Scientific journal

Modern problems of science and education

ISSN 2070-7428

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 1,006

В почвах агроландшафтов, в связи с применением различных агротехнических обработок, происходит отчуждение органического вещества корневых остатков и обеднение органическим углеродом. Это ведет к изменению в направленности гумусообразовательного процесса и трансформации органического вещества микрофлорой почв. Поэтому проблема сохранения гумуса, при использовании современных агротехнологий, является наиболее актуальной. В связи с этим необходимы как физико-химические, так и микробиологические индикаторы, отражающие изменение уровня плодородия почв агрогенных ландшафтов, а также разработка экологически чистых приемов повышения плодородия почв. К таким приемам относится фитомелиорация - улучшение почв с помощью растений, представляющая собой разновидность биологической мелиорации. При фитомелиорации используют культуры, которые имеют повышенную средообразующую и средовосстанавливающую способность. Органическое вещество, поставляемое этими культурами, улучшает свойства почв, способствует накоплению гумуса, а также активизирует их биологическую активность, что позволяет вовлечь земли в сельскохозяйственный оборот [8]. При фитомелиорации для повышения плодородия почв используется природный потенциал растений - способность аккумулировать энергию солнца, трансформированную в энергию химических связей органических соединений. Улучшение плодородия почв достигается также за счет органического вещества корневых остатков растений и процессами азотфиксации бобовыми фитомелиорантами.

Фитомелиоративный метод нашел широкое применение в России и за рубежом [9; 10; 12; 13]. Для выбора наиболее эффективных фитомелиорантов необходим всесторонний анализ как физико-химических показателей почв, так и исследование микробиологической активности почв, одним из показателей которых является ферментативная (каталазная) активность и уровень продуцирования СО₂.

Цель работы - оценка плодородия почв при использовании различных фитомелиорантов и выбор наиболее эффективных, оказывающих позитивное влияние на почву.

В задачи исследований входило:

1. Оценка агрохимических показателей почв и параметров их гумусного состояния.

2. Исследование каталазной активности и эмиссии СО₂.

3. Исследование оптических параметров почв.

Объекты и методы исследований

Объект исследований - агротемногумусовые подбелы, с применением различных фитомелиорантов (люцерна, кострец, клевер, донник, гречиха) в пределах фитомелиоративного микроделяночного опыта, заложенного в ПРимНИИСХ (пос. Тимирязевский Уссурийского района). Профиль почв дифференцирован на горизонты: PU - Elng - BTg - C. Использованы классификационные названия почв 2004 г. [2]. В пахотных горизонтах определяли кислотность (рН водный, рН солевой) потенциометрически на рН-метре ОР - 264; гидролитическую кислотность по Каппену; содержание подвижных форм фосфора и калия по Кирсанову; поглощенные основания по Шолленбергу [1]. Оценка агрохимических свойств почв проведена по шкалам, предложенным Н.М. Костенковым, В.И. Ознобихиным [3]. Содержание гумуса определено методом Тюрина, фракционно-групповой состав по Пономаревой-Плотниковой [7]. Оценка гумусного состояния почв проведена по Д.С. Орлову с соавторами [6]. Каталазную активность почв определяли газометрически [4]. При изучении продуцирования СО₂ в почве использовали экспериментальный метод в условиях in exp. [11]. Навеску почвы в количестве 100 г помещали в сосуд-изолятор (d = 10cм, h = 15 cм), внутрь ставили чашечку (d = 5 cм) с 5 мл 1н NaOH. Повторность опыта трехкратная. Время экспозиции 24, 48 и 72 ч. После чего чашечку извлекали и титровали 0,2 N HCl c фенолфталеином. Выделенное количество СО₂ определяли с учетом холостого титрования (щелочь за период экспозиции помещали в сосуд без почвы объемом, равным объему свободного пространства в сосуде). Исследования велись с добавлением дистиллированной воды до 60% полной влагоемкости.

Изучение оптических свойств почв, связанных с содержанием гумуса, проводилось на спектрофотометре СФ-18. На приборе производилась запись спектрального отражения (ρ, %) в диапазоне видимого спектра от 420 до 740 нм, с шагом 20 нм, и на их основе рассчитывались параметры интегрального отражения почв (R, %) [5].

Результаты и обсуждения

Процесс гумусообразования в условиях микроделяночного опыта, судя по показателям рН_с, проходил в условиях среднекислой реакции среды (табл. 1). Согласно оценочным показателям, разработанным для сельскохозяйственных земель (Костенков, Ознобихин, 2005), почвы характеризовались средними показателями по содержанию подвижного калия и низкими - по содержанию фосфора. Среди поглощенных катионов преобладали ионы Са²⁺ и Mg²⁺. Для всех вариантов опыта свойственны низкие параметры гидролитической кислотности и повышенная степень насыщенности почв основаниями, что свидетельствует о малом количестве ионов Н⁺ и Al³⁺ в составе почвенного поглощающего комплекса. Исследованиями физических показателей (плотности почв) установлено её возрастание на вариантах с посевами люцерны (1,36) и донника (1,25 г/см³) по сравнению с контролем (1,13 г/см³).

Таблица 1

Агрохимические показатели агрогенных почв в условиях фитомелиоративного опыта

* Гидролитическая кислотность.

** Степень насыщенности почв основаниями.

В посевах клевера и гречихи плотность почв снижалась до 1,17 и 1,11 г/см³, более низкие параметры зафиксированы на варианте с посевом костреца (1,05 г/см³) и связаны, вероятно, со строением его корневой системы. Средние показатели плотности в течение 2013-2014 г. несколько различались (табл. 2). В посевах донника, люцерны и гречихи установлено большее уплотнение почвы, кострец и клевер занимали промежуточное положение.

Таблица 2

Изменение плотности агротемногумусовых подбелов в фитомелиоративном опыте

Содержание гумуса находилось на уровне ниже средних значений. По сравнению с контролем прослеживалась тенденция к возрастанию содержания гумуса во всех вариантах опыта в горизонте РU. Наибольшее содержание гумуса установлено на вариантах с посевами люцерны (3,80%), костреца (3,77%) и клевера (3,74%). Средние показатели энергозапасов почв, связанные с содержанием гумуса, возрастали в ряду: контроль (417,4 млн ккал/га) - клевер (466,7) - кострец (467,4) - гречиха (472,1) - донник (488,9) - люцерна (490,6 млн ккал/га).

Наибольшие показатели энергозапасов свойственны посевам бобовых трав (табл. 3).

Таблица 3

Изменение содержание гумуса и энергозапасов (Q_г) в агротемногумусовых подбелах в фитомелиоративном опыте

*Средние данные 2013, 2014 гг.

В связи с увеличением гумуса во всех вариантах в 2014 году, установлено снижение интегрального отражения почв (табл. 4).

Таблица 4

Изменение интегрального отражения (R) в агротемногумусовых подбелах (2013, 2014 гг.)

Этому, наряду с увеличением содержания гумуса, во многом способствовали и происходящие изменения в типе гумуса - возрастание количества гуминовых кислот в составе гумуса и изменение его типового состава с фульватного на фульватно-гуматный в посевах клевера, донника и гречихи. Таким образом, посевы фитомелиорантов оказывали позитивное действие на состав гумуса (табл. 5).

Согласно оценочным градациям (Орлов, Бирюкова и др., 2004) содержание гумуса низкое на вариантах 1, 2, 5, 6 и ниже среднего на вариантах 3, 4. Запасы гумуса в слое 0-20 см во всех посевах фитомелиорантов низкие, за исключением варианта с посевом люцерны. В этом варианте запасы гумуса достигают средних показателей из-за большей гумусированности горизонта РU (табл. 5). Для данного варианта следует отметить и более высокую степень гумификации органического вещества по сравнению с остальными вариантами опыта. Среди гуминовых кислот преобладали «свободные» гуминовые кислоты и связанные с Са²⁺, количество которых достигало средних значений. Содержание гуминовых кислот, прочно связанных с минеральной основой почв, низкое во всех вариантах опыта.

Таблица 5

Показатели гумусного состояния в горизонте PU агротемногумусовых подбелов

*1-я фракция гуминовых кислот, «свободных» и связанных с полуторными окислами.

** 2-я фракция гуминовых кислот, связанных с Са²⁺.

*** 3-я фракция гуминовых кислот, прочно связанных с минеральной основой почв.

Для горизонтов PU в посевах люцерны, из-за их большей гумусированности, зафиксированы и более высокие параметры каталазной активности почв до 3,5 О₂ см³/г за 1 мин, что соответствовало средней обогащенности почв каталазой. Подобная обогащенность почв каталазой свойственна также почвам с посевами костреца и донника (3,3 и 3,0 О₂ см³/г за 1 мин соответственно). На контроле данный показатель составил 2,8 О₂ см³/г за 1 мин, что соответствовало слабой обогащенности почв каталазой. Такие показатели характерны и для почв с посевами клевера и гречихи (2,7 и 2,8 О₂ см³/г за 1 мин). На вариантах с посевами люцерны в 2014 году зафиксированы и наибольшие параметры продуцирования СО₂ - до 3,53 г С-СО₂ м²/сутки из-за значительной интенсивности процессов трансформации органического вещества микрофлорой почв в посевах бобовых трав.

В посевах клевера и донника показатель эмиссии СО₂ из почв составил 3,52 и 3,37 г С-СО₂ м²/сутки. На контроле продуцирование СО₂ снижалось до 0,62 г С-СО₂ м²/сутки. В посевах костреца и гречихи эмиссия СО₂ из почвы составляла соответственно 1,33 и 0,72 г С-СО₂ м²/сутки.

По средним показателям продуцирования С-СО₂ за 2013-2014 гг. установлен ряд по мере его возрастания: контроль 1,0 г С-СО₂ м²/сутки - гречиха 1,0 - кострец 1,30 - донник 2,34 - клевер 2,50 - люцерна 3,15 г С-СО₂ м²/сутки.

Заключение

Проведенными исследованиями установлено, что посевы фитомелиорантов оказывают позитивное влияние на плодородие агротемногумусовых подбелов. Для почв свойственен средний уровень содержания гумуса и калия, высокая степень насыщенности почв основаниями, низкая гидролитическая кислотность. Почвы бедны фосфором, что связано с протеканием процесса конкрециобразования и связыванием фосфора в недоступное состояние для питания растений. Процессы гумусообразования протекают в условиях среднекислой реакции среды. По сравнению с 2013 годом в 2014 году на всех вариантах опыта зафиксировано увеличение содержания гумуса, что привело к изменению оптических параметров почв - к снижению интегрального отражения во всех вариантах опыта.

В составе гумуса среди гуминовых кислот доминировали свободные и связанные с Са²⁺ гуминовые кислоты, количество которых достигало уровня средних значений. Тип гумуса фульватно-гуматный, что является явным позитивным моментом в улучшении плодородия почв.

Высокие параметры каталазной активности в посевах бобовых трав свидетельствовали о более интенсивных микробиологических процессах трансформации органического вещества, что подтверждалось показателями эмиссии СО₂.

Наиболее благоприятные условия среды на вариантах с посевами фитомелиорантов в 2014 году складывались в посевах с люцерной и клевером, в пахотных горизонтах которых установлено наибольшее возрастание содержания и запасов гумуса. Эти культуры можно рекомендовать для повышения плодородия агрогенных почв.

Рецензенты:

Голов В.И., д.б.н., главный научный сотрудник сектора биогеохимии Федерального государственного бюджетного учреждения науки «Биолого-почвенный институт ДВО РАН», г. Владивосток;

Богачева А.В., д.б.н., старший научный сотрудник Федерального государственного бюджетного учреждения науки «Биолого-почвенный институт ДВО РАН», г. Владивосток.