Scientific journal
Modern problems of science and education
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,940

THE INFLUENCE OF PHYTOMELIORATION ON FERTILITY INDICATORS OF AGROGENIC SOILS OF PRIMORYE

Purtova L.N. 1 Kostenkov N.M. 1 Kiseleva I.V. 1 Emelyanov A.N. 2
1 Biology and and Soil Science Institute
2 Primorye Research Institute of Agriculture
The influence of different fitomeliorantov (Medicago, Bromopsis, Trifolium, Melilotus, Fagopyreae) on indicators of fertility, physical and optical properties of agro-dark humus soil are researched. It was found a positive impact of all fitomeliorantov on humus content in the arable soil horizon. With the increase of humus content in arable horizon established downward trend in the integral reflection of the soil. In the humus was prevalence of "free" and humic acids bound with calcium. Type of humus was a fulvate-humate in all variants of the experiment.More intense microbiological processes of transformation of organic matter occurred in crops of legumes, which are characterized by high levels of catalase activity and the parameters of the production of CO2.The most favorable conditions for improving fertility evolved in alfalfa fields (Medicago) and clover (Trifolium).
phytomelioration
physical and chemical properties of soils
optical
soil stored energy
assessment of humus condition
humus
fertility

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 рНс, 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

Вариант

опыта

рН

 

ГК*

м-экв/100 г

почвы

Р2О5

К2О

Поглощенные основания

м -экв/100 г почвы

Степ.

нас.

осн.**

%

вод-

ный

соле-

вой

мг/100 г

почвы

Са2+

Мg2+

К+

Na+

1. Контроль

6,10

4,92

4,81

2,88

9,27

23,69

5,15

0,71

1,20

86,4

2. Люцерна

6,35

5,07

4,69

2,32

11,12

20,60

10,30

0,66

0,80

87,3

3. Кострец

6,16

5,04

4,64

3,71

9,37

20,60

6,18

0,66

2,66

86,6

4. Клевер

6,05

4,94

5,38

2,88

8,55

21,69

9,27

0,66

2,99

86,5

5. Донник

6,23

3,98

4,89

2,47

8,03

24,72

11,33

0,57

0,66

88,0

6. Гречиха

6,36

4,85

5,59

2,58

6,39

23,69

8,24

0,48

1,20

85,7

* 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

Вариант

опыта

Плотность, г/см3

1. Контроль

1,14 +0,01

2. Люцерна

1,26+0,07

3. Кострец

1,21+0,06

4. Клевер

1,21+0,03

5. Донник

1,32+0,04

6. Гречиха

1,27+0,07

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 (Qг) в агротемногумусовых подбелах в фитомелиоративном опыте

Варианты

опыта

Содержание

гумуса, % *

Qг, млн ккал/га*

1. Контроль

3,55+0,07

417,4+9,60

2. Люцерна

3,80+0,20

490,6+25,50

3. Кострец

3,77+0,22

467,4+6,90

4. Клевер

3,74+0,22

466,7+16,50

5. Донник

3,58+0,10

488,9+5,30

6. Гречиха

3,59+0,09

472,1+31,52

*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.)

Варианты опыта

R, %

2013 г.

2014 г.

1. Контроль

36,5

34,9

2. Люцерна

36,6

34,3

3. Кострец

36,6

34,3

4. Клевер

36,8

34,3

5. Донник

36,8

33,6

6. Гречиха

35,7

34,9

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

Варианты

опыта

Гумус, %

Запасы

гумуса

т/га, в

слое

0-20 см

1*

2**

3***

Степень

гумифи-

кации

органи-

ческого

вещества

Сгк/

Сфк

Гуминовые кислоты,

в % от их суммы

1. Контроль

3,67

82,9

50,5

44,5

5,0

20,2

1,21

2. Люцерна

4,00

108,8

49,8

44,0

6,2

20,9

1,36

3. Кострец

4,40

92,4

50,7

44,4

4,9

18,7

1,27

4. Клевер

4,15

97,1

50,2

44,2

5,6

19,9

1,36

5. Донник

3,83

95,7

50,7

44,6

4,7

19,3

1,20

6. Гречиха

3,78

83,9

50,4

42,6

7,0

19,7

1,29

*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.