Изменение гумусного состояния пахотных почв Красноярского края под действием вермикомпоста

Введение. Для оценки почв интегральным показателем является гумус. И.В. Тюрин, внесший крупный вклад в развитие химии гумуса, показал, что географические закономерности гумусообразования проявляются в изменении их процентного содержания и запасов гумуса и азота, в профильном их распределении, в отношении C:N, а также в составе гумуса [10]. В пахотных почвах отмечается существенное изменение содержания гумуса и его качественного состава, оказывающее значительное влияние на ход почвенных процессов и, в первую очередь, на гумусообразование и биологическую активность. Ферментативная активность – важ- ное генетическое свойство почвы. Состояние ферментов в почве и их роль в почвообразовании определяется экологическими условиями. Поэтому имеется прямая связь ферментативной активности с факторами почвообразования. Она свидетельствует об интенсивности и направленности почвообразовательных процессов, изменении почв в результате естественных и антропогенных факторов. В разложении органического вещества почвенные беспозвоночные выполняют серию сложных функций. Они разлагают почти все химические компоненты отмерших остатков благодаря широкому спектру ферментов в пищеварительном тракте и симбиозу с микроорганизмами. Последние обусловливают каталитическую роль в процессах трансформации органического вещества. Экскременты беспозвоночных, в частности дождевых червей, образуют локусы повышения биологической активности в почвах, где процессы идут быстрее и многообразнее [3]. Описанные процессы заимствует у природы биотехнологический метод вермикомпостирования органических отходов с помощью дождевых червей. Готовый продукт – вермикомпост – является концентрированным биоудобрением, обладающим рядом уникальных свойств.

Цель исследования : изучить действие вер-микомпоста разных видов и доз на гумусное состояние красноярских почв – чернозема обыкновенного и агросерой почвы.

Объекты и методы исследования . Действие вермикомпоста изучалось в двух опытах – полевом и вегетационно-полевом. Полевой опыт проведен в землепользовании птицефабрики «Заря», расположенной в Емельяновском районе Красноярского края, в течение 2010– 2013 гг. на черноземе обыкновенном по следующей схеме:

• 1)    фон N60P30 – контроль;

• 2)    фон + вермикомпост (ВК) 5 т/га;

• 3)    фон + ВК 10 т/га.

Используемые в опыте минеральные удобрения (аммиачная селитра и аммофос) вносили в почву согласно схеме ежегодно, а вермиком-пост, произведенный на этой птицефабрике из птичьего помета в смеси с гидролизным лигнином, – однократно при закладке опыта в 2010 г. в севообороте: чистый пар – пшеница – пшеница – пшеница. Размер опытной делянки –

100 м2. Размещение рендомизированное. Исследования проводили в трехкратной повторности. Тестовой культурой служила яровая пшеница сорта Новосибирская 15. Почвенные образцы отбирали ежегодно перед посевом и после уборки урожая.

Чернозем обыкновенный характеризуется слабощелочной реакцией среды, высоким количеством гумуса, но низкой обогащенностью его азотом, средним содержанием подвижного фосфора и очень высоким – обменного калия, что является следствием обогащенности калием материнских пород тяжелого грансостава. Исследуемая почва насыщена основаниями и имеет высокую емкость катионного обмена [13].

Вегетационно-полевой опыт проведен на стационаре КрасГАУ в сосудах без дна диаметром 50 см. Объектами исследований являлись агросерая почва и разные виды вермикомпоста, полученные методом вермикомпостирования птичьего помета и разных отходов деревообрабатывающей промышленности (коры, гидролизного лигнина, опилок).

Агросерые почвы имеют широкое распространение в Красноярской лесостепи, занимают 1086,7 тыс. га (37 %) и наряду с черноземами составляют ее основной пахотный фонд. Известно [14], что в северной лесостепи доля аг-росерых почв составляет 46–60 %, а в южной – 11–25 %. Для этих почв характерно низкое содержание гумуса с преобладанием его фуль-ватных форм. Повышение содержания органического вещества является основным условием окультуривания серых лесных почв. Изначально агросерая почва, используемая в опыте, характеризовалась очень низким содержанием гумуса, в 0–20 см слое имела значение 2 %.

Разные виды вермикомпоста вносили в агро-серую почву в двух дозах – 3 и 6 т/га согласно схеме опыта: почва (без удобрений) – контроль; почва + вермикомпост на основе коры и птичьего помета (ВКк); почва + вермикомпост на основе гидролизного лигнина и птичьего помета (ВКгл); почва + вермикомпост на основе опилок и птичьего помета (ВКо). Повторность опыта – пятикратная. Размещение вариантов опыта – последовательное. Вермикомпост вносили в 2013 г. под рапс сорта Надежный 92, который выращивался на зеленую массу. Почвенные образцы отбирали осенью после уборки рапса и весной 2014 г. перед посевом пшеницы сорта Новосибирская 15 [9].

Химический анализ почвы в обоих опытах включал определение содержания углерода гумуса (С гум ) по И.В. Тюрину [1] и подвижного гумуса (С подв ), который определяли из одной навески последовательно: сначала углерод водорастворимый ( С ), а затем и углерод щелочногидролизуемый (С NaOH ) по И.В. Тюрину в модификации В.В. Пономаревой, Т.А. Плотниковой [7]. Вермикомпост исследован на каталазную активность газометрическим методом А.Ш. Галстяна, уреазную активность – экспресс-методом с разложением мочевины в чашках Петри [11].

Результаты исследования и их обсуждение. Органическое вещество почвы с позиций почвенного плодородия делят на подвижное, обеспечивающее эффективное плодородие, и стабильное, обусловливающее устойчивость плодородия, урожаев и свойств почв в многолетнем цикле. Подвижное органическое вещество рассматривается как сумма водорастворимых и щелочногидролизуемых гумусовых веществ.

На черноземе полевого опыта получены следующие результаты: при внесении ВК в дозе 10 т/га происходит повышение содержания С гум на 11 % к контролю, однако различия между удобренными вермикомпостом вариантами статистически не доказываются (табл. 1). Отмечается тенденция повышения углерода, экстрагируемого 0,1 н. щелочью, в удобренных верми-компостом вариантах. Содержание водорастворимого углерода достоверно увеличивается только в одном варианте (фон + ВК 10 т/га) в сравнении с контролем.

В составе органического вещества пахотных почв Красноярского края преобладает стабильный гумус (С стаб ) [12]. Результаты наших исследований подтверждают это. Во всех вариантах полевого опыта в структуре углерода органического вещества преобладает углерод стабильного гумуса, на долю которого приходится 85–86 %. Среди подвижных форм преобладают соединения, экстрагируемые 0,1 н. NaOH (13–14 %). Доля водорастворимых соединений не превышает 1 %.

Таблица 1

Среднее содержание углерода в различных категориях органического вещества чернозема обыкновенного (2010-2013 гг.), мг/100 г

Вариант опыта	Компонент органического вещества (в слое 0–20 см), мг / 100 г
	С гум	С NaOH	HO	С подв ( СHO + C NaOH )	С гк :С фк	С стаб
N60P30 (фон) – контроль	2594	338	27,8	366	0,9	2228
Фон + ВК 5 т/га	2759	348	26,4	374	1,1	2385
Фон + ВК 10 т/га	2870	397	31,1	428	0,8	2442
НСР 05	199	82	2,2	-	-	-

Структура углерода гумуса за исследуемый период во всех вариантах практически идентична, что объясняется сложностью и длительностью процессов гумусообразования. Тип гумуса на контроле и в варианте фон + ВК 10 т/га характеризуется как гуматно-фульватный, а в варианте фон + ВК 5 т/га меняется на фульватно-гуматный (рис. 1).

Контроль

CNaOH

CH2O

Сстаб

Рис. 1. Структура углерода органического вещества чернозема обыкновенного, мг/100 г

Результаты микрополевого опыта показали увеличение содержания С подв во всех удобренных вермикомпостом вариантах по отношению к контролю (табл. 2). Под действием ВК содержание С подв возросло в 1,4–2,0 раза в зависимости от вида ВК и дозы внесения. Содержание С – динамичный показатель, с этим может быть связано высокое варьирование в трех вариантах.

Максимальное количество щелочногидролизуемых соединений накапливается в агросерой почве при внесении ВКк и превышает контроль в 2–2,2 раза. Среднее варьирование этого показателя во всех удобренных вариантах опыта свидетельствует о достоверности полученных результатов.

Таблица 2

Статистические параметры содержания углерода подвижных гумусовых веществ в агросерой почве под действием вермикомпостов

Вариант опыта		с H 2 O			C NaOH			C подв ( С   + H 2 O C NaOH )
		мг/100 г		%	мг/100 г		%
		M	± m	V	M	± m	V
Контроль (без удобрения)		26	3	26	60	24	56	86
ВКк	3 т/га	40	11	64	131	5	8	171
	6 т/га	45	6	28	120	12	14	165
ВКгл	3 т/га	43	3	17	76	8	18	119
	6 т/га	36	3	21	84	14	29	120
ВКо	3 т/га	42	10	50	100	21	37	142
	6 т/га	36	9	56	108	14	22	144

Здесь и далее: M – среднее значение, m – стандартная ошибка, V – коэффициент вариации.

Содержание гумуса в удобренных вариантах повысилось по сравнению с контрольным вариантом на 2–24 %. В большей степени на этот показатель повлияло внесение ВКк в агросерую почву в дозе 6 т/га. Низкие значения стандарт- ной ошибки и коэффициента вариации свидетельствуют о достоверности полученных показателей (табл. 3). Увеличение стабильной части гумуса произошло на 2–18 %.

Таблица 3

Вариант опыта		Гумус общ , %			С гум ,	С стаб ,
		M	± m	V	мг/100 г
Контроль (без удобрения)		1,8	0,03	3	1048,3	962,6
ВКк	3 т/га	2,0	0,06	5	1152,5	981,0
	6 т/га	2,2	0,19	14	1302,0	1136,6
ВКгл	3 т/га	2,0	0,06	5	1177,0	1058,2
	6 т/га	2,0	0,18	15	1180,0	1059,9
ВКо	3 т/га	1,8	0,04	4	1068,3	925,9
	6 т/га	2,0	0,09	8	1151,7	1007,6

Содержание гумуса в агросерой почве под действием внесенного вермикомпоста

На рисунке 2 представлена структура органического вещества агросерой почвы по вариантам опыта. Содержание стабильного гумуса в агросерой почве преобладало: 85–92 % в зависимости от варианта опыта.

Как видно из рисунка 2, внесение вермиком-поста способствовало увеличению доли подвижного органического вещества в общей структуре органического вещества, что подтвержда- ется высокими урожаями рапса на удобренных вариантах. Доля подвижного гумуса в агросерой почве возросла с 8 %, отмеченных на контроле, до 10–15 % в удобренных вариантах.

В составе подвижного гумуса преобладают щелочногидролизуемые соединения (7–12 %), доля водорастворимых составляет 2–4 % в зависимости от варианта опыта.

■ Сстаб

■ CH2O

■ CNaOH

б

Рис. 2. Структура органического вещества агросерой почвы под действием разных видов вермикомпоста: а – контроль; б – ВКк; в – ВКгл;

г – ВКо (слева – доза 3 т/га, справа – 6 т/га)

Соотнося результаты двух опытов, прослеживается общая закономерность – тенденция к увеличению доли подвижных гумусовых веществ. В основных процессах гумификации почв участвуют ферменты, относящиеся к классам гидролаз и оксидоредуктаз – уреаза, фосфатаза, каталаза и др. Для объяснения причин усиления биологической активности почв были исследованы виды вермикомпоста, используемые в опытах, на активность двух ферментов – каталазы и уреазы. Каталаза катализирует окислительно-восстановительную реакцию разложения перекиси водорода в почве. Результаты показали, что степень обогащенности каталазой исследуемых видов вермикомпоста по шкале Д.Г. Звягинцева [5] оценивается как бедная (табл. 4), что предположительно связано с потерей ферментативной активности в результате длительного хранения. Этому находится подтверждение в работах Н.В. Раськовой и Д.Г. Звягинцева, которые отмечали значительную потерю (40–80 %) активности многих ферментов в почве при высушивании и хранении образцов [8]. В то же время О.Н. Забелина, ссылаясь на учебники О.С. Безугловой и В.Ф. Валькова, утверждает, что «ферменты демонстрируют высокую устойчивость даже при длительном хранении» [4].

Каталазная активность вермикомпостов

Таблица 4

Показатель	ВКк	ВКгл	ВКо
Активность каталазы, мл O 2 / 5 мин / 1 г	6,5	4,5	5,8

Разложение органических азотистых соединений в основном осуществляется при непосредственном участии внеклеточных ферментов. Активность уреазы – один из важнейших показателей биологической активности почв. Известно, что активность уреазы находится в прямо пропорциональной зависимости от количества органического углерода в почве. В качестве показателя уреазной активности рассматривается величина времени увеличения щелочности паров, находящихся в равновесии с почвой в присутствии мочевины. Уреаза, обладая строгой специфичностью, катализирует распад мочевины на аммиак и углекислоту. Исследование уреазной активности показало разные ре- зультаты по каждому виду вермикомпоста. Это согласуется с данными московских исследователей, изучавших спектр жирных кислот в ко-пролитах червей Eisenia fetida, растущих на различном корме, и доказавших, что состав микробного сообщества кишечника дождевых червей Eisenia fetida напрямую зависит от субстрата, в котором они живут и размножаются [2, 6]. Уреазная активность наиболее высока в образцах вермикомпоста на основе гидролизного лигнина и птичьего помета, где уже через 2 ч. установилось значение pH около 7,5. В образцах ВКо и ВКк процесс разложения карбамида происходил чуть медленнее (табл. 5).

Уреазная активность вермикомпостов

Таблица 5

Образец вермикомпоста	Время экспозиции, ч	рН индикаторной полоски
ВКк	2,5	≈7,5
ВКгл	2	≈7,5
ВКо	2,5	≈7,5

Выводы. Агросерая почва более отзывчиво реагирует на внесение вермикомпоста. Общее содержание гумуса возрастает на 2–24 %. Доля водорастворимого органического углерода в агросерой почве возросла до 3–4 %, тогда как на черноземе не превысила 1 %. Доля подвижного органического вещества агросерой почвы возрастает с 8 %, отмеченных на контроле, до 10–15 % в удобренных вариантах.

Максимальному увеличению С подв способствует внесение вермикомпоста, приготовленного на основе коры и птичьего помета, причем, в обеих дозах. Доля С подв чернозема обыкновенного сохранилась на уровне 14–15 %.

В целом внесение разных видов и доз вер-микомпоста улучшает гумусное состояние пахотных почв Красноярской лесостепи, содержание гумуса и его подвижных форм увеличивается в связи с активизацией биологических процессов в почве ферментами, содержащимися в вермикомпостах.