BIOLOGICAL ACTIVITY OF ORDINARY CHERNOZEM UNDER NO-TILL FARMING

БИОЛОГИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ ЧЕРНОЗЕМА ОБЫКНОВЕННОГО ПРИ ОСВОЕНИИ ТЕХНОЛОГИИ NO-TILL

Научная статья

Гармашов В.М.^1, *, Гармашова Л.В.²

^{1, 2} Воронежский федеральный аграрный научный центр им. В.В. Докучаева, Каменная Степь, Россия

* Корреспондирующий автор (niish1c[at]mail.ru)

Аннотация

Рассмотрена динамика изменения микробиологической активности чернозема обыкновенного при переходе на технологию No-till. Установлено, что при освоении технологии No-till снижение активности ценных в агрономическом отношении групп микроорганизмов в черноземе обыкновенном прослеживается в зависимости от группы микроорганизмов 3-5 лет, после чего при восстановлении почвенных процессов активность и аммонифицирующих и амилолетических бактерий при нулевой обработке поднимается до уровня обрабатываемой почвы. Большое влияние на интенсивность микробиологических процессов в почве оказывает и гидротермический коэффициент периода вегетации (r = 0,25 - 0,66). Микробиологическая активность в почве залежи протекает с меньшей интенсивностью и более стабильно по годам, чем почв, используемых в сельскохозяйственном производстве.

Ключевые слова: чернозем обыкновенный, технология no-till, микробиологическая активность, аммонифицирующие микроорганизмы, амилолитические бактерии.

BIOLOGICAL ACTIVITY OF ORDINARY CHERNOZEM UNDER NO-TILL FARMING

Research article

Garmashov V.M. ^1, *, Garmashova L.V. ²

^{1, 2} V. V. Dokuchaev Voronezh Federal Agrarian Research Center, Kamennaya Steppe, Russia

* Corresponding author (niish1c[at]mail.ru)

Abstract

The study analyzes the dynamics of microbial activity alteration of ordinary chernozem when switching to the technology of no-till farming. The research finds that when switching to no-till farming, there can be observed a decrease of essential bacteria activity in relation to bacteria groups of ages 3 to 5, after which, during soil restoration with no-till farming, the ammonifying and amylolytic bacteria activity increases to the level of cultivated soil activity. The hydrothermal coefficient of vegetation (r = 0,25 - 0,66) greatly affects the intensity of the soil microbial activity. The microbial activity in the fallow soil is less intense but more consistent throughout the years than that of agricultural soil.

Keywords:  ordinary chernozem, no-till farming, microbial activity, ammonifying bacteria, amylolytic bacteria.

В последнее время в сельскохозяйственном производстве особенно остро встает вопрос энерго- и ресурсосбережения, поэтому многие сельхозтоваропроизводители переходят на технологии, предусматривающие минимизацию основной обработки почвы, и даже полный отказ от нее (прямой сев). При этом технологии на основе No-till вызывают все больший интерес у науки и практики. Однако применение минимализации обработки почвы и технологии No-till в различных почвенно-климатических условиях зоны распространения черноземов часто приводит к получению противоречивых результатов по отношению как к величине получаемого урожая, так и к показателям почвенных процессов [1], [2], [3].

По одним представлениям, регулярный прямой посев (no-till) по прохождению некоего переходного периода приводит к улучшению почвенных режимов и плодородия почвы [4], [5], [6], по другим, наоборот, – к ухудшению этих показателей с возможными негативными экологическими последствиями, которые трудно будет устранить [7], [8].

Во многих научных работах отмечается отставание теоретических и научных обоснований в этом вопросе от запросов практики, и особенно при систематическом применении прямого сева, что определяет высокую востребованность в таких научных исследованиях [9], [10]. Интенсификация земледелия усиливает актуальность проведения научных исследований в изучении изменения показателей плодородия почвы при переходе на нулевую обработку [11].

Микробный пул почвы является одним из наиболее чувствительных индикаторов, быстро отражающих направленность в изменении плодородия почв и их агроэкологического состояния [12], [13], [14].

Цель исследований

Изучить динамику и направленность развития микробиологических процессов в черноземе обыкновенном при систематическом прямом посеве (без обработки почвы).

Условия, материалы и методы

Для выявления изменения плодородия чернозема обыкновенного в условиях юго-востока ЦЧР при нулевой обработке почвы в условиях стационарного опыта по изучению влияния различных приемов и систем обработки почвы в севообороте на плодородие чернозема обыкновенного и продуктивность культур зернопропашного севооборота (горох – озимая пшеница – кукуруза на зерно – ячмень – однолетние травы – озимая пшеница – подсолнечник – ячмень) нами была изучена активность развития наиболее распространенных групп микроорганизмов при традиционной обработке почвы вспашке на глубину 20-22 см (контроль), прямом посеве и в почве естественной экосистемы (косимая залежь – абсолютный контроль).

Мониторинг изменения микробиологической активности почвы проводился в течение шести лет с 2014 по 2020 год с нарастающим сроком применения нулевой обработки почвы на первом поле стационарного опыта.

Объект исследований – чернозем обыкновенный среднегумусный, среднемощный, тяжелосуглинистый, с благоприятными физико-химическими и агрохимическими характеристиками 30-сантиметрового слоя: гумус (по Тюрину в модификации В.Н. Симакова, ГОСТ 2613-91) – 6,48%, общий азот (по Гинзбург) – 0,36%, общий фосфор (по Гинзбург и Щегловой) – 0,35%, общий калий (по Ожигову) – 1,85%, азот гидролизуемый (по Тюрину и Кононовой) – 61,2 мг/кг почвы, сумма поглощенных оснований (ГОСТ 27821-88) – 66,4 мг/кг почвы, рН солевой вытяжки – 6,99, гидролитическая кислотность – 0,57 мг-экв./100 г почвы.

Оценку микробного ценоза почвы проводили в рамках выполнения госзаданий. Для микробиологических анализов отбирали репрезентативные смешанные почвенные образцы с каждого исследуемого объекта из слоя почвы 0-20 см. Анализ проводили на свежих образцах, хранившихся не более 24 часов при температуре 5⁰ С. Учет численности изучаемых эколого-трофических групп микробного сообщества определяли классическим методом посева на агаризованные элективные питательные среды различного состава по методике Е.З. Теппер [15]. Численность микроорганизмов-аммонификаторов – деструкторов белка различной природы (посев на мясо-пептонном агаре, МПА), амилолитических микроорганизмов – иммобилизаторов легкодоступного углерода, ассимилирующих минеральные формы азота (посев на крахмало-аммиачном агаре, КАА).

Обработку экспериментальных данных осуществляли дисперсионным методом математического анализа (Доспехов, 1985) с использованием программного обеспечения ПК Microsoft Office Excel 2016.

Результаты исследований и их обсуждение

В рамках настоящего исследования была изучена динамика изменения микробиологической активности почвы по развитию наиболее многочисленных в микробном пуле черноземной почвы групп микроорганизмов аммонификаторов и амилолитических бактерий при традиционной и нулевой обработках почвы, и на многолетней косимой залежи (абсолютный контроль) в почвенно-климатических условиях юго-востока ЦЧР.

Аммонифицирующие бактерии, участвуют в трансформации свежего органического вещества, поступающего в почву в виде растительных остатков и отмерших корней растений. Деятельность этой гетеротрофной группы микроорганизмов является определяющей в формировании плодородия черноземной почвы [15].

Амилолитические микроорганизмы, ассимилирующие минеральные формы азота, в черноземной почве по количеству в 2-3 раза превосходят микроорганизмы, учитываемые на МПА. Данная группа микроорганизмов для построения собственных клеток использует минеральные формы азота и активно участвует в трансформации органических соединений растительного происхождения. Преобладание этой группы микроорганизмов, обладающих активным комплексом протеолитических ферментов, свидетельствует об интенсивно протекающих в такой почве процессов минерализации [16].

Анализ результатов исследований показал, что микробиологическая активность почвы зависела от гидротермических условий вегетационного периода, способа обработки почвы и высеваемой культуры (рис. 1, 2). Коэффициент корреляции между гидротермическим коэффициентом периода вегетации и активностью микроорганизмов, усваивающих органические формы азота в агрогенной почве равен r = 0,36 - 0,37, микроорганизмами, усваивающими минеральные формы азота зависимость слабее r = 0,25 - 0,66.

Активность этих групп микроорганизмов в почве естественной экосистемы (120 летней косимой залежи) имела менее значимую корреляционную зависимость от гидротермических условий вегетационного периода r = 0,14-0,11, по-видимому, более равномерное поступление растительных остатков степного разнотравья и имеющийся мульчирующий слой из дернины на поверхности почвы нивелирует изменение влажностно-температурного режима в течение вегетационного периода и «смягчает» влияние погодных условий. Интенсивность развития рассматриваемых эколого-трофических групп микроорганизмов на залежи была наименьшей с минимальным коэффициентом вариации значений (14%).

Рис. 1 – Развитие аммонифицирующих микроорганизмов, усваивающих органические формы азота, развивающихся на МПА

Рис.2 – Развитие микроорганизмов, усваивающих минеральные формы азота, развивающихся на КАА

 

Рассматривая изменение микробиологической активности почвы во времени, необходимо отметить, что в начале освоения систематического прямого посева, не считая первый год внедрения в последующие четыре года, микробиологическая активность в слое почвы 0-20 см была ниже, чем в ежегодно обрабатываемой почве (вспашке на глубину 20-22 см), особенно это прослеживается по группе микроорганизмов, усваивающих органические формы азота (развивающихся на МПА), что связано с меньшим поступлением в 0-20 см слой почвы свежего органического вещества растительных остатков, которые поступают в почву при проведении вспашки запахивании растительных остатков, остающихся после уборки на поверхности почвы, что не происходит при отказе от обработки почвы.

Если в первый год внедрения прямого посева различий в развитии этой группы микроорганизмов практически не было, то во второй год прямого посева их численность при прямом посеве снизилась на 19,0%, на третий, четвертый и пятый была ниже на 31-28,5%, на шестой и седьмой годы их численность уже была на уровне обрабатываемой почвы (рис. 1). То есть с увеличением продолжительности использования прямого посева различия в активности аммонифицирующих бактерий между традиционной обработкой почвы в севообороте и прямым посевом уменьшаются, и на шестой год применения активность аммонифицирующих бактерий в черноземе обыкновенном была практически одинакова с интенсивностью их развития при традиционной системе обработки почвы в севообороте.

Анализ развития микроорганизмов, усваивающих минеральные формы азота (рис. 2) свидетельствует, что они меньше изменяют свою активность при переходе на прямой посев и быстрее приходят к уровню активности этой группы микроорганизмов в обрабатываемой почве. В связи с ухудшением физических свойств почвы при освоении нулевой обработки численность амилолитических микроорганизмов в первый год нулевой обработки снизилась на 7,7% по сравнению с традиционной обработкой почвы, на второй год – на 25%, на третий год – на 9,2 %, а уже начиная с четвертого года внедрения она стала на уровне интенсивности развития этой группы микроорганизмов как при традиционной системе обработки почвы в севообороте, даже с тенденцией незначительного роста.

В среднем за семь лет исследований максимальная численность аммонифицирующих бактерий в черноземе обыкновенном была при традиционной обработке почвы в севообороте, где количество микроорганизмов, развивающихся на МПА в 1 г абсолютно сухой почвы составило 10,21 млн КОЕ, при нулевой обработке почвы их количество снизилось до 9,00 млн КОЕ или 11,8%. На залежи косимой в 1 г абс. сухой почвы содержалось 6,82 млн. КОЕ меньше, чем в обрабатываемой почве на 3,39 млн КОЕ или на 33,2% и ниже, чем при прямом посеве на 24,2% (на 2,18 млн КОЕ в 1 г абс. сухой почвы).

Аналогичная закономерность была и в изменении амилолитических бактерий, усваивающих минеральные формы азота, с несколько меньшими различиями по изучаемым вариантам опыта. Снижение численности этой группы микроорганизмов при нулевой обработке почвы по сравнению с традиционной в среднем за семь лет исследований составило 5,8 %, в почве залежи – 27,1%.

Заключение

В первый год перехода на технологию No-till снижение микробиологической активности чернозема обыкновенного почвы по сравнению с традиционной обработкой почвы практически не происходит. В дальнейшем снижение микробиологической активности чернозема прослеживается в зависимости от группы микроорганизмов 3-5 лет, после этого при восстановлении почвенных процессов, микробиологическая активность и аммонифицирующих и амилолетических бактерий при нулевой обработке поднимается до уровня обрабатываемой почвы. Микробиологическая активность в почве залежи протекает более стабильно по годам и с меньшей интенсивностью, чем почв, используемых в сельскохозяйственном производстве.

Конфликт интересов Не указан.

Conflict of Interest None declared.

Список литературы / Refernces

1. Гармашов В.М. Влияние основной обработки почвы на агрофизические свойства миграционно-мицелярныхагрочерноземов / В.М. Гармашов, Ю.И. Чевердин, В.А. Беспалов, В.П. Белобров, А.М. Гребенников, В.А. Исаев // Вестник Российской сельскохозяйственной науки. – 2017. – № 3. – С.26-29.
2. Дридигер В.К. Динамика изменения агрофизических свойств почвы при возделывании полевых культур по технологии no-til / В.К. Дридигер, В.В. Кулинцев, Р.С. Стукалов, Р.Г. Гаджиумаров // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. – 2018. – № 5. (73). – С. 35-38.
3. Солодовников А.П. Динамика плотности почвы чернозема южного при минимализации основной обработки / А.П. Солодовников, А.В. Летучий, Д.С. Степанов, Б.З. Шагиев, А.С. Линьков // Земледелие. – 2015. – № 1. – С. 5-7.
4. Гребенников А.М. Микробиологическая активность миграционно-мицелярныхагрочерноземов при применении разных способов основной обработки /А.М. Гребенников, В.П. Белобров, О.В. Кутовая, В.А. Исаев, В.М. Гармашов, Ю.И. Чевердин, В.А. Беспалов / Агрохимия. –2018.–№3.–С. 19-25.
5. Кирюшин В.И. Проблемы минимализации обработки почвы: перспективы развития и задачи исследований / В.И. Кирюшин // Земледелие. – 2013. – № 7. – С. 3-6.
6. Дридегер В.К. Методические подходы к изучению систем земледелия без обработки почвы / В.К. Дридигер // Земледелие. – 2014. – № 7. – С. 24-27.
7. Мамбеталин К.Т. Длительность применения нулевой технологии / К.Т. Мамбеталин // Достижения науки и техники АПК. – 2006. – №5. – С. 30-31.
8. Каличкин В.К. Минимальная обработка почвы в Сибири: проблемы и перспективы / В.К. Каличкин // Земледелие. – 2008. – № 5.– С. 24.27.
9. Дридигер В.К. Особенности проведения научных исследований по минимализации обработки почвы и прямому посеву: методические рекомендации / В.К. Дридигер. – Ставрополь: Сервисшкола, 2020. – 69 с.
10. Кирюшин В.И. Концепция развития земледелия в Нечерноземье. – СПб.: ООО «Квадро», 2020. – 276 с.
11. Кирюшин В.И. Методические рекомендации по разработке минимальных систем обработки почвы и прямого посева / В.И. Кирюшин, В.К. Дридигер, А.Н. Власенко, Н.Г. Власенко, Д.Н. Козлов, С.В. Кирюшин, А.А. Конищев // Почвенный институт имени В.В. Докучаева; Северо-Кавказский федеральный научный аграрный центр. – М.: ООО «Издательство МБА», 2019. – 136 с.
12. Звягинцев, Д.Г. Почва и микроорганизмы / Д.Г. Звягинцев. – М.: МГУ, 1987. – 256 с.
13. Бабьева, И.П. Биология почв / И.П. Бабьева, Г.М. Зенова. – М.: Изд-во МГУ, 1989. – 336 с.
14. Титова В.И. Методы оценки функционирования микробоценоза почвы, участвующие в трансформации органического вещества / В.И. Титова, А.В. Козлов: науч.-метод. пособие. Н. Новгород: Нижегород. Гос. с.-х. академ., 2012. – 64 с.
15. Теппер Е.З. Практикум по микробиологии: учеб. пособие для вузов / Е.З. Теппер, В.К. Шильникова, Г.И. Переверзева. М. Дрофа, 2004. – 256 с.
16. Аристовская Т.В. Микробиология процессов почвообразования / Т.В. Аристовская. Л.: Наука. 1980. – 187 с.

Список литературы на английском языке / Referencesin English

1. Garmashov V. M. Vlijanie osnovnoj obrabotki pochvy na agrofizicheskie svojstva migracionno-miceljarnyhagrochernozemov [Influence of primary tillage on agrophysical properties of migration of michellemyfriendhotmum] / V. M. Garmashov, Y. I. Severgin, V. A. Bespalov, V. P. Belobrov, A. M. Grebennikov, and V. A. Isaev // Vestnik Rossijskoj sel'skohozjajstvennoj nauki [Bulletin of the Russian agricultural science], 2017, № 3, Pp. 26-29. [in Russian]
2. Dridiger V. K. Dinamika izmenenija agrofizicheskih svojstv pochvy pri vozdelyvanii polevyh kul'tur po tehnologii no-til [Dynamics of changes in agrophysical properties of soil when cultivating field crops using no-til technology] / V. K. Dridiger, V. V. Kulintsev, R. S. Stukalov, R. G. Gadzhiumarov // Izvestija Orenburgskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta [News of the Orenburg state agrarian University]. – 2018. – № 5. (73). – P. 35-38. [in Russian]
3. Solodovnikov, A. P. Dinamika plotnosti pochvy chernozema juzhnogo pri minimalizacii osnovnoj obrabotki [Dynamics of the density of soil of Chernozem southern at minimizing the basic processing] / A. P. Solodovnikov, A. C. flying D. S. Stepanov, Z. B. Shagiyev, Linkov A. S. // Zemledelie [Agriculture]. – 2015. – № 1. – P. 5-7. [in Russian]
4. Grebennikov, A. M. Mikrobiologicheskaja aktivnost' migracionno-miceljarnyhagrochernozemov pri primenenii raznyh sposobov osnovnoj obrabotki [Microbiological activity of the migration of michellemyfriendhotmum when applying different methods of primary treatment] /A.M. Grebennikov, V.P. Belobrov, A.V. Kutovoi, V.A. Isaev, V.M. Garmashov, Y. I. Severgin, V.A. Bespalov / Agrohimija [Agrochemistry]. – 2018. – №3. – P. 19-25. [in Russian]
5. Kiryushin V.I. Problemy minimalizacii obrabotki pochvy: perspektivy razvitija i zadachi issledovanij [Problems of tillage: prospects of development and tasks of the research] / V.I. Kiryushin // Zemledelie [Agriculture]. – 2013. – № 7. – P. 3-6. [in Russian]
6. Dredger V.K. Metodicheskie podhody k izucheniju sistem zemledelija bez obrabotki pochvy [Methodological approaches to study systems of agriculture without soil] / V.K. Didier // Zemledelie [Agriculture]. – 2014. –№ 7. – P. 24-27. [in Russian]
7. Mambetalin K.T. Dlitel'nost' primenenija nulevoj tehnologii [The Duration of application of zero technology] // Dostizhenija nauki i tehniki APK [Achievements of science and technology of the agro-industrial complex], 2006, no. 5, Pp. 30-31. [in Russian]
8. Kalichkin V.K. Minimal'naja obrabotka pochvy v Sibiri: problemy i perspektivy [Minimal tillage in Siberia: problems and prospects] / V.K. Kalichkin // Zemledelie [Agriculture]. – 2008. – № 5. – P. 24.27. [in Russian]
9. Dridiger V.K. Osobennosti provedenija nauchnyh issledovanij po minimalizacii obrabotki pochvy i prjamomu posevu: metodicheskie rekomendacii [Features of scientific research on minimization of tillage and direct sowing: methodological recommendations] / V.K. Dridiger. – Stavropol: service School, 2020. – 69 p. [in Russian]
10. Kiryushin V.I. Koncepcija razvitija zemledelija v Nechernozem'e [Concept of development of agriculture in the non-Chernozem region]. – SPb.: LLC "Quadro", 2020. – 276 p. [in Russian]
11. Kirjushin V.I. Metodicheskie rekomendacii po razrabotke minimal'nyh sistem obrabotki pochvy i prjamogo poseva [Methodological recommendations for the development of minimal systems of soil treatment and direct seeding] / V.I. Kiryushin, V.K. Dridiger, A.N. Vlasenko, N.G. Vlasenko, D.N. Kozlov, S.V. Kiryushin, A.A. Konishchev // Pochvennyj institut imeni V.V. Dokuchaeva; Severo-Kavkazskij federal'nyj nauchnyj agrarnyj centr [V.V. Dokuchaev soil Institute; North Caucasus Federal scientific agrarian center], Moscow: IBA Publishing house, 2019, 136 p. [in Russian]
12. Zvyagintsev, D. G. Pochva i mikroorganizmy [Soil and microorganisms] / D. G. Zvyagintsev. – Moscow: MSU, 1987. – 256 p. [in Russian]
13. Babyeva, I.P. Biologija pochv [Soil Biology] / I.P. Babyeva, G. M. Zenova. – Moscow: MSU publishing House, 1989. – 336 p. [in Russian]
14. Titova V.I. Metody ocenki funkcionirovanija mikrobocenoza pochvy, uchastvujushhie v transformacii organicheskogo veshhestva [Methods for assessing the functioning of soil microbocenosis involved in the transformation of organic matter] / V.I. Titova, A.V. Kozlov: scientific method. manual. N. Novgorod: Nizhegorod. State agricultural Academy, 2012. 64 p. [in Russian]
15. Tepper E.Z. Praktikum po mikrobiologii [Practical training in Microbiology] / Tepper E.Z., Shil'nikova V.K., Pereverzeva G.I.: textbook. manual for universities. M. Drofa, 2004. 256 p. [in Russian]
16. Aristovskaya T. V Mikrobiologija processov pochvoobrazovanija. [Microbiology of soil formation processes] / T.V. Aristovskaja . L.: Nauka. 1980. 187 p. [in Russian]