплата прибавкой фитомассы кукурузы – в дозе 6,0 г/кг почвы. Агрономическая окупаемость удобрений составила 2,6 г/г и 8,6 г/г соот ветственно по зерну пшеницы и биомассе кукурузы.
17. Коэффициенты корреляции (r) между показателями биологической активности почвы Ферменты почвы Протеаза Инвертаза Целлюлаза Фосфатаза Вещества почвы простые сложные простые сложные P Si яровая пшеница (r) 0,99* 0,98* Диатомит 0,79 -0,76 0,81 0, 0,96* * 0,88* NPK+диатомит -0,78 0,97 0,25 -0, кукуруза (r) 0,94* 0,97* 0,93* 0,92* 0,89* Диатомит 0, 0,93* 0,97* 0,96* NPK+диатомит 0,45 0,13 0, * – корреляционная связь существенна.
Расчеты коэффициентов корреляции (табл. 17) показали, что взаимосвязь численности микроорганизмов почвы, участвующих в разложении всех ее орга нических веществ, и ферментативной активности, оказалась в большей степени существенной по опытам с кукурузой.
По опытам с яровой пшеницей отмечается высокая корреляция показателей биологической активности почвы в части минерализации ее безазотистых ком понентов. В отношении же деструкции специфического органического вещества почвы – гумуса, по опытам с пшеницей установлена обратная и довольно высо кая связь между показателями данной микробиологической деятельности.
Минерализация фосфор- и кремнийсодержащих веществ в почве по большей части не зависела от уровня численности фосфат- и силикатредуцирующих мик роорганизмов или же от уровня фосфатазной активности и, по-видимому, зави села от иных факторов.
Динамика коэффициента Мишустина (отношение численности амилолитиче ских микроорганизмов почвы к численности ее аммонифицирующей микробио ты) по опытам с озимой рожью и яровой пшеницей, показанная на рис. 4, может свидетельствовать о замедлении минерализационных процессов в почве при по вышении дозы диатомита, которое становится еще более сильным при использо вании диатомовой агроруды по фону NPK.
1,0 1, 0,9 0, 0,8 0, 0,7 0, 0,6 0, 0,5 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, К Д1 Д2 Д3 Д4 NPK NPK + Д1 NPK + Д2 NPK + Д3 NPK + Д К Д1 Д2 Д3 Д4 NPK NPK + Д1 NPK + Д2 NPK + Д3 NPK + Д опыты с яровой пшеницей опыты с кукурузой перед закладкой опытов после уборки культуры данные лабораторных опытов данные вегетационных опытов Рис. 4. Влияние диатомита на изменение коэффициента Мишустина По опытам с кукурузой, выращиваемой на зеленую массу, можно сказать, что с повышением дозы диатомовой агроруды уровень коэффициента минерализа ции стабильно повышался, чему способствовал фон минеральных удобрений, то есть активность процессов разложения легкодоступного органического вещества снижалась вместе со снижением дозы диатомита и, в особенности, на фоне NPK.
Коэффициент автохтонности Аристовской, рассчитываемый отношением численности автохтонных микроорганизмов почвы к численности ее аммонифи цирующей микробиоты, показывает степень развития части микробного пула почвы, которая способна разлагать специфическое органическое вещество поч вы – гумус. Зависимость коэффициента Аристовской от дозы диатомита графи чески представлена на рис. 5.
Предполагается, что использование диатомовой агроруды в большей степени способствовало трансформации гумусовых веществ почвы при выращивании на ней кукурузы. В опытах же с яровой пшеницей преобразование специфического органического вещества остается практически неизменным, поскольку доля его перерабатывающей микрофлоры стабильно снижалась при увеличении дозы диатомита.
Гумус, % 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, К Д1 Д2 Д3 Д4 NPK NPK + Д1 NPK + Д2 NPK + Д3 NPK + Д К Д1 Д2 Д3 Д4 NPK NPK + Д1 NPK + Д2 NPK + Д3 NPK + Д почва под пшеницей почва под кукурузой опыты с яровой пшеницей опыты с кукурузой Рис. 5. Влияние диатомита на изменение Рис. 6. Влияние диатомита коэффициента Аристовской на содержание гумуса в почве С учетом ошибки опыта (3% и 5% для опытов с пшеницей и кукурузой) уста новлено, что применение диатомита не оказало влияния на содержание гумуса (рис. 6), но наметило тенденцию его повышения к вариантам с минимальными дозами агроруды.
Динамика содержания гумуса в почве косвенно подтверждает оптимизацию условий развития для автохтонной части почвенного микробиоценоза по опытам с кукурузой, что наглядно было показано изменением коэффициента Аристов ской.
ВЫВОДЫ 1. Диатомит способствует максимальной реализации агробиотического потен циала культурных растений, позволяя минимизировать использование мине ральных удобрений. Наибольший эффект получен на варианте с внесением диатомита в дозе 3,0 г/кг – 30% прироста биомассы озимой ржи, преимущест венно за счет надземной массы растений, а не массы корней.
Диатомит оптимизирует экологические условия в ризосфере корней, активи зируя развитие микробиоты: повышение доз его внесения способствует уве личению численности аммонифицирующих микроорганизмов и активности соответствующих им протеазных ферментов, а также снижению численности амилолитической микрофлоры и активности инвертазных ферментов, участ вующих в разложении безазотистого органического вещества.
2. Оптимальной дозой диатомита под яровую пшеницу является доза 4,5 г/кг в чистом виде или 3,0 г/кг по фону N0,2P0,2K0,2. Это обеспечивает дополнитель ную прибавку урожая зерна пшеницы в 33% к неудобренному контролю и 16% к варианту с фоновым внесением удобрений. Оптимальная доза диато мита под кукурузу, выращиваемую на зеленую массу, – 6,0 г/кг при внесении его в чистом виде и 4,0 г/кг при использовании по фону N0,4P0,4K0,4. Прирост надземной биомассы кукурузы в таком случае составляет 24% к контролю и 22% к фону при одновременном увеличении высоты растений в 1,7 раза по отношению к варианту сравнения.
3. При взаимодействии с водной средой диатомит проявляет слабощелочные свой ства, способен обмениваться с ней катионами, а также обладает буферными свойствами, в большей степени выраженными в щелочном интервале. Компо стирование светло-серой лесной легкосуглинистой почвы с диатомитом приво дит к оптимизации его буферных свойств, увеличивая буферную емкость почвы в кислотном интервале и, как следствие, буферную силу против ее подкисления.
4. Внесение диатомита оптимизирует пищевой режим и кислотно-основные свойства почвенно-биотического комплекса, обеспечивая повышение содер жания минерального (преимущественно – аммиачного) азота на 1,5-2,3 мг/кг, подвижных соединений фосфора и калия (на 5-18 мг/кг), изменение рНkcl в сторону снижения почвенной кислотности, повышение степени насыщенно сти основаниями, а также приводит к повышению содержания в почве акту альной и активной форм кремния.
5. Диатомит способствует увеличению содержания кремния в биомассе куль турных растений и повышению выноса данного элемента питания, возрас тающего с повышением дозы диатомита. Коэффициент использования поч венных запасов активного кремния пшеницей изменялся в пределах 6,8-8,9%, а кукурузой – 3,0-8,2%. Биоаккумуляция кремния происходит в основном в стеблевой части растений (Кб для соломы пшеницы колеблется в пределах 10,8-21,6, для стеблей кукурузы – 5,0-7,4).
6. Влияние диатомита на биологическую активность почвы зависит не только от его дозы, но и от культуры. Внесение диатомита под пшеницу в среднем по удобрен ным вариантам привело к повышению численности аммонифицирующих микро организмов (на 70%) и активизации протеаз (на 36%), а также численности фос фат- и силикатредуцирующей микробиоты почвы (на 92 и 55% соответственно).
Использование диатомита в опытах с кукурузой, выращиваемой на зеленую массу, усиливает развитие микрофлоры, участвующей в минерализации безазо тистых соединений почвы (увеличение численности амилолитиков достигало 56%, а целлюлолитиков – 82% в среднем по вариантам с внесением диатомита) при одновременном увеличении инвертазной и целлюлазной ферментативной активности (на 28 и 13% соответственно). Корреляционная зависимость между численностью отдельных групп микробиоты и активностью соответствующих им ферментов сильная – r варьирует в пределах 0,93 – 0,97.
7. Минимальные дозы диатомита способствовали оптимизации природного микробного пула почвы, что выразилось в повышении численности авто хтонной микробиоты (до 54% по отношению к варианту без внесения диато мита). Установлена стабилизация гумусового состояния светло-серой лесной почвы, подтвержденная расчетом эколого-микробиологических коэффициен тов: коэффициент Мишустина (соотношение численности аммонифицирую щей и амилолитической микрофлоры) и коэффициент Аристовской (соотно шение численности автохтонной и аммонифицирующей микробиоты) снижа лись параллельно со снижением доз диатомита, что свидетельствует об акти вации разложения легкодоступного органического вещества при сохранении гумусовых компонентов почвы.
8. Применение диатомита в чистом виде обеспечивает возможность получения вы сокой продуктивности культурных растений на неудобренной почве, что являет ся значимым элементом ресурсосбережения. Использование диатомита по фону минеральных удобрений позволяет повысить отдачу от них, обеспечивая окупае мость 1 г NРК 2,6 г зерна яровой пшеницы и 8,6 г зеленой массы кукурузы.
СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ В журналах, рекомендованных списком ВАК РФ:
1. Титова В.И. Влияние диатомита на микробиологический процесс деструкции целлюлозы в ризосфере зерновых культур / В.И. Титова, А.В. Козлов // Про блемы агрохимии и экологии. – 2011. – № 1. – С. 23-27.
2. Титова В.И. Агрохимическое и микробиологическое состояние ризосферы озимой ржи при применении диатомита / В.И. Титова, А.В. Козлов // Агро химический вестник. – 2011. – № 2. – С. 34-38.
3. Козлов А.В. Влияние диатомита на биопродуктивность зерновых культур и численность микробного сообщества почвы / А.В. Козлов // Агрохимический вестник. – 2012. – № 5. – С. 39-42.
В сборниках научных трудов:
4. Козлов А.В. Микробиологический аспект в вопросах химической мелиорации почв / А.В. Козлов // Проведение научных исследований в области сельскохо зяйственных наук. – Мичуринск: Изд-во МичГАУ, 2009. – II ч. – С. 83-86.
5. Козлов А.В. Структурно-функциональная организация микробного сообще ства при временной консервации светло-серой лесной почвы / А.В. Козлов // Научное обеспечение развития АПК в условиях реформирования. – С.-Пб.:
СПбГАУ, 2010. – С. 181-184.
6. Козлов А.В. Влияние диатомита на продуктивность злаковых культур / А.В.
Козлов // Земледелие и его ресурсное обеспечение в современных условиях.
– Н. Новгород: НГСХА, 2010. – С. 56-60.
7. Козлов А.В. Влияние диатомита на численность сапротрофных микроорга низмов в почве под зерновыми культурами / А.В. Козлов // Нетрадиционные источники и приемы организации питания растений. – Н. Новгород: НГСХА, 2011. – С. 109-113.
8. Козлов А.В. Влияние диатомита на численность силикатных микроорганиз мов в почве под зерновыми культурами / А.В. Козлов // Нетрадиционные ис точники и приемы организации питания растений. – Н. Новгород: НГСХА, 2011. – С. 113-115.
9. Козлов А.В. Влияние диатомита на буферные свойства светло-серой лесной легкосуглинистой почвы / А.В. Козлов, А.В. Бахарев // Вклад молодых уче ных в инновационное развитие АПК России. – Пенза: РИО ПГСХА, 2011. – Т. 1. – С. 35-38.
10. Титова В.И. Влияние диатомита на микрофлору, участвующую в разложении органического вещества почвы / В.И. Титова, А.В. Козлов // Почва, удобре ние, урожай. – Горки: БГСХА, 2012. – С. 149-154.
11. Титова В.И. Оценка влияния диатомита на урожайность зерновых культур, со держание доступных фосфатов и силикатов, и на микробиологическую актив ность светло-серой лесной легкосуглинистой почвы Нижегородской области / В.И. Титова, А.В. Козлов // Актуальные вопросы агрономии, агрохимии и аг роэкологии. – Ульяновск: УГСХА им. П.А. Столыпина, 2012. – С. 195-210.
Учебно-методические работы:
12. Титова В.И., Козлов А.В. Методы учета численности и биомассы микроорга низмов почвы: учеб.-методич. пособие. – Н. Новгород: НГСХА, 2011. – 40 с.
13. Титова В.И., Козлов А.В. Методы оценки функционирования микробоценоза почвы, участвующего в трансформации органического вещества: науч. методич. пособие. – Н. Новгород: НГСХА, 2012. – 64 с.
Подписано в печать 2012 г.
Усл. печ. л. 1,1. Тираж 100 экз. Заказ Нижегородская государственная сельскохозяйственная академия 603107, Нижний Новгород, проспект Гагарина, _ Отпечатано в типографии РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева.
127550, Москва, улица Тимирязевская, 49.