Биологическая активность почвы при ее обработке и в севооборотах

Основной способ повышения продуктивности земледелия - повышение плодородия почвы. Плодородие почвы и его рациональное использование в сельскохозяйственном производстве во многом определяются интенсивностью и направленностью биохимической деятельности микроорганизмов. Последнее определяет скорость трансформации различных соединений, разложения растительных остатков, накопление элементов питания растений и в конечном итоге плодородие почвы.
Живые организмы - обязательный компонент почвы. Для нормального функционирования почвенных организмов необходимы, прежде всего, энергия и питательные вещества. Для большинства микроорганизмов такой источник энергии - органическое вещество почвы. Поэтому активность почвенной микрофлоры, главным образом, зависит от наличия в почве органического вещества при благоприятном сочетании температуры, влажности и плотности. Для оценки деятельности почвенной биоты используют показатель «биологическая активность почвы».
Показателями биохимической активности, по О.А. Берестецкому и др., служат выделение углекислоты, то есть «дыхание» почвы; способность почвы к аммонификации и накоплению нитратов; скорость разложения клетчатки; активность ферментов азотного, фосфорного обмена; ферментов, катализирующих окислительные процессы (оксиредуктаз), а также абсолютное количество микроорганизмов, особенно азотобактера, эпифитных бактерий и неспоровых почвенных бактерий.
На важность биологических свойств почвы для земледелия обращал внимание еще А.П. Костычев, который не исключал возможности с течением времени заменить влияние минеральных удобрений полностью или частично, по крайней мере для некоторых сельскохозяйственных культурах, созданием соответствующего микробного режима почвы».
В современной агрономии биологическую активность почвы принято определять по деятельности почвенных микроорганизмов. Общую биогенность ее устанавливают по общему их количеству, а также по качественному анализу микрофлоры. Применяют и биохимические методы: определение нитрифицирующей и аммонифицирующей способности, ферментативной активности и целлюлозоразрушающей способности почвы.
Показателем общей биологической активности непосредственно в природе является деятельность целлюлозоразрушающих микроорганизмов, определяемая степенью распада и убыли сухой массы льняной ткани, выдержанной в почве определенный период времени.
Целлюлозоразрушающая способность почвы - широко принятый показатель биологической активности, особенно для почв с низким и средним содержанием гумуса, но для высокоплодородных почв он может быть принят с известными оговорками, поскольку в группу целлюлозоразрушающих микроорганизмов входит ряд грибов, наличие которых не является показателем ее плодородия.
Большое число исследований, подтверждающих большую роль органического вещества в усилении биологической активности почв, в том числе навоза, компостов, сидератов, травяного пласта, растительных остатков и др., приведено в работах С.А. Воробьева, К.И. Довбана и других.
Наличие в почве минерального азота и ее мобилизационные свойства определяют распространенным в последнее время приемом - учетом разложения в почве льняного полотна за тот или иной период экспозиции. Так, О. А. Берестецким и др. установлено, что по фону удобрений (NPK)60 и 10 т/га торфокомпоста разложение целлюлозы за 30 суток составило: при монокультуре - 10, в зернопропашном - 20 и в травопольном севообороте - 24%. В зернопропашном севообороте на выщелоченном черноземе Северного Зауралья в слое обработки активность разложения целлюлозы за 30 дней экспозиции достигала 21 и 28% соответственно.
При включении в севооборот многолетних трав, после которых в почве остается большая масса богатого азотом легкоразлагающегося органического вещества, биологическая активность почвы значительно повышается. По данным чехословацких ученых, внесение зеленого удобрения совместно с жидким навозом оказывало благоприятное влияние на микробиологическую активность почвы.
В почве зернопарового севооборота на повторных посевах пшеницы заметно снижается процент распада ткани, уменьшается выделение углекислоты. Использование парозанимающих культур в севообороте на зеленый корм и удобрение дают возможность направленно регулировать микробиологические процессы и повышать не только противоэрозионную устойчивость, но и плодородие почвы в целом. За трехлетний период исследований на мучнисто-карбонатных черноземах Читинской области наибольший распад льняной ткани под яровой пшеницей отмечен при ее размещении по занятому (редька масличная) пару - 27,7% за вегетационный период.
По данным лаборатории охраны почв ИБ БФ CO РАН, в острозасушливом 1980 году интенсивность разложения льняной ткани на каштановой почве под ячменем максимально достигала 39,0 %, а по чистому пару - 41,0 %. По данным И.Н. Лаврентьевой, на целинной каштановой почве Бурятии деструкция льняной ткани при непрерывной трехмесячной экспозиции в 1998 году составила 54,1 %.
На эродированных черноземах Алтая М.И. Мальцев отмечает, что за вегетационный период в почве под посевами пшеницы потери массы полотна составили после чистого пара 47,6, занятого - 40,7 и сидерального - 43,6 % от исходной. При этом внесение азотных удобрений незначительно увеличивало разложение ткани: на 7,2 % на чистом пару, на 5,0 - по занятому пару и на 7,4 - по сидеральному. Здесь же показано, что пик биологической активности черноземов лесостепи Приобского плато приходится на начальный период вегетации. На разрушение целлюлозы определяющее влияние оказывает запас влаги в почве.
Метод аппликаций весьма показателен при решении ряда агрономических вопросов. С его помощью, например, хорошо выявляется интенсивность процессов в различных слоях пахотного горизонта, устанавливается влияние различных удобрений, мелиорирующих средств и т.д. Причем известно, что такой важный процесс, как разложение целлюлозы, осуществляется самыми разными в систематическом отношении микроорганизмами: грибами, микробактериями, актиномицетами, аэробными и анаэробными бактериями.
Известно, что гумус как один из главных источников плодородия почвы является производным синтеза и разрушения биомассы с активным участием в этих процессах микроорганизмов. Основным источником биомассы в почве являются растительные остатки - подземные и надземные части растений, значимость которых для гумусообразования в зависимости от их источника существенно различается. Уровень накопления фитомассы и интенсивность его разрушения в почве зависит от вида сельскохозяйственной культуры. Микробиологическая активность почвы также существенно изменяется под влиянием минеральных и органических удобрений.
В 5-й ротации 4-польных зернопаровых севооборотов нами рассмотрена биологическая активность каштановой супесчаной почвы под различными видами пара и под первой культурой севооборотов (яровая пшеница), а также в почве бессменного пара и 15-летней залежи. На паровые поля накладывались три фона удобренности: без удобрений, азотно-фосфорные удобрения и навоз. Для этого использовали метод разложения льняного полотна (метод аппликаций), закрепленного на стекле, который закладывали в 4-кратной повторности по вариантам опыта на глубину 0-10, 10-20 и 30-40 см на 30-дневную экспозицию с 15 мая по 20 сентября в 4 срока: 15 мая - 20 июня, 21 июня - 20 июля, 21 июля - 20 августа, 21 августа - 20 сентября. Удобрения в паровые поля вносили под летнюю основную обработку (отвальная вспашка на глубину 22 см) в первой декаде июля.
Активность разложения поступивших растительных остатков в старопахотной каштановой почве в разных паровых полях различна. Разрушение льняного полотна в первый срок экспозиции по неудобренным севооборотным парам существенно не отличается и находится в пределах 11,0 - 12,8 % с некоторым превосходством донниковых паров.
В целом активность разложения полотна в этот период относительно высока, что обусловлено достаточно благоприятными для сухой степи условиями увлажнения почвы и температурным режимом года наблюдения. Так, среднесуточная температура воздуха в этот срок оказалась на 1,1°С выше среднемноголетней нормы, а осадков выпало в 2,7 раза больше нормы. По активности сукцессии льняного полотна залежь уступает севооборотным парам, что связано с медленным по сравнению с последним прогреванием почвы под травяной растительностью. Наименьшая биологическая активность почвы в этот период отмечена на бессменном пару, что обусловлено дефицитом органического вещества из-за отсутствия их поступления в течение длительного времени.
Во второй срок определения замедленным нарастанием биологической активности почвы выделяется бессменный пар и чистый пар. В связи с запашкой во второй половине экспозиции свежего растительного материала донника (подземные и надземные части растений) на донниковых парах отмечается заметная активизация микробиологических процессов.
Особенно резкое нарастание активности разложения льняного полотна в этот срок отмечено на залежи, но тем не менее по абсолютному значению этого показателя оно остается практически на уровне неудобренного сидерального (донник) пара.
Наибольшего значения биологическая активность каштановой супесчаной почвы достигает на всех вариантах: в период с 21 июля по 20 августа: 13,0 % на бессменном пару, 18,6 - на чистом, 28,6 - на занятом донником, 29,4 - на сидеральном, 32,1 % - на залежи. Таким образом, активность целлюлозоразрушающих микроорганизмов в бессменном пару в наиболее благоприятный период экспозиции более чем в 2 раза ниже, чем на донниковых парах и на залежи, что прямо подтверждает высказанное выше положение. Наиболее активно микробиологическая деятельность почвы протекает на вариантах с поступлением в почву свежего органического вещества.
В конце лета - начале осени (21.VIII - 20.IX) активность целлюлозоразрушающих микроорганизмов в почве резко затухает в связи с ухудшением гидротермических условий этого периода.
Суммирование показателей разложения льняного полотна за 4 экспозиции дает существенно отличные результаты, которые образуют следующий убывающий ряд: сидеральный пар (76,7%), залежь (72,3%), занятый пар (71,8 %), чистый пар (50,1 %), пар бессменно (32,3 %).
Внесение минеральных удобрений под основную обработку паровых полей севооборотов заметно повышало биологическую активность почвы, причем достаточно высокая интенсивность разложения льняного полотна наблюдалась до середины сентября и особенно четко на донниковых парах. На увеличение целлюлозоразрушающей способности черноземных почв при внесении азотно-фосфорных удобрений указывают И.Ф. Храмцов, О.Ф. Хамова, а одних азотных - М.И. Мальцев. В нашем случае увеличение разложения полотна по сравнению с неудобренным вариантом суммарно за все сроки экспозиции составило: 7,1 % по чистому пару, 8,7 - по занятому и 9,3 % - по сидеральному донниковому пару. При этом динамика разложения льняного полотна за все периоды наблюдений аналогична динамике на неудобренном фоне, но на более высоких значениях этого показателя.
Использование органических удобрений (навоз) в наибольшей степени усиливает интенсивность разложения льняного полотна. Причем позитивное влияние навоза начинает проявляться с момента его внесения. Наиболее интенсивно микробиологическая деятельность почвы протекает в период с 20 июля по 20 августа в почве сидерального донникового пара с внесением навоза и достигает 40,6 % от исходной массы полотна. На этом варианте активность разрушения целлюлозы наибольшая и в последний срок определения.
На чистом пару в период наиболее интенсивного разрушения льняного полотна (июль-август) внесение навоза существенно активизирует этот процесс, но при этом более чем на половину уступает донниковым парам. Эта разница заметно сглаживается в последний срок экспозиции полотна.
Применение донниковых паров в условиях Западного Забайкалья существенно улучшает целлюлозолитическую деятельность микроорганизмов почвы по сравнению с чистым паром. За 4 экспозиции льняного полотна интенсивность разложения ткани на занятом и сидеральном донниковом парах по отношению к чистому пару увеличилась соответственно на 21,7 и 26,6 %.
Таким образом, микробиологическая активность каштановой почвы в условиях севооборотов наиболее активна под сидеральными донниковыми парами, несколько слабее ее проявление под занятым донником паром и существенно уступает им чистый пар. На бессменном пару (15 лет) этот показатель намного слабее выражен по сравнению с севооборотами. На залежи микробиологическая активность почвы активизируется позднее, чем на паровых полях севооборотов, однако к середине и в конце лета достигает уровня несколько превышающей, но более резко затухает в конце лета и начале осени. Наиболее высокого значения микробиологическая активность почвы достигает в июле - августе, причем на всех фонах удобрений, и интенсивность разрушения льняного полотна определяется активностью антропогенного вмешательства.
Нами также рассмотрена биологическая активность каштановой почвы в зависимости от предшествующего использования пара (чистый, занятый и сидеральный) на разных фонах удобрений паров (без удобрений, N40P40, навоз 40 т/га) и рядкового внесения N20P20 в посевах яровой пшеницы по динамике разложения льняного полотна.
Исследования показали, что интенсивность разложения льняного полотна в пахотном слое почвы изменяется в течение вегетационного периода (табл. 50).

Благоприятные погодные условия года исследований, о чем говорилось выше, обеспечили активность разрушения целлюлозы в первый срок экспозиции на уровне 12,8-13,8 %, что для условий республики достаточно нехарактерно. До середины июля целлюлозоразрушающая деятельность почвенной биоты практически не изменялась и на 20 июля находилась в пределах 13,0-14,7 % с несущественным преимуществом почвы под посевами пшеницы по донниковым парам. Разница в пользу донниковых паровых предшественников становится отчетливой в последующий период, особенно в третий срок экспозиции, и сохраняется до конца вегетационного периода.
Наибольшая активность целлюлозоразрушающих микроорганизмов отмечается в фазу цветения - начало молочной спелости, которая по календарным срокам приходилась на период с 20 июля по 20 августа. Причем в указанный период в почве под посевом пшеницы, размещаемый по донниковым парам, интенсивность разложения льняного полотна более чем на четверть превосходила чистый пар, а при удобрении предшественников NP и навозом соответственно на 28,0-36,9 % и 14,5-21,3%.
По активности разложения целлюлозы за вегетационный период яровой пшеницы (суммарно за 4 экспозиции) предшественники образуют следующий ряд: пар чистый неудобренный (47,0%), пар чистый с внесением N40P40 (51,3%), пар занятый (донник) неудобренный (55,3 %), пар сидеральный (донник) неудобренный (57,2%), пар чистый с внесением навоза (57%), пар занятый с внесением N40P40 (65,5%), пар сидеральный с внесением N40 P40 (69,5%), пар занятый с внесением навоза (72,4%), пар сидеральный с внесением навоза (75,5%).
Внесение минеральных удобрений в чистый пар повышает интенсивность разложения льняного полотна в почве под яровой пшеницей за вегетационный период по отношению к неудобренному фону на 4,3%, а навоза - на 10,7%. Эффективность последействия удобрения паровых полей существенно выше под пшеницей по донниковым парам. Так, по занятому донником пару активность распада целлюлозы по фону NP увеличивается на 9,7%, навоза - на 16,6%, а по сидеральному донниковому - соответственно на 12,3 и 18,3%. В свою очередь, донниковые пары повышают разложение ткани в почве под пшеницей по отношению к неудобренному чистому пару на 8,8 %, по занятому и на 10,2 % по сидеральному пару, а на фоне азотно-фосфорных удобрений соответственно на 14,2 и 18,2 %, навоза - на 14,7 и 17,8%.
В целом, биологическая активность почвы в течение всего вегетационного периода под яровой пшеницей более выражена по сидеральному пару, несколько слабее по занятому пару и ниже других она по чистому пару.
Таким образом, донниковые пары существенно повышают по сравнению с чистым паром биологическую активность почвы под яровой пшеницей. Внесение азотно-фосфорных удобрений в паровые поля активизируют разложение льняного полотна по всем предшественникам, но более заметно оно на донниковых парах. Наилучшие условия для активизации микробиологической деятельности почвы создаются при внесении полуперепревшего навоза во все паровые предшественники, достигая своего наивысшего значения на сидеральном донниковом пару. Максимальная микробиологическая активность каштановой супесчаной почвы наблюдается в июле-августе месяцах и резко снижается в последующий период. Разложение поступивших растительных остатков в каштановой супесчаной старопахотной почве происходит достаточно интенсивно, несмотря на короткий период совпадения наибольшего увлажнения и высоких температур.
Нитрификационная способность почв, как известно, характеризует биологическую деятельность почвы, которая при всех прочих равных условиях зависит от состава и численности микроорганизмов и присутствия органических остатков в почве.
По данным Е.Н. Мишустина и многих других исследователей, по численности микроорганизмов и энергии дыхания независимо от типов почв и местонахождения наиболее биогенными бывают верхние части пахотного слоя почвы, и эта закономерность сохраняется и при разных способах обработки почвы, хотя при этом по-разному располагаются растительные остатки.
В Восточной Сибири микробиологические процессы в почве в зависимости от различных способов обработки ее изучали в Красноярском НИИСХ на среднемощном выщелоченном черноземе. При этом установлено, что при безотвальной обработке микробное население увеличивается, главным образом, в поверхностном слое (0-10 см), а при отвальной больше активизируется микробиологическая деятельность в слое почвы 10-20 см.
Биологическую активность и мобилизацию азота в зависимости от различных способов обработки почвы на южных черноземах Северного Казахстана и выщелоченных черноземах Курганской области во ВНИИЗХ исследовали В.И. Кирюшин и другие. По данным указанных авторов, при вспашке более равномерно по глубине лучше развивается микрофлора по сравнению с безотвальной обработкой. Это подтверждается разложением льняной ткани, когда этот процесс наиболее интенсивно происходит при отвальной обработке, чем при безотвальной и особенно после мелкой плоскорезной обработки почвы. Количество микроорганизмов, степень разложения клетчатки, активность процесса аммонификации и нитрификации в зависимости от способов обработки определяли по накоплению в почве доступных форм азота, где, по данным авторов, на вспаханной почве обнаруживается существенное превышение запасов их по сравнению с безотвальной обработкой.
Исследования биологической активности почвы в слое 0-30 см при разных способах ее обработки, проведенные в СибНИИСХозе на обыкновенных черноземах Омской области, показали, что обработка глубокорыхлителями на 23-25 см и плоскорезами на 10-12 см не снижала общей активности микрофлоры и биологической мобилизации азота почвы в сравнении с отвальной обработкой.
Снижение биологической активности почвы при уменьшении числа механических обработок почвы, или так называемой минимизации, отмечено на черноземах Северного Казахстана. По их данным, при отсутствии механических обработок темпы разложения льняной ткани снижаются на 18-20% по сравнению с обработанной почвой. Снижение биологической активности почвы при минимизации обработки пара сказалось на накоплении нитратов в почве, снизив их содержание их в слое 0-40 см на 20,4-30,3% по сравнению с контрольным, где проводилась пятикратная механическая обработка почвы.
Аналогичные результаты получены в исследованиях СибНИИЗХим на черноземах Северной лесостепи Приобья, когда минимизация за счет уменьшения глубины обработки почвы приводит к существенному уменьшению микроорганизмов в нижних частях пахотного слоя и их качественному изменению в верхнем 0-10 см слое почвы.
На дерново-подзолистых почвах, по данным многолетних исследований в ТСХА, при мелкой обработке происходит более глубокая дифференциация пахотного слоя почвы по биологической активности, чем при вспашке.
В условиях Северного Казахстана (ВНИИЗХ), где среднемноголетнее количество осадков составляет 270 мм (по норме, близкой к условиям Бурятии), Ю.Б. Мощенко изучал микробиологическую деятельность почвы при различных способах ее обработки и нашел, что степень разложения льняной ткани в почве по вспашке существенно лучше, чем по плоскорезным обработкам и особенно в нижних горизонтах пахотного слоя - 10-20 и 20-30 см, и, соответственно, при отвальной обработке нитратного азота в почве было больше на 26-30%, чем по плоскорезным обработкам.
Дальнейшие исследования Ю.Б.Мощенко в условиях Западной Сибири (СибНИИЗХоз) также подтвердили то, что при безотвальных обработках и особенно при их минимизации снижаются биологическая деятельность пахотного слоя почвы и мобилизация азота в нем. Так, по его данным, в среднем за 12 лет (1971-1982 гг.) в слое почвы 0-40 см содержание нитратного азота по вспашке составляло 11,3, после плоскорезной обработки - 6,1, минимальной - 6,0 и без обработки - 5,1 мг/кг почвы.
Сравнительно лучшую биологическую деятельность почвы по отвальной обработке по сравнению с безотвальной (плоскорезной) отмечается и на каштановых почвах Монголии.
Менее интенсивное разложение льняной ткани в почве по плоскорезным обработкам в сравнении со вспашкой и соответственно меньшее накопление нитратов отмечены и в условиях Омской области.
По исследованиям многих авторов, в почвах Бурятии из-за дефицита влаги характерно доминирование окислительных процессов над восстановительными с преобладанием в микробном населении актиномицетов до 59-77%. Здесь наиболее высокая биологическая активность почвы наступает в период сезона летних дождей. Поэтому для оценки этого показателя нами определялись выделение CO2, (дыхание почвы) и разложение льняной ткани в почве через 30 дней при разных приемах обработки ее на парах (табл. 51).
Так, в почве, обработанной безотвальными орудиями, льняная ткань значительно лучше разлагается в верхней части пахотного слоя по сравнению со вспашкой, хотя при этом дыхание ее (выделение CO2) несколько ниже. Это явление, по-видимому, связано с тем, что при безотвальной обработке растительные остатки (пожнивные) располагаются именно в верхней части пахотного слоя, а при вспашке основная часть их заделывается в нижние слои почвы, что определяет условия размножения микроорганизмов.

Определение разложения льняной ткани под посевами зерновых культур показывает, что по отвальной обработке также лучше разлагается ткань, чем по плоскорезной, и особенно в нижней части пахотного слоя. Здесь за лето (2 месяца) после вспашки разложилось 53-75%, а по плоскорезной обработке лишь 35-40%. При этом в отличие от пара лучшее разложение ткани происходит в нижних слоях почвы (табл. 52).

Определение биологической активности почвы в наших условиях в общем подтверждают результаты исследований в других регионах страны и констатируют о снижении ее при плоскорезных обработках по сравнению с отвальной.
Результатирующим показателем биологической деятельности почвы является накопление питательных веществ, особенно азота и, по данным многих авторов, в условиях Сибири и Северного Казахстана на плоскорезных (безотвальных) обработках запасы доступных форм азота, как правило, ниже, чем при отвальной обработке. Эта закономерность отмечается и в условиях Бурятии, где по нашим исследованиям даже при очень малом содержании гумуса и органических остатков в почве по отвальной обработке паров все-таки обнаруживается некоторое большее содержание нитратов, а также подвижных форм фосфора и калия в почве по сравнению с плоскорезной обработкой (табл. 53).

Таким образом, определение нитрификационной деятельности почвы, количества нитратов и легкогидролизируемого азота свидетельствуют о том, что верхние части пахотного слоя лучше обеспечены азотом, фосфором и калием, чем нижние, и в целом здесь больше накапливается питательных веществ по отвальной обработке; целлюлозоразрушающая же деятельность почвы лучше происходит в верхних частях пахотного слоя по безотвальной обработке на пару, а под посевами овса более интенсивно разлагается ткань в нижней части пахотного слоя, и этот процесс сравнительно лучше происходит также по вспашке, чем по безотвальной обработке.
Заканчивая обсуждение процесса дифференциации пахотного слоя почвы по плодородию, нельзя не привести результаты исследований и обсуждения их по этому вопросу, приведенные Н.Б. Намжиловым и Л.В. Андриановой.
Степень дифференциации пахотного слоя среднедефлированной супесчаной каштановой почвы они изучали на образцах, взятых на Ceленгинском почвенно-эрозионном стационаре Бурятского филиала CO АН России из слоев 0-11 см (прослой на А), 11 -22 см (прослой Б) и смешанный - 0-22 см (А+Б).
Основная обработка почвы, по сообщению авторов, проводилась осенью, а образцы почвы из различных слоев взяты весной, то есть после отвальной (вспашки) и плоскорезной обработок, чем нарушена элементарная методика в экспериментах такого рода. Почва из слоя 0-11 см по отвальной обработке на самом деле оказалась из слоя 11-22 см после обработки плугом, а из слоя 11 -22 см оказалась, наоборот, из слоя 0-11 см, хотя при вспашке обычным отвалом не происходит оборот пласта на 180°, а оборачивание пласта с перемешиванием. Потому неслучайно по результатам лабораторного опыта плодородие слоя А (0-11 см) по отвальной обработке оказалось на 21 % ниже плодородия слоя Б — 11 -22 см, а при плоскорезной обработке, наоборот, плодородие слоя А (0-11 см) выше на 31%, чем слоя Б (11-22 см). Последнее подтверждает результаты наших исследований и данные названных ученых.
Однако авторы, несмотря на грубейшее нарушение методики, по результатам своих экспериментов делают вывод о том, что «снижение плодородия каштановой супесчаной почвы... при бессменной отвальной обработке обусловлено эрозионными процессами», то есть в результате дефляции отчуждаются плодородные частицы с верхнего слоя (А) настолько, что продуктивность его снижается на 21 % по сравнению с нижним (Б) слоем.
Безусловно, эрозионные процессы оказывают отрицательное влияние на потенциальное плодородие почв, но они не могут оказать сколько-нибудь существенного действия на процессы дифференциации пахотного слоя по эффективному плодородию. Здесь главными факторами, как уже установлено многими исследователями и проведенными нами экспериментами, являются биологические, а не физические факторы.