Биологическая активность почв при различных способах основной обработки

Биологизация земледелия в последние годы стала одним из приоритетных направлений в исследованиях современной аграрной науки, решение вопросов которой позволит создавать агроэкосистемы, наиболее рационально использующие природные ресурсы региона и отличающиеся высокой продуктивностью и экологической устойчивостью.

При введении почв в сельскохозяйственное производство происходят неизбежные изменения их морфологических, физических и химических свойств. Последствия такого воздействия многообразны и затрагивают ключевые аспекты функционирования почвенной экосистемы. Распашка приводит к изменению гумусного состояния почв, что, в свою очередь, сказывается на направленности биогеохимических циклов биофильных элементов. Уплотнение почвы, изменение ее структуры и водного режима также являются характерными ее последствиями [1; 2; 3]. Сельскохозяйственное использование земель оказывает существенное влияние на почвенную биоту, которое связано как с механическим воздействием при обработке, внесением удобрений и пестицидов и т.д., так и с изменением условий обитания почвенных организмов. К таким изменениям относятся: физические и химические характеристики почвы (изменение структуры, плотности, pH, содержания органического вещества и питательных элементов); микроклимат (изменение температуры, влажности и освещенности); источники энергии (изменение доступности углерода в различных формах); биотическое сообщество (изменение видового состава и его продуктивности) [4; 5; 6; 7]. Плодородие почвы, вовлеченной в сельскохозяйственное производство, напрямую зависит от жизнедеятельности почвенных микроорганизмов. Их разнообразная деятельность обеспечивает круговорот веществ, образование гумуса и доступность питательных элементов для растений. Однако в результате механического воздействия и изменения условий среды (температура, влажность, аэрация)

происходит резкое изменение состава и активности микроорганизмов, интенсифицируются минерализационные процессы, наблюдается уменьшение содержания органического вещества [4; 8].

По мнению академиков А.В. Гордеева и Г.А. Романенко [9], при сельскохозяйственном использовании земель оказывается значительное воздействие на почвенную биоту. Механическая обработка почвы, химическая и водная мелиорация, применение минеральных удобрений и пестицидов вызывают существенные изменения в водно-воздушном режиме почвы. Повышение осмотического давления почвенного раствора, изменение баланса элементов минерального питания растений и микроорганизмов, а также качественный и количественный состав поступающего в почву органического вещества - всё это приводит к модификации структуры микробного комплекса и биохимических процессов, протекающих в почве. Взаимодействие микроорганизмов с сельскохозяйственными культурами также претерпевает изменения, что, в итоге, сказывается на продуктивности севооборота.

Передовое научное земледелие сталкивается с вызовом обеспечения продовольственной безопасности при сохранении экологического равновесия. Ключевым фактором в решении этой задачи является рациональное использование и воспроизводство плодородия почвы. Н.С. Матюк с соавторами [10] справедливо считают, что внедрение адаптивно-ландшафтных систем земледелия, учитывающих специфику различных агроландшафтов, позволяет оптимизировать агротехнические практики и минимизировать негативное воздействие на окружающую среду. Важным аспектом таких систем является мониторинг биологических показателей плодородия почвы. Особенно выделяется биологическая активность почвы, которая служит не только важнейшим фактором ее плодородия, но и быстро реагирующим экологическим и агрономическим индикатором антропогенного воздействия. Следовательно, при разработке научно обоснованных систем земледелия необходимо уделять особое внимание анализу и управлению биологическими процессами в почве.

Сложившаяся в некоторых случаях ситуация, приведшая к деградации пахотных черноземов, во многом вызвана потерей органического вещества и негативными изменениями структурного состояния [11]. Вместе с тем более плодородные почвы с высокой биологической активностью в значительной степени устойчивы к негативным техногенным воздействиям [12; 13].

Обработка почвы, как элемент технологии, основная задача которой состоит в повышении эффективного плодородия, создании благоприятных условий для роста и развития растений, является в конечном итоге инструментом получения высокой продуктивности севооборота в целом и урожая каждой культуры в частности. Но большие затраты энергии, развитие эрозионных процессов, ускоренная минерализация гумуса, ухудшение агрофизических свойств и т.п. являются следствием интенсивного характера данного агроприема [14; 15]. Причем, чем выше интенсивность технологических процессов и антропогенного воздействия на почву, тем значительнее изменяются физические и биологические свойства, которые влекут за собой ухудшение её фитосанитарного состояния [16; 17; 18].

В своей работе Е.Н. Мишустин [19] подчеркивает важность агротехнических мероприятий для повышения биогенности почвы и снижения ее фитотоксичности. По его мнению, вспашка занимает ведущее место в этом процессе, она способствует крошению и перемешиванию обрабатываемого слоя почвы, что обеспечивает более равномерное распределение растительных остатков в толще. Это, в свою очередь, создаёт благоприятные условия для развития практически всех групп микроорганизмов, стимулируя мобилизацию биологических процессов в почве.

Важна роль обработки почвы и в регулировании водного и воздушного режи мов, именно она определяет их взаимосвязь. При этом чрезмерное преобладание одного режима над другим может негативно сказаться на состоянии почвы и растительности. Идеальное состояние почвы характеризуется сбалансированным присутствием как водных, так и воздушных элементов. Максимальное развитие одного из режимов за счет другого нарушает этот баланс, что нежелательно для здорового функционирования почвенной экосистемы. В работе Н.В. Долгополовой и А.А. Павлова [20] продемонстрировано, что доминирование воздушного режима в почве способствует активизации процессов минерализации органического вещества. При этом отмечается, что быстрое развитие биологической активности может привести к потере органики, что создает дефицит питательных веществ для растений. Напротив, условия, при которых преобладает водный режим, могут способствовать развитию засухи или снижению темпов минерализации органического вещества вследствие уменьшения биологической активности. Авторы заключают, что сохранение органического вещества в почве за счет развития водного процесса может привести к потере питания для растений.

В настоящее время остро стоит вопрос о разработке совершенных унифицированных критериев оценки состояния почвы с точки зрения ее экологической устойчивости. Как отмечают Н.Н. Терещенко и А.Б. Бубина [21], традиционные показатели, такие как содержание подвижных и валовых форм питательных элементов, уровень кислотности, общая пороз-ность и средние показатели биологической продуктивности, отражают скорее уровень эффективного плодородия почвы. Однако они не позволяют оценить динамику экологических процессов, происходящих в почве, и выявить тенденции ее трансформации в сторону деградации или повышения потенциального плодородия.

Многолетние исследования доказали зависимость биологической активности почвы от влажности пахотного слоя и температурного режима. Причем выявлено, что факторы биологической интенсификации приводят к устойчивости почвы к экстремальным погодным условиям и в севообороте обеспечивают её высокую биологическую активность, улучшая фитосани-тарные свойства [22; 23].

Биологическая активность почвы как её полифункциональная характеристика находится в прямой зависимости от интенсивности микробиологической деятельности [24] и в определённой степени от характера изменений почвенных процессов, связанных с технологией, сроками зяблевой обработки и рядом других факторов [25]. Основной ее показатель – скорость разложения целлюлозы, или интенсивность процессов превращения свежего органического вещества в стабильные формы (минерализации и гумификация) [26]. Севооборот, обработка почвы, система удобрения и другие составные части системы земледелия в совокупности оказывают непосредственное влияние на данный процесс [27].

Е.Х. Нечаева с соавторами [28] и Е.А. Нарушева [29] отмечают, что при оценке агротехнических приёмов с точки зрения сохранения и воспроизводства почвенного плодородия очень важно определять показатели биологической активности почвы. Н.И. Владыкина [30] считает, что об эффективности комплексного воздействия технологических приёмов возделывания сельскохозяйственных культур можно судить по показателям, сложившимся в пахотном слое к концу ротации севооборота. В своей работе А.М. Ситников [31] подчеркивает, что почва обладает внутренним потенциалом к повышению плодородия при условии применения соответствующих технологий. Ключевым аспектом таких технологий является комплекс мер, направленных на защиту почвы от негативных факторов (эрозия, миграция питательных веществ за пределы корнеобитаемого слоя, разрушение агрономически ценной структуры пахотного слоя, переуплотнение).

Восстановление биологических свойств почвы и оптимизация биохимических процессов в ней неотделимы от возобновления ее химических и физических параметров. Для достижения этой цели необходима реализация комплексной системы агротехнических мероприятий, направленных на обеспечение оптимального водно-воздушного режима, севооборота и минерального питания растений [9]. В.Г. Минеев [32] подчеркивает тесную связь биологической активности почвы с процессами синтеза и распада гумуса, минерализации остатков возделываемых культур и внесенных органических удобрений, а также способность некоторых микроорганизмов преобразовывать труднодоступные для растений элементы питания в доступную форму, трансформировать вносимые в почву минеральные удобрения.

В работах ряда авторов [33; 34; 35] подчеркивается значимость суммарного содержания ферментов в почве для определения ее биологической активности. Указывается, что эти ферменты могут быть как продуктами жизнедеятельности растений и микроорганизмов, так и результатом аккумуляции почвой после разрушения отмерших клеток.

Анализ литературных источников [36; 37; 38] демонстрирует важную роль микробиологических исследований почвы в контексте интенсивного земледелия. При этом выделяется возможность более полно оценить комплекс агротехнических мероприятий, таких как севооборот, система обработки и внесения удобрений, оказывающих существенное влияние на микробиологические процессы в почве. Понимание этих процессов является основой для разработки эффективных интенсивных технологий возделывания сельскохозяйственных культур.

Исследования, проведенные Н.В. Бесединым с соавторами [39], показали, что наибольшая биологическая активность почвы наблюдается при плотности 1,2– 1,3 г/см³. При этом мелкая мульчирующая обработка демонстрирует на 2,4 % более высокую интенсивность биологической активности по сравнению с традиционной вспашкой. С дальнейшим уплотнением почвы её активность снижается. Аналогичные выводы были сделаны В.Н. Чурзи-ным и Н.Н. Дудниковой [40] на обыкновенных черноземах Волгоградской области. Авторы отмечают, что более активное протекание микробиологических процессов наблюдается при безотвальной и мелкой обработке почвы в сочетании с чизе-леванием. Мульчирование поверхности почвы растительными остатками (безотвальная обработка) и обработка с последующим глубоким рыхлением (мелкая обработка + чизель на 25–30 см) по своей эффективности не уступают традиционной вспашке. Согласно выводам авторов, агрономическая эффективность различных приемов основной обработки во многом зависит от ряда факторов, в том числе от условий водообеспеченности.

Исследования Н.К. Кузнецова и его коллег [41] продемонстрировали существенное влияние глубины пахотного слоя на численность микроорганизмов в дерново-подзолистых почвах южнотаежной подзоны. Авторы убедительно доказали, что углубление пахотного слоя приводит к увеличению общего количества микроорганизмов в почве в 1,5–2 раза. Результаты работы И.А. Самофаловой с соавторами [42] показали, что наиболее интенсивная микробиологическая деятельность на данном типе почвы наблюдается в вариантах с осенними приемами обработки без оборота пласта (осеннее плоскорезное рыхление КПЭ-3,8 на 16–18 см отдельно и с последующим дискованием БДТ-3 на 8–10 см). В условиях длительного стационарного опыта (40 лет) на черноземе выщелоченном суммарная биологическая активность почвы в пахотном слое возрастала в ряду обработок: отвальная – плоскорезная – комбинированная [43]. Следовательно, вывод, сделанный авторами, имеет важное значение для понимания процессов биологической активности и плодородия почвы, так как отвальная вспашка может способствовать созданию более благоприятных условий для развития микрофлоры, что, в свою очередь, положительно сказывается на структуре, питательном режиме и общих свойствах почвы.

Другие исследователи [20; 44; 45] отмечают, что изменение биологической активности почвы незакономерно и нестабильно, в меньшей степени зависит от способов основной обработки (вспашка, разноглубинная, поверхностная обработка и др.).

Е.А. Соболева, А.Л. Лукин [46] и О.В. Енкина [47] рассматривают почву как активную биологическую систему биосферы, которая характеризуется обменом веществ и энергии, во многом схожим с метаболизмом живых организмов. Это обусловлено присутствием микроорганизмов, составляющих многочисленную и биологически активную часть почвенной биоты. Численность микроорганизмов подвержена значительным колебаниям, зависящим от типа возделываемых культур, фазы развития растений, способа обработки почвы и вида используемых удобрений. Однако влажность и температура являются лимитирующими факторами, определяющими степень активности микроорганизмов. Изменения в активности микрофлоры могут приводить к нарушениям баланса между углеродом и азотом в почве, что, в свою очередь, отражается на состоянии самих микроорганизмов.

Г.К. Марковская и Ю.В. Юдина [48] отмечают положительное влияние системы обработки почвы на биологическое разнообразие пахотного слоя, обусловленное ее воздействием на деятельность микроорганизмов. Авторы указывают, что снижение интенсивности обработки способствует уменьшению потерь органического вещества и росту содержания гумуса в почве. Это связано с формированием защитного мульчирующего слоя на поверхности, который существенно улучшает водный режим почвы. При этом пахотный слой дифференцируется как по общей биогенной активности, так и по численности отдельных видов микроорганизмов.

Исследования Т.А. Трофимовой [49] демонстрируют тесную связь между био-генностью почвы и интенсивностью её обработки. Длительное применение различ- ных способов основной обработки -вспашки или безотвального рыхления -приводит к существенным изменениям в направлении биологических процессов в почве.

Количественный и видовой состав почвенной микрофлоры, а также интенсивность протекающих в ней микробиологических процессов, тесно связаны с естественным состоянием почвы и степенью ее антропогенной трансформации. Некоторые исследователи [50; 51] отмечают, что обработка почвы, существенно влияя на водный, воздушный и тепловой режимы, оказывает прямое воздействие на развитие микроорганизмов. Это подтверждается наблюдениями за изменением численности и видового состава бактерий, грибов и других микроорганизмов в зависимости от интенсивности обработки почвы. В то же время Д.Г. Звягинцев [52] отмечает, что развитие почвенных микроорганизмов в значительной мере зависит от складывающихся внешних условий: наличия органического вещества, гидротермического режима, а также гранулометрического состава почвы.

Наиболее важными факторами, оказывающими непосредственное влияние на жизнедеятельность почвенных микроорганизмов, являются температура и влажность среды. Для большинства микроорганизмов верхняя граница оптимальной температуры составляет 35 оС, а влажность колеблется в границах от 60 до 80 % от наименьшей (полевой) влагоемкости. Микроорганизмы, участвующие в процессах превращения органических веществ, могут проявлять активность при влажности, приближающейся к максимальной гигроскопичности, и способны усваивать влагу, малодоступную высшим растениям [53]. Следует отметить, что микроорганизмы могут перерабатывать органические остатки не только при более низкой температуре, позволяющей быть активными и зимой, но и при значительно более низкой влажности летом [54]. Ф.Ю. Гель-цер [55] считает, что существует связь между увеличением количества почвен- ных микромицетов и ростом утомляемости почвы.

По мнению С.Н. Надежкина и Н.М. Нурмухаметова [56], регулирование интенсивности и направленности биохимической деятельности микроорганизмов позволяет в различной степени влиять на черноземы, обеспечивая высокий уровень эффективного плодородия и сохранение гумуса. В то же время Т.В. Аристовская [57] указывает, что чернозёмы в их естественном состоянии обладают значительным запасом плодородия, допускающим развитие в них достаточно многочисленной и разнообразной микрофлоры, а при их окультуривании численность и качественный состав микрофлоры почти не меняются, происходит только некоторая активизация жизнедеятельности уже имеющихся микробных группировок без существенного изменения их качественного состава.

Почвенные микроорганизмы играют многогранную и сложную роль в жизни растений, оказывающую как положительное, так и отрицательное влияние. Ю.М. Возняковская [58] обобщила эту роль следующим образом, выделив положительное влияние: преобразование сложных соединений почвы и удобрений в доступные для растений формы, перемещение питательных веществ от почвы к корням, аккумулирование питательных веществ в микробных клетках, восстановление нитратов до газообразного азота и фиксация атмосферного азота, синтез стимулирующих и антибиотических веществ, а также отрицательное: накопление продуктов обмена, вызывающих токсикоз почвы; потребление и разрушение корневых выделений растений. Другие исследователи [59; 60] подчеркивают косвенное влияние микроорганизмов на растения через изменение агрономически важных свойств почвы, выделяя создание перегноя и минерализацию гумуса, изменение структуры почвы и деградацию пестицидов. Т.Н. Мельничук и ее коллеги [61] считают, что почвенные микроорганизмы представляют собой динамичный источник элементов питания во всех экосистемах. Они играют ключевую роль в разложении растительных остатков, круговороте питательных веществ, поддержании структуры почвы, биологической азотфиксации, уменьшении количества фитопатогенов и других изменениях свойств почвы, влияющих на развитие растений. Следовательно почвенные микроорганизмы являются неотъемлемой частью экосистемы и играют важную роль в поддержании здоровья и продуктивности растений.

Одним из ключевых вызовов современной почвенной микробиологии является разработка стратегий направленного управления функционированием микроорганизмов с целью повышения плодородия почв. Успешное решение этой задачи требует глубокого понимания взаимосвязей и закономерностей, которые определяют взаимодействие микробного сообщества с различными факторами: степенью окультуренности почвы, её физико-химическими характеристиками, а также особенностями возделываемых растений. В силу высокой динамичности биохимических процессов в почве, её гетерогенной и сложной структуры, а также непредсказуемости гидротермического режима, реализация этой цели сопряжена с существенными трудностями [62; 63].

Т.А. Трофимова [49] заключает, что состав почвенной микрофлоры претерпевает трансформации в зависимости от способов и глубины основной обработки. Так, ежегодная безотвальная обработка способствует большей разнокачественности обрабатываемого слоя по численности основных групп микроорганизмов по сравнению с ежегодным оборачиванием почвы. Поверхностное распределение органических остатков при безотвальной обработке обуславливает концентрацию основной массы микроорганизмов в верхнем слое почвы. В то же время углубление вспашки более 20–22 см приводит к увеличению численности микроорганизмов в нижних слоях пахотного горизонта (20– 30 см и 30–40 см) и уменьшению их количества в верхних. Про роль основной обработки в повышении биологической активности А.К. Миненко [64] пишет, что на дерново-подзолистых почвах наиболее эффективно чередование поверхностного рыхления и вспашки.

Роль и функции грибной микрофлоры в почве исследователями объясняются по-разному. Повышение численности почвенных грибов способствует росту токсичности почвы, которая проявляется уже в фазе всходов и продолжается до конца вегетации культурных растений [65]. При этом может изменяться соотношение между отдельными микроорганизмами, как группами, так и сообществами, с доминированием фитотоксичных видов грибов. На усиление биогенности почвы могут оказывать влияние агротехнические мероприятия, которые снижают ее фитопатогенность [66.].

Н.И. Картамышев и другие [53] отмечают, что при отвальной обработке (вспашке) численность микроорганизмов увеличивается, причем по мере углубления пахотного слоя биологическая активность обрабатываемых слоев почвы возрастает, усиливается микробиологическая деятельность, приводящая к повышению обеспеченности растений элементами питания. Замена вспашки безотвальной обработкой и уменьшение глубины рыхления приводит к сокращению численности микробного населения и снижению биологической активности верхнего слоя почвы. К такому же выводу пришли О.Г. Марьина-Чермных и М.А. Евдокимова [67], которые считают, что применение в качестве основной обработки вспашки способствует активизации микроорганизмов в почве. С.Д. Лицуков и другие [68] в своих исследованиях делают вывод, что микробиологическая активность чернозёма типичного тяжелосуглинистого зависит от обработки почвы и различается по слоям, причем наиболее интенсивной она была при No-till. А.Н. Сарычев [69], исследовав комплексное влияние различных технологий обработки светло-каштановой почвы, пришёл к выводу, что дисковая обработка

(на глубину 10–12 см) привела к снижению микробиологической активности почвы по сравнению с отвальной вспашкой (на 20–22 см) до 5 %.

На современном этапе развития сельского хозяйства большую актуальность приобретает проблема агротехнологий – контроль плодородия почвы. Немаловажным считается учет в этом процессе активности почвенных микроорганизмов как важного звена в системе трансформации органического и неорганического вещества и создания доступных для растений элементов питания [70]. Так, в условиях Удмуртской республики на дерново-подзолистой легкосуглинистой среднесмытой почве достоверное уплотнение пахотного слоя в системе мелкой обработки на 0,13 г/см3, в сравнении с отвальной вспашкой (1,25 г/см3), способствовало существенному снижению активности целлюлозоразлагающих микроорганизмов – на 3,6 % [30]. Т.А. Трофимова [49] в своих исследованиях обращает внимание на значительное сокращение азотобактера, нитрифицирующих и целлюлозоразрушающих бактерий при увеличении глубины вспашки более 25–27 см и ежегодных безотвальных обработках почвы. Кроме того, она отмечает, что ежегодная глубокая вспашка, а также безотвальное рыхление способствуют увеличению численности бактерий, усваивающих минеральные формы азота, расширению соотношения КАА/МПА (отношение общей численности микроорганизмов, использующих минеральный азот, к общему числу микроорганизмов, разлагающих органическое вещество) по сравнению со вспашкой на глубину 20–22 см, что свидетельствует о более глубокой минерализации азотсодержащих органических соединений в почве, в результате чего усиливаются непроизводительные потери гумуса.

Актиномицеты, как и бациллы, принимают участие на более поздних этапах разложения органического вещества и лигнина. По мнению некоторых ученых [71], содержание актиномицетов в почве является косвенным показателем ее окультуренности, а уменьшение механической нагрузки или ее отсутствие вызывает снижение численности этой агрономически важной группы микроорганизмов.

Г.К. Марковская и Н.А. Кирясова [72], проведя исследования в условиях лесостепи Заволжья на черноземе обыкновенном среднегумусном среднемощном тяжелосуглинистом, отмечают, что на фоне минимальной обработки почвы (рыхление, дискование) численность микромицетов несколько ниже, чем в случае с традиционной технологией (вспашка 28–30 см), а уменьшение интенсивности обработки способствует более равномерному распределению грибов по слоям почвы (0–5 см – 29 %; 5–10 см – 24; 10–20 см – 26; 20– 30 см – 20 %). При прямом посеве в среднем за три года численность микромице-тов оказалась ниже на 16 % по сравнению со вспашкой и на 10 %, чем в варианте с рыхлением, но их распределение по слоям было наиболее равномерным (0–5 см – 24 %; 5–10 см – 21,2; 10–20 см – 30; 20– 30 см – 26 %), что свидетельствует о хорошей аэрации почвы с ненарушенным сложением по всему изучаемому горизонту. В то же время Е.Х. Нечаева с соавторами [28] делают заключение, что для грибной микрофлоры лучшие условия складывались при совместном внесении органических и минеральных удобрений и при глубоком рыхлении на 28–30 см. Предполагается, что для бактерий, принимающих активное участие в разложении растительных остатков на более поздних этапах, чем микромицеты, наиболее благоприятные условия складывались при минимальной обработке почвы, причем на их количество наибольшее влияние оказывали сезонные изменения (до 60 %), значительно меньше – способ основной обработки (28–40 %). Делается также акцент на отсутствие депрессии в течение всего вегетационного периода у актиномицетов, их активное размножение и способности, в отличие от бактерий и грибов, хорошо развиваться при низкой влажности субстрата, а также некоторое увеличение их численности при минимальной обработке почвы и ее снижение в слое 0–10 см при прямом посеве по сравнению со вспашкой и рыхлением на 15 %.

Другие ученые указывают на превышение численности бактерий при бесплуж-ной обработке почвы по сравнению со вспашкой на 25–71 % и значительное варьирование количества актиномицетов в зависимости от способа обработки, которое максимально при вспашке, а при дисковании несколько снижается [73].

Б.А. Смирнов с коллегами [74], проведя многолетние исследования на дерновосреднеподзолистой глееватой среднесуглинистой почве центрального района Нечерноземной зоны, заключили, что видовой состав и численность почвенной микрофлоры изменялись под действием энерогосберегающих систем обработки: происходило увеличение общего количества сапрофитных микроорганизмов в целом по пахотному горизонту на 58,9– 79,4 млн клеток в 1 г абс. сухой почвы при преобладании рода Мусоbасterium (63,4– 92,4 %), при этом не наблюдалось развития актиномицетов. Они констатируют превышение общей численности грибов с преобладанием родов Мuсоr и Penicillium в системе поверхностной обработки в сравнении с поверхностно-отвальной, что свидетельствует об ухудшении биологического состояния почвы. М.В. Коваленко [75] показывает отсутствие изменений в аэрации почвы и количества грибов рода Penicillium и Aspergillus при уменьшении механической нагрузки на почву. Т.А. Девятова с коллегами [76] в результате длительных (75 лет) исследований на черноземе обыкновенном установили, что механическая обработка почвы не зависимо от способа (отвальный, безотвальный) приводит к существенному росту автохтонной микрофлоры, участвующей в минерализации гумусовых веществ: по вспашке в 1,5 раза, после плоскореза – в 1,6 раз.

При анализе изменчивости численности микромицетов в зависимости от основной обработки почвы в условиях лесостепи Среднего Заволжья на черноземе типичном среднегумусном среднемощном тяжелосуглинистом отмечены следующие тенденции. В чистом паре наблюдалось увеличение количества микромицетов от верхнего к более глубоким слоям, наиболее заселенным оказался слой 20–30 см, где, по мнению В.Р. Вильямса, в условиях некоторого дефицита кислорода складываются благоприятные условия для синтеза гумусовых веществ. При безотвальном рыхлении наибольшее число грибов отмечено в слое 5–10 см. В случае отсутствия осенней механической обработки происходило неравномерное заселение слоев почвы микромицетами и большее их число находилось в верхнем наиболее аэрированном слое 0–5 см, где происходят аэробные процессы, приводящие к ускоренному разложению растительных остатков до конечных продуктов: воды и углекислого газа. В грибной микрофлоре преобладали грибы рода Penicillium (до 90 %) [75], тогда как в последующем прослеживается тенденция смены состава микробиоты c преобладанием грибов рода Aspergillus, в основном вида Aspergillus flavus [77; 78]. В пахотном слое почвы паров главным образом встречаются сапро-трофные микромицеты родов Aspergilus, Penicillium, Trichoderma, а также Rhizopus nigricans, а из патогенных микроорганизмов, вызывающих корневые гнили зерновых, обнаружена Drechslera sorociniana [79]. K. Koller и M. Linke [80] также отмечают, что при различных способах основной обработки почвы среди микроскопических грибов одинаково преобладали Penicillium spp. и Aspergillus spp., причем в слое 20–30 см наблюдалось достоверное снижение их численности (в 2–2,5 раза) при прямом посеве и минимальной обработке по сравнению со вспашкой, что можно объяснить снижением аэробности и уменьшением количества растительных остатков в этом слое. П.А. Котяк с коллегами [81] показывают, что при ежегодной поверхностной обработке общее количество грибов превышает их количество при поверхностно-отвальной обработке, что свидетельствует об ухудшении биологи- ческого состояния почвы, а также способствует развитию рода Penicillium.

Рассматривая влияние систем основной обработки почвы на микробиологическую активность темно-серой лесной почвы в Северном Зауралье Н.В. Перфильев и другие [82] пришли к заключению о дифференциации распределения микроорганизмов, усваивающих минеральные формы азота, по почвенным горизонтам и о том, что обработка почвы без оборота пласта и сокращение ее глубины ведут к уменьшению численности микроорганизмов, усваивающих органический азот в пахотном слое 0–20 см. Кроме того, мелкие и безотвальные обработки снижали величину соотношения численности микроорганизмов, усваивающих органический и минеральный азот, что свидетельствует об ухудшении плодородия почвы при использовании этих обработок и о необходимости периодической вспашки. Это отмечено и в работе О.Н. Макуриной с коллегами [83], которые утверждают, что минимизация обработки почвы вызывает некоторое увеличение биогенности и ферментативной активности в верхних слоях и снижение в более глубоких.

Многие авторы связывают микробиологическую деятельность при различных обработках почвы с внешними условиями среды. Так, Г.К. Марковская [84] выявила, что на чернозёме типичном среднегумусном среднемощном тяжелосуглинистом в период достаточного увлажнения гумификация растительных остатков активно протекает при отвальной обработке почвы, в условиях дефицита влаги – без механической обработки. В.М. Гармашов и Л.В. Гармашова [85] на черноземе обыкновенном тяжелосуглинистом в почвенноклиматических условиях юго-востока ЦЧР связывают зависимость микробиологической активности почвы от гидротермических условий вегетационного периода с применением системы поверхностной обработки в севообороте.

Микробиологи определяют биологическую активность почв по содержанию тех или иных физиологически активных групп микроорганизмов, хотя известно, что часть из них находится в неактивном состоянии, ее также можно измерить путем определения выделенной углекислоты, однако общую направленность микробиологических процессов достаточно полно отражает скорость разложения клетчатки [86]. Наиболее универсальным показателем деятельности почвенных микроорганизмов является продуцирование ими углекислого газа. Чем выше интенсивность выделения СО2 из почвы, тем активнее протекают в ней биологические процессы, тем благоприятнее складываются условия развития для возделываемых культур, выше их потенциальная урожайность [87]. Уровень общей биологической активности почвы определяется также дыханием почвы, которое представляет собой сложное, многофункциональное природное явление, проявляющееся в процессах газообмена между основными компонентами биогеосферы, почвообразования, трансформации геологических пород, преобразовании энергии, накопленной в почвенном органическом веществе и биомассе почвообитающих организмов [68]. Определение интенсивности дыхания почвы, или эмиссии CO2, служит важной характеристикой потенциального плодородия, поскольку углекислый газ оказывает благоприятное влияние на ее пищевой режим, являясь источником углеродного питания растений [88], а также позволяет судить о напряженности окислительных процессов, протекающих, прежде всего, с участием микроорганизмов и определяющих режим органического вещества почвы. В исследованиях Е.Х. Нечаевой и других [28] в среднем за вегетацию интенсивность почвенного дыхания выше при отсутствии механической обработки почвы и неглубокой заделке растительных остатков.

В современной агрономии общую биологическую активность почвы принято определять по деятельности почвенных целлюлозоразрушающих микроорганизмов, что технически наиболее просто выявить по степени распада и убыли сухой массы льняной ткани, выдержанной в почве определенный период времени. Скорость ее разложения зависит от наличия в ней легкодоступного азота, поэтому данный метод позволяет судить об энергии мобилизации почвенных процессов в целом. Целлюлозу разлагают аэробные микроорганизмы (бактерии и грибы) и анаэробные мезофильные и термофильные бактерии, которые высоко требовательны к источникам азотного питания, и их активность зависит также от наличия в почве доступного фосфора и других элементов. Именно поэтому степень распада клетчатки отражает направленность хода микробиологических процессов в целом [89; 90; 91].

Т.А. Трофимова [49] указывает на снижение показателей действительной биологической активности почвы - выделение из почвы СО 2 , разложение льняного полотна - при ежегодной безотвальной обработке в севообороте по сравнению с отвальной обработкой на обычную глубину или разноглубинной обработкой. В то же время А.П. Лазарев с коллегами [92] полагают, что чем интенсивнее разлагается целлюлоза, тем быстрее осуществляется биологический круговорот элементов и полнее культурные растения обеспечиваются питательными веществами.

В многофакторном стационарном полевом опыте КубГАУ на черноземе выщелоченном установлено влияние системы основной обработки на почвенную микрофлору. Заделывание послеуборочных остатков в почву способствует повышению активности супрессивной микрофлоры и ухудшает условия для развития оставшейся на растительных остатках инфекции. Отвальная обработка почвы с периодическим глубоким рыхлением способствует увеличению интенсивности разложения клетчатки в 1,5–3,5 раза по сравнению с поверхностной обработкой [93]. Интенсивность разложения целлюлозы -важный показатель экологического состояния почвы, который определяется жизнедеятельностью микробоценоза, а изменение аэрации, влажности и других условий, перераспределение по слоям почвы органического вещества - источника пищи и энергетического материала для биоты - является следствием механической обработки [94].

По мнению М.К. Зинченко с соавторами [95], преимущество безотвальных обработок на серых лесных почвах по показателям минерализации клетчатки, в первую очередь, связано с обильным развитием в поверхностном слое корневых систем растений, которые выделяют специфические биологически активные вещества, а также с большей концентрацией опада и пожнивных остатков в верхнем слое (0–10 см), что способствует накоплению органических соединений, служащих источником питания для микроорганизмов, и приводит к высокой активности целлюлозоразлагающей микрофлоры. В то же время Н.А. Пегова [96] отмечает, что длительное применение безотвальной системы обработки дерново-подзолистой почвы, в сравнении с отвальной, повлекло за собой снижение активности целлюлозоразлагающих микроорганизмов на 1517 %, нитрифицирующей способности -на 6,5 % и увеличение гидролитической кислотности на 0,24 ммоль/100 г почвы.

Б.А. Смирнов с коллегами [74], проведя серию многолетних исследований, заключили, что системы энергосберегающей обработки на базе минимализации обеспечили усиление активности микрофлоры, разрушающей целлюлозу, при наибольших значениях в варианте с системой поверхностно-отвальной обработки почвы (37,52 %) за счет накопления и своевременного прерывания минерализации органических веществ, как в верхнем, так и в нижнем слоях пахотного горизонта, путем проведения периодической вспашки со сменой соответствующих условий для микроорганизмов: аэробных на анаэробные и наоборот. На темно-серой лесной среднесуглинистой почве при различных способах основной обработки Н.В. Беседин с коллегами [39] установили, что процент разложения льняной ткани по мелкой мульчирующей обработке составил 6,9 %, по вспашке - 6,0 %.

Л.Н. Кузнецова [97] при изучении на чернозёме типичном тяжелосуглинистом слабоэродированном на лессовидном суглинке различных систем обработки почвы (традиционной, на основе вспашки; минимальной, на основе культивации; Notill, без обработки) отмечает, что активность целлюлозоразлагающих микроорганизмов снижается с глубиной, и наибольший процент разложения полотна на всех вариантах опыта был в слое 0-10 см, объяснив это тем, что основная масса органического вещества находится в этом слое, а также в нем лучше аэрация, что благоприятно сказывается на аэробной микрофлоре. Также автор указывает, что на микробиологическую активность почвы влияет система земледелия: в слое 0–10 см при No-till данный показатель составил 25,7 %, что на 3,2 % выше, чем при минимальной, и на 7,0 % выше, чем при вспашке.

Н.Г. Захаров [98] выделяет, что на черноземе выщелоченном среднемощном среднесуглинистом наибольшая целлюлозоразлагающая активность почвы наблюдалась по отвальной и комбинированной обработкам, где распад льняного полотна в 0–30 см слое составил соответственно 29,5 и 27,5 %, объясняя это уменьшением плотности и улучшением аэрации. К аналогичным выводам пришли и другие исследователи. Так, П.А. Котяк и другие [99] на базе стационарного опыта на дерновосреднеподзолистой глееватой почве показали, что поверхностно-отвальная обработка (вспашка на 20–22 см с предварительным дискованием или лущением на 8– 10 см один раз в 4 года + однократная поверхностная обработка на 6–8 см в остальные 3 года) привела к увеличению целлюлозоразлагающей активности почвы по сравнению с ежегодной поверхностной системой обработки. По мнению авторов, это, вероятно, связано с лучшей аэрацией пахотного слоя. А.Ю. Москвичев и другие [100] отмечают наибольшее разложение льняной ткани в варианте с отвальной обработкой почвы. Г.Г. Касмынин [101] на черноземе выщелоченном заключил, что в вариантах с безотвальной, комбинированной и мелкой обработками в верхнем (010 см) слое интенсивность разложения целлюлозы сильная (от 51,4 % при комбинированной до 58,2 % при мелкой обработке), но в более глубоких слоях интенсивность разрушения целлюлозы по отвальной обработке больше. Н.В. Шевченко [102] на черноземе типичном определил влияние безотвальных обработок на целю-лозолитическую активность с тенденцией к повышению ее в верхнем (0–10 см) и существенным снижением в нижнем (20–30 см) слое - на 1,5-3,5% в сравнении со вспашкой, вследствие повышения концентрации пожнивных остатков в верхнем и увеличения плотности в нижних слоях. Е.Х. Нечаева и другие [28] делают вывод о более интенсивном разложении растительных остатков в слое 0–40 см по глубокой обработке почвы.

Г.В. Чуварлеева с коллегами [103] при проведении исследований в условиях центральной зоны Краснодарского края на черноземе выщелоченном по изучению влияния систем основной обработки почвы (традиционная, предусматривающая вспашку на глубину 22–25 см; минимальная мульчирующая с разуплотнением чизелем на глубину 30–32 см и минимальная мульчирующая, исключающая глубокие обработки) на ее биологическую активность на пропашных культурах севооборота (соя, кукуруза на зерно и подсолнечник) установили, что наиболее оптимальные условия для жизнедеятельности целлюлозоразрушающих микроорганизмов складываются при минимальной мульчирующей с разуплотнением системе основной обработки. Однако В.А. Гулидова [104] отмечает, что увеличение доли вспашки в севообороте с 22 до 45 % способствует усилению активности целлюлозоразлагающих микроорганизмов.

Как видно из приведенного анализа, некоторые авторы утверждают, что уменьшение интенсивности механической обработки почвы способствует усилению активности целлюлозоразлагающей микрофлоры в пахотном слое. Однако

Д.А. Селищев и другие [105] отмечают, что применение отвальной обработки на черноземе выщелоченном среднесуглинистом повысило целлюлозоразлагающую активность микрофлоры в слое 0–30 см, где степень разложения льняного полотна составила 31,4 %, при чизельной обработке уменьшилось до 26,2 %, а при дисковании - до 11,2 %. А.Э. Лощинина и А.А. Борин [106] на дерново-среднеподзолистой легкосуглинистой почве показали, что снижение интенсивности механического воздействия при плоскорезной и мелкой обработках, по сравнению с отвальной, ухудшало условия жизнедеятельности целлюлозоразлагающих микроорганизмов, снизив разложение льняного полотна при экспозиции 60 дней на 0,2 и 0,8 % соответственно. В то же время Н.В. Перфильев и О.А. Вьюшина [107] на темно-серой лесной тяжелосуглинистой почве установили, что комбинированная и дифференцированная системы обработки с периодическим оборачиванием верхнего слоя обеспечивали степень разложения льняного полотна на 15,1–20,2 % выше, чем при отвальной системе обработки. Г.С. Егорова и А.В. Тивелев [108], определив уровень биологической активности почвы в посевах подсолнечника по разным обработкам чернозёмных почв Волгоградской области, установили, что по отвальной вспашке (на 25 см) степень разрушения клетчатки в конце вегетации культуры достигала 29,2 %, по мелкой обработке (БДМ-4М на 10-12 см) - 27,1 %, при 30,8 % в варианте с мелкой обработкой + чизель (БДМ-4М + чизель 25-30 см).

Е.Н. Белоусова и А.А. Белоусов [109] при оценке влияния процесса перехода к минимальным технологиям обработки почвы на трансформацию органического вещества и участие в этих превращениях ферментов углеродного цикла показали, что на черноземе обыкновенном среднегумусном среднемощном тяжелосуглинистом при отвальной вспашке процесс окисления фенолов был достоверно интенсивнее в слое 0–10 см, а при безотвальных рыхлениях - в слое 10-20 см. Пероксидазная активность в большей степени откликалась на механическое воздействие, свидетельствуя о благоприятных условиях для гумификации растительного материала и накопления гумусоподобных веществ.

На основании вышеизложенного можно заключить, что одной из центральных проблем современной почвенной микробиологии является разработка методов направленного управления функционированием микроорганизмов с целью повышения плодородия почв. Решение этой задачи требует глубокого понимания взаимосвязей, проявляющихся в различных условиях среды между микробным сообществом и рядом факторов:

• -    степенью окультуренности почвы: внесение удобрений, обработка почвы, применение пестицидов и другие агротехнические мероприятия (оказывают существенное влияние на состав и активность микроорганизмов);

• -    физико-химическими свойствами почвы: pH, структура, доступность питательных веществ (играют ключевую роль в формировании микробного сообщества);

• -    особенностями возделываемых сельскохозяйственных растений: корневые выделения, тип корневой системы, биологическая фиксация азота (влияют на структуру и функционирование микробного сообщества в зоне корней).

Однако решение этой задачи сопряжено с рядом значительных трудностей:

• -    высокая динамичность биохимических процессов: в почве постоянно происходят сложные и взаимосвязанные процессы, такие как разложение органического вещества, минерализация питательных элементов, синтез биологически активных соединений. Скорость и направление этих процессов зависят от множества факторов и могут быстро меняться;

• -    гетерогенность и сложность структуры микробного сообщества: почвенный микробиом представляет собой чрезвычайно разнообразную и сложную экосистему, состоящую из сотен тысяч видов микроорганизмов;

• -    сложность среды обитания - почвы: почва - это гетерогенная среда с

переменными физико-химическими характеристиками. Неоднородность распределения питательных веществ, влаги и кислорода создает сложные условия для жизни микроорганизмов;

• -    изменчивость гидротермического режима: температура и влажность почвы сильно колеблются в зависимости от сезона, климатических условий и агротехнологии.

Таким образом, разработка методов направленного управления функционированием почвенных микроорганизмов требует комплексного подхода, включающего: глубокое изучение состава и функций микробного сообщества в различных условиях; разработку моделей, прогнозирующих реакцию микробного сообщества на изменения условий среды; создание новых агротехнологий, учитывающих особенности микробной экологии почвы. Решение этой задачи позволит не только повысить плодородие почв, но и обеспечить устойчивое развитие сельского хозяйства.