Оценка биологического качества органического вещества в структурных агрегатах чернозема выщелоченного в условиях минимизации обработки

Введение. Особая роль в повышении эффективного плодородия пахотных почв отводится лабильной и трансформируемой части органического вещества почвы, так как она непосредственно участвует в обеспечении растений элементами питания и в процессах образования агрономически ценной структуры почвы, определяющей физические условия почвенного плодородия [1–4]. В настоящее время исследователи проявляют большой интерес к проблеме физической стабилизации органического углерода (С орг ) в почве, выявлению взаимосвязей между органическими компонентами почвы и агрегацией ее твердой фазы. Органическое вещество служит связующим материалом и ядром формирующихся агрегатов, а сами агрегаты считаются основным местом аккумуляции С орг в почве [4, 5]. Чрезвычайно важны также биологические функции органического вещества почвы. Поэтому наряду с физическими и химическими свойствами органического вещества следует рассматривать и его биологическое качество [6– 10]. Основным критерием биологического качества органических веществ является эффективность их минерализации, которая оценивается по интенсивности образования С-СО 2 .

Цель исследования – оценить биологическое качество почвенных агрегатов разного размера в слоях 0–5 и 5–20 см чернозема выщелоченного в условиях минимизации обработки.

Объекты и методы. Экспериментальные исследования проведены в Красноярском природном округе на земельных площадях СПК «Ши-линское» Сухобузимского района. Влияние способов обработки почвы на биологическое качество структурных агрегатов изучали в 2014 г. В пределах производственных посевов были выделены реперные участки площадью 500 м2. С каждого из них отбирали почвенные образцы из слоев 0–5 и 5–20 см методом змейки. Объем выборки (n = 15) рассчитывали исходя из определенной до проведения опыта величины варьирования почвенного плодородия. Объект исследований – чернозем выщелоченный многогумусный мощный легкоглинистый на коричневой глине. Рельеф участка выровнен, с микрозападинами. Почвенный покров опытного стационара характеризовался высоким содержанием гумуса (8,9 %), близкой к нейтральной величиной рН водной вытяжки (6,8), высокими значениями суммы обменных оснований (60 ммоль/100 г почвы) и степени насыщенности основаниями (99 %).

Схема полевого опыта представлена следующими вариантами: 1) отвальная вспашка; 2) минимальная обработка; 3) нулевая обработка (прямой посев). Отвальную основную обработку осуществляли на глубину 20–22 см, посев яровой пшеницы проводили комбинированным агрегатом – стерневой сеялкой СС-6 с одновременным припосевным внесением нитроаммофоски. Минимальную обработку почвы проводили дисковыми горизонтальными сошниками на глубину 4–5 см и посев яровой пшеницы с помощью посевного комплекса СКС-3,2 с одновременным внесением нитроаммофоски. Нулевая технология заключалась в трехкратной обработке баковой смесью из гербицидов «Топик» и «Ковбой», фунгицида «Альто Супер» и инсектицида «Карате». Посев проводился комбинированным агрегатом СС-6 без предварительной подготовки почвы с механическим высевом семян. Оценку биологического качества органического вещества почвы осуществляли по В.М. Семенову [6]. Навески почв (50 г) каждой структурно-агрегатной фракции воздушно-сухой массы помещали в специальные емкости, конструкция которых позволяет улавливать СО2 щелочью при постоянном и естественном газообмене между почвой и атмосферой в течение инкубации. Добавляли по 20 мл дистиллированной воды и устанавливали приемники, содержащие 0,1 н. раствор NaOH. В начале опыта выделяющийся из почвы С-СО2 учитывали с экспозицией 1 сутки, а впоследствии через каждые 1, 3 или 5 сут. Количество поглощаемого щелочью С-CO2 определяли титрованием 0,2 н. HCl. Продолжительность инкубации – 10 сут (оперативная диагностика). Химические и физико-химические показатели определены по Л.А. Воробьевой [11]. Почвенные образцы, отобранные из слоев 0–5 и 5–20 см, просеивали при естественной влажности по методу Н.И. Савви-нова. Размеры структурных агрегатов, отобранных для исследования: > 10, 10–7, 7–5, 5–3, 3–2, 2–1 и < 1 мм.

Повторность – трехкратная. Температура воздуха в течение всего периода наблюдений составляла 22±1 °С. Устанавливали скорость продуцирования и кумулятивное количество (нарастающим итогом) выделившегося С-СО2 в разные промежутки с начала инкубации. Статисти- ческий анализ данных проводился с использованием пакета программ MS Excel.

Результаты и их обсуждение. Свое внимание сосредоточили на одном из основных критериев биологического качества органического вещества почвы – интенсивности образования C-CO 2 . В предложенном В.М. Семеновым и др. [6] методе оценки первые 1–2 недели измерений являются оперативной диагностикой качества органического вещества. Авторы утверждают, что скорость продуцирования углекислого газа разными структурными отдельностями почвы на протяжении их инкубации дает представление о доступности почвенным микроорганизмам физически защищенного органического вещества. Причем кумулятивное его количество свидетельствует о запасах в почве потенциально минерализуемого органического вещества. Информация, представленная на рисунке 1, демонстрирует наиболее высокую обогащенность легкоминерализуемым органическим веществом верхнего 0–5 см слоя почвы в условиях минимальной обработки. Здесь же наблюдались более достоверные различия между фракциями агрегатов по уровню продукции С-СО 2 .

А                        Б                        В

*- здесь и далее

----->10  --- —10-7 —-*—-7-5  ^^^—5-3

—■—3-2  — • 2-1  —^—<1

Рис. 1. .Динамика кумулятивного продуцирования С-СО 2 структурными агрегатами в слое 0–5 см при отвальной (А), минимальной (Б) и нулевой (В) обработках (сроки – дни экспериментов)

При прямом посеве в верхнем слое сосредоточивались растительные остатки с широким отношением C:N, содержащие в том числе и растворимые фракции лигнина, целлюлозы и полифенолов [3]. Как следствие, скорость продуцирования в почве данного варианта проходила медленней. Весьма вероятно, что физическое предохранение органического вещества в макроагрегатах обеспечивалось уменьшением диффузии кислорода внутрь педа, пространственным разделением мест обитания микроорганизмов и микрофауны [4]. Оценивая минерали-зационную способность структурных фракций на разных фонах обработки, выделим основные закономерности (табл. 1).

Таблица 1

Интенсивность продуцирования СО 2 структурными агрегатами в слое 0–5 см, мг/100 г

Размер агрегатов, мм	Отвальная					Минимальная					Нулевая
	Срок инкубации, сут
	1	2	3	4	5	1	2	3	4	5	1	2	3	4	5
>10	63	61	55	99	59	–	105	127	31	36	61	72	100	63	92
10-7	70	63	59	97	59	133	99	119	22	33	70	62	99	65	94
7-5	70	58	57	96	55	121	91	118	23	35	63	64	101	60	93
5-3	67	58	55	93	50	117	95	119	24	31	62	75	99	57	89
3-2	61	51	51	89	50	125	95	109	21	29	60	54	101	59	87
2-1	67	56	57	97	55	142	96	109	26	36	68	59	97	62	90
<1	70	61	53	93	53	126	95	111	26	32	65	67	97	61	91
НСР 05	*	7	*	*	*	8	5	*	*	*	*	*	*	*	*

* p > 0,05.

Использование поверхностного дискования обусловило существенные отличия между агрегатами по интенсивности продуцирования углекислоты в начальные периоды инкубации. На наш взгляд, это связано с размерами агрегатов и, соответственно, с уровнем пространственной недосягаемости разлагаемого субстрата микроорганизмами. Например, минимальное кумулятивное количество выделяющегося С-СО 2 выявлено в агрегатах размером 3-2 мм, а наибольшее в агрегатах >10 мм. Вероятно, между крупными отдельностями локализовывались более крупные поры и органическое вещество, находящееся на периферии таких агрегатов, становилось легкодоступным для диффузии

Таблица 2

Оценка вклада факторов в изменение биологического качества органического вещества чернозема выщелоченного, 0–5 см

Факторы	ПСВ, %
1. Варианты (размер агрегатов)	2
2. Способ обработки	92
3. Взаимодействие	1
4. Ошибка	5

По нашему мнению, обработка существенно преобразовывала качественный состав органического вещества структурных педов вне зависимости от их размера. Вероятно, технология неглубокого дискования с оставлением стерни на поверхности способствовала, с одной стороны, обогащению почвы кислородом, с другой – кислорода, что приводило к усилению процессов окисления. В агрегатах 2-1 и <1 мм скорость минерализации была выше, чем 3-2 мм, что обусловлено большей удельной поверхностью первых, а следовательно, повышенной адсорбцией микроорганизмов. На фоне применения отвальной и нулевой обработок структурные агрегаты почвы существенно не отличались по скорости продуцирования углекислого газа.

Анализ степени влияния исследуемых факторов (ПСВ – показатель силы влияния) на ми-нерализационную активность почвы показал, что статистически значимый вклад вносил способ обработки почвы (табл. 2).

концентрированию лабильного органического вещества в периферийной части агрегатов. В слое 5–20 мы наблюдали существенные различия в интенсивности продуцирования углекислого газа в сравниваемых технологиях обработки (рис. 2).

А

Б

Рис. 2. Динамика кумулятивного продуцирования С-СО 2 структурными агрегатами в слое 5–20 см при отвальной (А), минимальной (Б) и нулевой (В) обработках (сроки – дни экспериментов)

Интенсивность образования углекислого газа была максимальна в структурных агрегатах при использовании отвальной обработки. При использовании минимальных обработок параметры биологического качества органического ве- щества между структурными агрегатами не имели существенных различий, тогда как применение отвального плуга существенно влияло на их минерализационную активность (табл. 3).

Таблица 3

Размер агрегатов, мм	Отвальная					Минимальная					Нулевая
	Срок, сут
	1	2	3	4	5	1	2	3	4	5	1	2	3	4	5
>10	150	91	141	35	35	–	105	127	30	30	51	59	83	53	77
10-7	169	131	160	73	56	133	99	118	27	33	58	51	83	54	78
7-5	162	77	115	52	42	121	91	118	22	41	53	46	84	50	77
5-3	145	83	148	45	45	117	95	119	24	34	52	68	83	48	74
3-2	170	51	131	63	8	125	95	108	20	33	50	47	84	49	72
2-1	150	73	155	47	9	142	96	109	26	37	56	49	80	52	75
<1	91	16	101	28	7	126	95	111	26	26	54	49	80	51	75
НСР 05	18	23	34	27	15	10	6	*	*	5	*	6	*	*	*

* p > 0,05.

Интенсивность продуцирования СО 2 структурными агрегатами в слое 5–20 см, мг/100 г

Выявлено, что наибольшей скоростью минерализации отмечались агрегаты размером 10-7 и 3-2 мм, наименьшей – агрегаты <1 мм. По аналогии с почвенным слоем 0–5 см анализ степени влияния исследуемых факторов на ми- нерализационную активность почвы слоя 5– 20 см показал значимый вклад «способа обработки почвы» в параметры биологического качества органического качества (табл. 4).

Таблица 4

Оценка вклада факторов в изменение биологического качества органического вещества чернозема выщелоченного, 5–20 см (июль 2014 г.)

Факторы	ПСВ, %
1. Варианты (размер агрегатов)	10
2. Способ обработки	64
3. Взаимодействие	16
4. Ошибка	10

Таким образом, в слоях 0–5 см влияние «способа обработки почвы» составляло более 80 %, а на глубине 5–20 доля воздействия фактора снижалась до 60 %. Размеры агрегатов, напротив, с глубиной повышали степень своего участия в биохимических процессах.

Заключение

• 1.    В условиях минимальной обработки структурные агрегаты чернозема выщелоченного в целом демонстрируют высокое биологическое качество органического вещества изученных слоев почвы по данным оперативной диагностики.

• 2.    Наибольшей скоростью минерализации органического вещества в условиях минимальной обработки характеризовался поверхностный слой почвы.

• 3.    Максимальная интенсивность образования углекислоты выявлена в структурных фракциях почвы на разных фонах обработках в агрегатах размером 10-7 и 7-5 мм.