Агрохимия, 2023, № 3, стр. 12-19

ВВЕДЕНИЕ

Применение сидеральных удобрений является важным фактором экологически безопасного повышения плодородия и нормализации фитосанитарного состояния почв [1–5]. Использование сидератов может значительно улучшить состояние почв, подверженных деградации и агроистощению в результате длительного и нерационального использования в земледелии [6, 7]. Одним из факторов увеличения уровня плодородия и улучшения фитосанитарного состояния почв при использовании сидератов является активизация полезной микрофлоры в почвах. Высокая активность агрономически ценной микрофлоры, особенно целлюлозоразрушающих бактерий, может создать условия для значительного улучшения режима питания культурных растений, вытеснения фитопатогенной микрофлоры из почвы и ее очистку от токсичных веществ органического происхождения [8]. В литературе встречаются сведения о повышении активности микроорганизмов в почвах. Например, различные виды бобовых сидератов на дерново-подзолистых почвах Северо-Запада РФ стимулировали биологическую активность почвы в большей степени, чем минеральные азотсодержащие удобрения [9]. Запашка сидератов в полевых опытах [10] приводила к росту численности почвенных микроорганизмов (на 29–65%), особенно грибов и актиномицетов (в 1.2–2.6 раза). Поступление сидеральной массы в почву способствовало интенсивному развитию триходермы, что снижало интенсивность развития корневых гнилей на 5.9–8.2% и положительно повлияло на сохранность стеблестоя зерновых культур. Целлюлозолитическая активность почвы в вариантах с сидератами возросла с 16.8–17.2 до 23.2–41.5%. Использование сидератов приводило к снижению потенциала инфекции и предохранению растений от поражения фитопатогенами. Заболеваемость корневой гнилью озимой ржи снизилась до 15, ячменя – до 20% [11]. Перспективной для использования в качестве сидерата является гречиха, формирующая к моменту цветения высокопродуктивную биомассу, содержащую в сбалансированных количествах большое количество элементов питания растений [12, 13].

Усилить позитивное воздействие сидератов на почву посредством увеличения их продуктивности возможно, если в качестве зеленого удобрения использовать не одну культуру, а смесь экологически и аллелопатически совместимых культур. При использовании для сидерации таких агросообществ в сравнении с чистыми посевами их компонентов часто отмечали более значительное улучшение всего комплекса свойств почв, в том числе и микробиологических, определяющих плодородие, а также фитосанитарное состояние культур, выращиваемых после заделки сидератов [14–16].

Почвенные микроорганизмы обладают мощным ферментативным аппаратом, выполняют многообразные функции в кругообороте всех биогенных элементов, участвуют в почвообразовании и поддержании почвенного плодородия. Поэтому биологическую активность почвы в этом случае следует рассматривать как одну из важнейших характеристик интенсивности микробиологических процессов.

Поскольку многими исследователями была отмечена прямая тесная взаимосвязь между интенсивностью биологических процессов и содержанием гумуса в почве [17], являющимся одним из важных показателей качества почв [18], усилению биологических процессов соответствует улучшение качества почв.

Учитывая возможное позитивное влияние сидератов, состоящих из смеси разных культур, на свойства почв, их качество и перспективность использования гречихи в качестве сидерата, представляет определенный интерес исследование сидеральных агросообществ, в состав которых наряду с гречихой входят и другие культуры. Цель работы – оценка влияния сидеральных агросообществ с участием гречихи на активность целлюлозоразрушающих бактерий (ЦРБ) и содержание гумуса в почве.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

В полевом опыте исследовали влияние чистых посевов сидеральных культур и их бинарных смесей с гречихой на микробиологическую активность пахотного и подпахотного горизонтов типичных черноземов. Опыт включал варианты с чистыми посевами гречихи сорта Деметра, гречихи сорта Крылатая, сои сорта Октябрьская, подсолнечника сорта Енисей и бинарные смеси этих культур. Опыты проводили в трехкратной повторности на стационаре Петринского опорного пункта Почвенного института им. В.В. Докучаева (Курская обл.) в период с 2001 по 2005 г. Почвы опытного участка были представлены тяжелосуглинистыми мощными типичными черноземами.

На учетной площади каждой делянки, составлявшей 280 м² (5.6 × 50 м), сплошным методом определяли величину продуктивности сидеральных культур и урожайность озимой и яровой пшеницы, которые по годам исследования чередовались с посевами сидератов. Сидеральные культуры на каждой делянке скашивали, измельчали агрегатом КИР-1.5 Б и помещали в тележку, которую потом взвешивали, отбирали образец на определение влажности, затем привозили назад, высыпали сидеральную массу на ту же делянку и запахивали в почву. После установления влажности в отобранном образце продуктивность сидератов на каждой делянке пересчитывали в г сухого вещества/м². Уборку урожая зерновых проводили механизированным способом [19].

В пахотном (0–25 см) и подпахотном (25–40 см) горизонтах почв посезонно (весна, лето, осень) определяли содержание гумуса по Тюрину [20] и активность целлюлозоразрушающих бактерий (ЦРБ) – как долю (%) уменьшения массы бумажных фильтров, которые в капроновой оболочке на 2 мес. (с конца мая по конец июля) закладывали в почву на глубину пахотного и подпахотного горизонтов [21].

Для оценки влияния фактора смешивания посевов на изменение исследованных показателей применяли специально разработанный для этой цели метод построения вариантов сравнения [22], в соответствии с которым для исследованных показателей агросообществ по их величинам в чистых посевах рассчитывали варианты сравнения, которые отличались от показателей агросообществ лишь тем, что влияние фактора смешивания посевов было в них исключено. Для исследованных показателей вариант сравнения рассчитывали по следующей формуле:

где Vs_i – вариант сравнения для i-той культуры, Р_i – величина исследованного показателя в чистых посевах i-той культуры, W_i – доля i-той культуры в смешанном посеве, определенная как количество семян этой культуры, отнесенных к норме высева, соответствующей нормальным по плотности посевам: где Q_i – количество высеваемых семян i-й культуры (в чистых и смешанных посевах оно должно быть равным), N_i – норма высева этой культуры, Sum – указатель суммы. Если величина исследованного показателя имело начальную и конечную величину, как у всех показателей агрохимических свойств, определенных при закладке и окончании опыта, то Р_i было равно разности между конечной и начальной величиной этого показателя. Влияние фактора смешивания на продуктивность агроценоза и свойства почв (агроценотического эффекта) определяли как разность между величинами исследованных показателей в смешанном агросообществе и в варианте сравнения.

Для статистических оценок использовали t‑критерий Стьюдента для неравных дисперсий, критерий Фишера и непараметрический метод Краскела–Валлиса. Использование рассмотренных критериев позволило с позиций 3-х различных подходов оценить степень различия между сравниваемыми величинами. Считали, что различия между последовательностями исследованного свойства существуют, если это подтверждало применение не менее чем 2-х критериев.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Приведены средние за годы проведения опытов величины продуктивности надземной фитомассы в чистых посевах сидератов и их бинарных смесях, величины урожайности зерновых культур и активности ЦРБ в пахотном и подпахотном горизонтах (табл. 1).

Наиболее высокие показатели продуктивности сидератов были получены в смешанных агросообществах, особенно в смесях подсолнечника с каждым из сортов гречихи. Из чистых посевов сидератов максимальной продуктивностью отличались варианты с подсолнечником. По продуктивности чистые посевы этой культуры значительно превосходили сортосмеси гречих и смеси сои с гречихой сорта Крылатая, примерно соответствовали продуктивности смеси соя + гречиха сорта Деметра, но при этом существенно уступали агросообществам подсолнечника с каждым из сортов гречихи.

В вариантах опыта с наиболее высокой продуктивностью сидератов была получена наиболее высокая урожайность зерновых культур. Максимальная урожайность, полученная после запашки сидератов на делянках с чистыми посевами, была достигнута в варианте с гречихой сорта Крылатая. Однако отличия величины этой урожайности как от соответствующих показателей в вариантах с чистыми, так и смешанными посевами сидератов, были несущественными.

Активность ЦРБ в пахотном горизонте в вариантах опыта примерно изменялась в соответствии с тенденциями к изменению продуктивности сидератов и урожайности зерновых культур. Наиболее высокой величиной разложения целлюлозы в пахотном горизонте (17–21%) характеризовались варианты смешанных агросообществ соя + гречиха сорта Деметра, подсолнечник + гречиха сорта Крылатая и подсолнечник + гречиха сорта Деметра. Активность ЦРБ в пахотном слое под этими агросообществами была больше по сравнению с соответствующими показателями под чистыми посевами. Пахотный горизонт под остальными агросообществами характеризовался более низкими величинами активности ЦРБ, уступавшими по этому показателю половине вариантов с чистыми посевами сидератов.

Таким же образом в вариантах опыта изменялась активность ЦРБ в слое 25–40 см. Так же как и в пахотном горизонте, максимальными величинами активности ЦРБ в слое 25–40 см характеризовались делянки под агросообществами соя + + гречиха сорта Деметра, подсолнечник + гречиха сорта Крылатая и подсолнечник + гречиха сорта Деметра. По активности ЦРБ в слое 25–40 см делянки под остальными агросообществами и чистыми посевами мало различались между собой и значительно уступали делянкам под агросообществами соя + гречиха сорта Деметра, подсолнечник + гречиха сорта Крылатая и подсолнечник + гречиха сорта Деметра.

За 5-летний период проведения опытов в пахотном горизонте во всех вариантах опытов произошло статистически значимое увеличение содержания гумуса. Под вариантами с чистыми посевами количество гумуса возросло на 0.26–0.47%, под смешанными агроценозами–на 0.53–0.64%. Наиболее значительно обогатились органическим веществом пахотные горизонты на делянках с вариантами опыта подсолнечник + гречиха сорта Крылатая и подсолнечник + гречиха сорта Деметра. Количество органического вещества в слое 0–25 см в этих вариантах возросло на 0.64 и 0.63%.

В подпахотном горизонте за время проведения опытов содержание гумуса возросло также во всех вариантах. Однако статистическая значимость этого факта была подтверждена только для 7-ми вариантов из 9-ти. При этом общий эффект увеличения содержания гумуса в подпахотном горизонте был достоверным во всех вариантах со смешанными агроценозами и в 2-х вариантах с чистыми посевами (гречиха сорта Крылатая, гречиха сорта Деметра). Наиболее высокими и достаточно близкими величинами роста содержания гумуса характеризовались агросообщества гречиха сорта Крылатая + гречиха сорта Деметра, подсолнечник + гречиха сорта Крылатая и подсолнечник + гречиха сорта Деметра. Эти величины соответственно составили 0.34, 0.32 и 0.35%.

Агроценотические эффекты для продуктивности сидеральных агросообществ и урожайности зерновых культур определялись разностью между величинами этих показателей в вариантах с агросообществами и в вариантах сравнения (табл. 2). Варианты сравнения рассчитывали по формулам (1) и (2). Для расчета агроценотических эффектов использовали данные из табл. 1. Как следует из табл. 2, агроценотический эффект оказывал неодинаковое влияние на продуктивность сидеральных агросообществ, что приводило к существенному ее увеличению в агросообществах гречиха сорта Деметра + подсолнечник, гречиха сорта Крылатая + подсолнечник и соя + гречиха сорта Деметра, менее выраженному возрастанию в агроценозе соя + гречиха сорта Крылатая и незначительному уменьшению в смеси разных сортов гречихи. В рамках аналогичной тенденции было отмечено влияние агроценотического эффекта на урожайность зерновых культур.

Таким же образом были рассчитаны агроценотические эффекты для активности ЦРБ и содержания гумуса в слоях 0–25 и 25–40 см (табл. 3). Влияние агроценотического эффекта привело к значимому увеличению содержания гумуса в пахотном горизонте под всеми агросообществами. Особенно заметным это было в пахотном горизонте под агроценозами подсолнечник + гречиха сорта Крылатая и соя + гречиха сорта Деметра. Содержание органического вещества в слое 0–25 см под этими агросообществами в результате влияния агроценотического эффекта увеличилось на 0.23 и 0.20%. Для указанных агросообществ вклад агроценотического эффекта в общее увеличение содержания гумуса в пахотном горизонте соответственно составил 37 и 36%.

В слое 25–40 см влияние фактора смешивания привело к значимому повышению содержания гумуса под 3-мя из 5-ти агросообществ, содержание гумуса под которыми возросло на 0.19–0.32%. Максимальный вклад фактора смешивания в общее увеличение содержания гумуса был отмечен в подпахотном горизонте под агросообществом подсолнечник + гречиха сорта Деметра и составил 91%.

Согласно балансовым расчетам (Методические указания по определению баланса …, 2000 г.), для повышения на 0.14–0.23% содержания органического вещества в пахотном горизонте тяжелосуглинистых черноземов необходимо внести подстилочный навоз в дозах 15.4–25.3 т/га. Увеличение содержания органического вещества в слое почвы 25–40 см на 0.19–0.32% могло произойти при поступлении в подпахотный горизонт количества органики, эквивалентного 13.7–23.0 т подстилочного навоза/га.

Влияние агроценотического эффекта привело к увеличению активности ЦРБ в пахотном горизонте под всеми агросообществами, за исключением смеси сортов гречих. На активность изученных бактерий в слое 0–25 см под сортосмесью фактор смешивания не оказал никакого влияния. Наиболее выраженным влияние агроценотического эффекта было в пахотном слое под агросообществами подсолнечник + гречиха сорта Крылатая и соя + гречиха сорта Деметра, в которых под влиянием фактора смешивания разложение бумажных фильтров соответственно увеличилось на 4 и 5% от их исходной массы. Для этих агросообществ вклад агроценотического эффекта в общее увеличение активности ЦРБ в пахотном горизонте соответственно составил 21 и 24%.

Влияние агроценотического эффекта на изменение активности ЦРБ в подпахотном горизонте под агросообществами было аналогично изменениям в слое 0–25 см. Фактор смешивания оказал наиболее существенное влияние на активность ЦРБ в слое 25–40 см под агросообществами подсолнечник + гречиха сорта Крылатая и соя + гречиха сорта Деметра. Вклад агроценотического эффекта в величину активности ЦРБ в подпахотном горизонте под этими агросообществами соответственно составил 26 и 24%. Увеличение активности ЦРБ в подпахотном горизонте под агросообществами соя + гречиха сорта Крылатая и соя + гречиха сорта Деметра, обусловленное фактором смешивания, было менее выраженным и характеризовалось меньшей величиной вклада этого фактора в разрушение целлюлозы, соответственно составлявшей 7 и 11%. Так же как в пахотном горизонте, агроценотический эффект не оказал никакого влияния на активность ЦРБ в слое 25–40 см под агроценозом гречиха сорта Крылатая + гречиха сорта Деметра.

Для оценки связи между продуктивностью сидератов, урожайностью зерновых культур с активностью ЦРБ и содержанием гумуса, а также для степени зависимости между агроценотическими эффектами этих показателей были рассчитаны коэффициенты корреляции (табл. 4, 5).

Продуктивность сидератов в опыте была достоверно связана с урожайностью последующих зерновых культур и активностью ЦРБ в обоих горизонтах. При этом продуктивность сидератов образовывала более тесную связь с активностью ЦРБ в пахотном горизонте по сравнению с величинами этого показателя в слое 25–40 см. Урожайность зерновых культур по сравнению с продуктивностью сидератов образовывала менее тесные связи с активностью ЦРБ в почвах, и величина коэффициента корреляции урожайности зерновых культур с активностью ЦРБ в подпахотном горизонте была несколько больше по отношению к соответствующему показателю для слоя 0–25 см.

Содержание гумуса в пахотном горизонте образовывало значимую связь с продуктивностью сидератов. В остальных вариантах связь показателей урожайности с содержанием гумуса не была достоверной.

Такие особенности зависимости активности ЦРБ от продуктивности сидератов и урожайности зерновых культур, по-видимому, можно объяснить тем, что если в первый год поступление сидератов в почву явилось непосредственной причиной возрастания активности ЦРБ, то во второй год на урожайность зерновых культур повлияла активность этих бактерий в почвах, являющаяся следствием последействия запашки сидератов. Поэтому связь между продуктивностью сидератов и активностью ЦРБ была более выраженной по сравнению с зависимостью урожайности зерновых культур от активности этих бактерий. К тому же зависимость урожая зерновых культур не полностью зависела от продуктивности сидератов, т.к. коэффициент корреляции между этими показателями составлял 0.75, из чего следовало, что урожайность зерновых линейным образом была связана с продуктивностью сидератов на 56.3% (0.75² × 100%).

Примерно такие же тенденции обнаружены при рассмотрении характера зависимости показателей урожайности с содержанием гумуса, хотя эти зависимости были менее тесными по сравнению со связями между активностью ЦРБ и показателями урожайности. Следует также отметить, что как в слое 0–25, так и 25–40 см между активностью ЦРБ и содержанием гумуса были установлены достоверные зависимости, которые характеризовались коэффициентами корреляции, соответственно равными 0.77 и 0.69.

Величины агроценотических эффектов продуктивности сидеральных агросообществ и урожайностей зерновых культур были тесно связаны между собой, о чем свидетельствовала значимая на 5%-ном уровне величина коэффициента корреляции между этими показателями (табл. 5). Величины агроценотических эффектов сидеральных агросообществ и урожайностей зерновых культур были достоверно связаны с активностью ЦРБ в пахотном горизонте, тогда как зависимости этих показателей от активности ЦРБ в слое 25–40 см были недостоверными. Корреляционные связи между агроценотическими эффектами показателей урожая и содержания гумуса во всех случаях не были значимыми.

Величина коэффициента корреляции между агроценотическими эффектами активности ЦРБ и содержания гумуса в пахотном горизонте была недостоверной (0.44), а в слое 25–40 см – значимой (0.91).

Учитывая значимость прямой связи между величинами активности ЦРБ и содержания гумуса как в слое 0–25, так и 25–40 см, а также достоверность зависимости между агроценотическими эффектами этих свойств в подпахотном горизонте можно заключить, что эти свойства достаточно сильно связаны между собой и следует ожидать, что наиболее высокой активности ЦРБ будет соответствовать наиболее высокое содержание гумуса. Таким образом, чем больше активность ЦРБ, тем выше качество исследованных почв.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенного исследования было показано, что применение для сидерации смешанных агросообществ по сравнению с чистыми посевами культур позволяет значительно увеличить численность агрономически ценной микрофлоры и содержание гумуса в почве.

В проведенном опыте уровень активности целлюлозоразлагающих бактерий (ЦРБ) и содержания гумуса зависел от состава использованных сидеральных агросообществ, что определялось направленностью и величиной влияния агроценотического эффекта на их продуктивность.

Влияние агроценотического эффекта в разных сидеральных агрособществах на урожайность последующей зерновой культуры, активность ЦРБ и содержание гумуса проявлялось неодинаковым образом. Наиболее существенно возросла активность ЦРБ и увеличилось содержание гумуса как в пахотном, так и в подпахотном горизонтах, а также произошло увеличение урожайности зерновых культур под влиянием агроценотического эффекта в бинарных сидеральных смесях гречихи сорта Крылатая и гречихи сорта Деметра с подсолнечником.

Между продуктивностью сидератов, урожайностью зерновых культур и активностью ЦРБ в почве как пахотного, так и подпахотного горизонтов были установлены связи, достоверные на 5%-ном уровне значимости. Зависимости между показателями урожайности и содержанием гумуса в почвах оказались менее выражены и в большинстве случаев были недостоверными. Было также показано, что агроценотические эффекты продуктивности сидеральных агросообществ и урожайности зерновых культур оказались тесным образом связаны как между собой, так и с влиянием фактора смешивания на активность ЦРБ в пахотном горизонте. При этом в остальных случаях агроценотические эффекты продуктивности сидеральных агросообществ и урожайности зерновых культур не образовывали достоверных связей с агроценотическими эффектами активности ЦРБ и содержания гумуса в почве.

Установленная между величинами активности ЦРБ и содержания гумуса тесная зависимость позволила заключить, что чем больше активность ЦРБ, тем выше качество исследованных почв.