Содержание и запасы подвижных гумусовых веществ в агрочерноземе при применении микроводорослей на яровой пшенице

делия и сохранение плодородия почв. В последние десятилетия у сельскохозяйственных производителей резко снизились объемы агротехнических и биологических мероприятий, что привело к неудовлетворительному состоянию сельскохозяйственных угодий в стране. Экологизация сельского хозяйства и внедрение методов биологизации, направленных на восстановление органического вещества в почвах, становятся неотъемлемыми элементами решения этой проблемы. Один из перспективных методов – восстановление почвенных экосистем на сельскохозяйственных угодьях, повышение плодородия и продуктивности агроценозов за счет применения биопрепаратов [6]. В настоящий период появились инновационные возможности создания органических удобрений нового поколения на основе микроводорослей.

Самыми многочисленными представителями природных микробиомов являются зеленые водоросли и цианобактерии. Их отличает уникальная устойчивость в широком диапазоне эколо- гических и климатических условий, быстрое восстановление жизнеспособности после неблагоприятных условий и высокая продуктивность [7]. Огромную популярность в биотехнологиях приобрели представители родов Chlorella и Arthrospira [8]. Исследованиями [9] подтверждено позитивное влияние альголизации на состояние почв. Прежде всего это проявляется в накоплении органического вещества благодаря выделяемым метаболитам и отмирающей биомассе клеток. Микроводоросли как источник органического вещества конкурируют с высшими растениями, поскольку скорость их фотосинтеза примерно в 10–50 раз выше [10]. Сложное строение клеточной стенки хлореллы делает органическое вещество погибших клеток медленно разлагающимся, тем самым консервируя углерод в почве [11]. Клетки Chlorella и Arthrospira состоят из органических соединений с высоким содержанием белка и витаминов 86 и 64,5 % соответственно [12]. Органические вещества в почвах – ресурс для развития гетеротрофных микроорганизмов, деятельность которых приводит к постепенной минерализации и высвобождению доступных высшим растениям форм азота и фосфора [13].

Цель исследования – установить действие биопрепаратов с микроводорослями Chlorella vulgaris и Arthrospira platensis на содержание и запасы подвижных гумусовых веществ в агрочерноземе при возделывании яровой пшеницы.

Объекты и методы. Исследования проведены в полевом опыте в 2022–2023 гг. в учебноопытном хозяйстве Красноярского государственного аграрного университета «Миндерлинское» в Красноярской лесостепи на агрочерноземе глинисто-иллювиальном типичном. Почва опытного участка характеризовалась высоким содержанием гумуса (7,1–7,8 %), очень высокой суммой обменных оснований (48,2–57,5 ммоль/100 г) и нейтральной реакцией почвенного раствора (рНН 2 О – 6,6–6,9). В агроценозе яровой пшеницы сорта Новосибирская 31, возделываемой по чистому пару, применялись биопрепараты на основе микроводоросли Chlorella vulgaris и цианобактерии Arthrospira platensis в виде суспензии и гранул.

Схема опыта: 1 – контроль; 2 – Chlorella vulgaris (1 % раствор); 3 – Chlorella vulgaris (гранулы); 4 – Chlorella vulgaris + Arthrospira platensis (гранулы); 5 – Arthrospira platensis (гранулы). Гранулы вносились в почву при посеве яровой пшеницы. Обработка вегетирующих посевов 1 % раствором суспензии Chlorella vulgaris проводилась в период кущения и цветения пшеницы в баковых смесях со средствами химической защиты растений. Норма расхода рабочей жидкости составляла 300 л/га. Химическая защита культуры включала протравливание семян препаратом «Алькасар, КС» (0,75 л/т); обработку посевов гербицидами «Элант-Премиум» (0,5 л/га), «Сталкер» (12 г/га) и «Тайпан» (0,35 л/га); фунгицидом «Зенон Аэро» (1,2 л/га) и инсектицидом «Цунами» (0,2 л/га). Общая площадь опытных делянок – 200 м2, учетная – 100 м2. Повторность опыта 4-кратная, расположение делянок – систематическое. Отбор почвенных образцов проводился в слоях 0–20 см и 20–40 см в период июнь – сентябрь и был приурочен к основным фазам развития яровой пшеницы. В образцах почвы определяли: влажность термовесовым методом, общий углерод гумуса по Тюрину; водорастворимые соединения гумуса (Сн2о) методом бихроматной окисляемости по Тюрину; щелочегидролизуемые соединения гумуса (СNaOH) по И.В. Тюрину в модификации В.В. Пономаревой и Т.А. Плотниковой. Статистический анализ результатов проводили с использованием стандартного программного пакета Ms Excel.

Результаты и их обсуждение. Сезонная и многолетняя динамика содержания гумуса и его подвижных компонентов определяет цикличность процессов гумусообразования и является одним из самых очевидных показателей жизнедеятельности экосистемы. Многообразие экологических условий функционирования почв, характера их использования, особенностей культур и применяемых технологий является фактором сезонной динамики углерода гумуса и его подвижных компонентов [14].

Погодные условия 2022 г. характеризовались как теплые и влагообеспеченные, с неравномерным выпадением осадков. Вегетационный сезон 2023 г. был теплым и засушливым, с ГТК 0,6–0,9, что отразилось на сезонной динамике гумусовых веществ. Динамика процессов трансформации водорастворимых соединений гумуса имела различный характер и протекала с переменной интенсивностью в зависимости от формы применения биопрепаратов и гидротермических условий вегетационных сезонов. Водорастворимые соединения углерода варьировали в 0–40 см слое почвы от фазы всходов яровой пшеницы до ее уборки с интенсивностью от 7 до

35 % (табл. 1). Общей закономерностью динамики содержания Сн2о в 0–20 см слое агрочернозема во влажный и теплый вегетационный сезон 2022 г. являлось увеличение его концентрации в почвенном растворе к периоду цветения яровой пшеницы и постепенное снижение к августу. Увеличение содержания углерода водорастворимого гумуса в июле связано с увеличением интенсивности пополнения блока почвенной мортмассы в этот период за счет частичного отмирания корней и надземных частей растений. В подпахотном 20–40 см слое агрочернозема ход сезонной динамики углерода водорастворимого органического вещества был несколько иным. Пополнение почвенного раствора водорастворимой фракцией углерода в июльский период не было выявлено. В засушливые летние месяцы 2023 г., особенно в начале роста и развития яровой пшеницы, не отмечалось существенного обновления пула водорастворимого углерода в почве. Значительное увеличение концентрации Сн2о (до 37– 40 мг С/100 г почвы) отмечалось в пахотном и подпахотном слое только в период созревания яровой пшеницы. Пополнение запасов влаги в агрочерноземе способствовало усилению минерализации водорастворимого углерода и снижению его количества в почве (r = –0,47… –0,48), что согласуется с исследованиями [15]. Авторами установлено, что ход сезонной динамики водорастворимого углерода гумуса в агрочерноземе под одновидовыми и бинарными посевами эспарцета был на 53–66 % сопряжен с влажностью почвы. О.А. Власенко [16] различия в запасах водорастворимого органического вещества в агроценозах кукурузы и подсолнечника связывает с влажностью почвы и предполагает, что часть водорастворимых гумусовых веществ может вымываться из почвы и участвовать в процессах дальнейшей трансформации органического вещества при активном участии микроорганизмов. В конце вегетации запасы углерода водорастворимого гумуса, как правило, снижаются в агроэкосистемах из-за увеличения количества осадков и снижения активности микрофлоры.

Таблица 1

Статистические параметры содержания Сн 2 о в агрочерноземе, мг С/100 г Statistical parameters of Cn2o content in agricultural soil, mg C/100 g

Вариант (фактор А)	Год (фактор В)
	2022		2023
	Xср	Cv, %	Xср	Cv, %
0–20 см
Контроль	23,8	32	31,3	35
C. vulgaris (1 % раствор)	32,1	20	29,7	17
C.vulgaris (гранулы)	26,3	17	27,9	26
C. vulgaris + A. platensis (гранулы)	25,1	32	28,9	19
A. platensis (гранулы)	26,4	7	30,9	24
p А = 0,0030*; p В = 0,0000*; p АВ = 0,0035*
20–40 см
Контроль	29,0	17	28,8	11
C. vulgaris (1 % раствор)	25,5	28	29,6	27
C. vulgaris (гранулы)	24,5	17	31,6	11
C. vulgaris + A. platensis (гранулы)	26,4	33	26,7	27
A. platensis (гранулы)	27,0	17	27,3	10
p А = 0,0744; p В = 0,0002*; p АВ = 0,0005*

Содержание водорастворимого углерода в агрочерноземе контрольного варианта оценивалось величиной 24–31 мг С/100 г в 0–40 см слое. Применение биопрепаратов с микроводорослями в виде фолиарной обработки посевов и гранул при посеве в технологии возделывания яровой пшеницы определило достоверное повышение по сравнению с контролем концентрации Сн2о до 25–32 мг С/100 г в 0–20 см слое почвы (p = 0,0030). Дефицит осадков в вегета- ционный сезон 2023 г. не способствовал пополнению фракции водорастворимого углерода в почве (p = 0,0744).

Оценка содержания водорастворимого углерода в агрочерноземе под посевами яровой пшеницы показала, что поступление гранул Chlorella vulgaris в чистом виде и в смеси Arthrospira platensis в почву с семенами усиливало процессы минерализации этого компонента гумуса (27 мг С/100 г) (рис. 1).

Рис.1. Содержание Сн2о (мг С/100 г) в агрочерноземе на вариантах опыта (2022–2023 гг.):

1 – контроль (химическая защита – фон); 2 – C. vulgaris (1 % раствор); 3 – C. vulgaris (гранулы);

4 – C. vulgaris + A. platensis (гранулы); 5 – A. platensis (гранулы)

Content of СН 2 О (mg С/100 g) in agrochernozem in experimental variants (2022–2023): 1 – control (chemical protection – background); 2 – C. vulgaris (1% solution); 3 – C. vulgaris (granules); 4 – C. vulgaris +

A. platensis (granules); 5 – A. platensis (granules)

Увеличение содержания подвижного водорастворимого углерода в почве до 30–29 мг С/100 г выявлено при фолиарной обработке вегетирующих посевов яровой пшеницы и внесении гранул Arthrospira platensis в почву. В наибольшей степени это происходило в поверхностном 0–20 см слое агрочернозема. Максимальная доля Сн 2 о от Сгумуса, достигающая 0,63 и 0,68 %, отмечена при применении 1 % раствора Chlorella vulgaris и гранул Arthrospira platensis в технологии возделывания яровой пшеницы.

Гумусовые вещества, извлекаемые из почвы 0,1 н. раствором NаОН, наиболее подвержены трансформации при агрогенном использовании почв. Щелочегидролизуемые соединения углерода в почве представлены фенольными гидроксилами, амино- и амидогруппами, обогащенными водородом и азотом. Эти соединения, составляющие периферическую часть гумуса, быстро подвергаются минерализации и служат основным источником для образования гумусовых веществ [17].

Сезонная динамика щелочегидролизуемого углерода в агрочерноземе по годам исследова- ний имела различную направленность, что обусловлено особенностями погодных условий и наличием в почве лабильного органического вещества предшествующих культур севооборота. В вегетационный сезон 2022 г. в поверхностном 0–20 см слое почвы отмечались два пика накопления СNаОН (500–603 мг С/100 г) на всех вариантах опыта. Они приходились на июльский и сентябрьский периоды и обусловлены процессами прироста и деструкции растительного вещества. В подпахотном 20–40 см слое почвы значительный прирост щелочегидролизуемого углерода в почве отмечался в период молочной и полной спелости яровой пшеницы. Максимальных значений (523–560 мг С/100 г) он достигал при применении Chlorella vulgaris в качестве суспензии по вегетирующим растениям и при внесении этой микроводоросли в почву в виде гранул. Особенностью вегетационного сезона 2023 г. с превышением среднемноголетней температуры воздуха на 2–3 °С и дефицитом осадков в летние месяцы являлось накопление щелочегидролизуемой фракции углерода в аг- рочерноземе в период июль – август. Эта закономерность проявлялась в 0–40 см слое почвы на контрольном варианте и на вариантах с применением Chlorella vulgaris в виде суспензии и гранул. Известно, что интенсивное пополнение запасов периферической части гумусовых веществ в условиях Красноярской лесостепи протекает в начале и середине лета, когда высока активность почвенной микрофлоры. Факторами, определяющими процессы трансформации органического вещества, являются количество растительного опада, наличие доступной влаги и кислорода в почве. Исследованиями, выполненными на черноземах Красноярской лесостепи, установлено, что при значительном снижении осадков и возрастании температуры происходит увеличение концентрации щелочегидролизуемого углерода гумуса за счет увеличения концентрации гуминовых кислот [18].

В случае применения гранул Arthrospira platensis в чистом виде и в смеси с Chlorella vulgaris в условиях полевого опыта отмечалось снижение концентрации СNаОН в почвенном растворе до 408–504 мг С/100 г почвы при относительно стабильной динамике показателя в течение периода наблюдений (Сv = 6–12 %). Подобная закономерность, на наш взгляд, обусловлена физиологическими особенностями сине-зеленых водорослей или цианобактерий. Цианобактерии представляют собой группу фотосинтезирующих, фиксирующих азот бактерий, которые живут и активно функционируют преимущественно во влажных местообитаниях. Таким образом, дефицит влаги в почве в вегета- ционный сезон 2023 г. не способствовал усилению биологической активности почвы в присутствии микроводорослей Arthrospira platensis и пополнению почвенного раствора подвижными компонентами гумуса. В этих условиях возможен и другой механизм влияния цианобактерий Arthrospira platensis на гумусное состояние почвы. Он связан с углерод-концентрирующим механизмом, который позволяет им создавать большие концентрации углерода в клетке. Анализ корреляционной зависимости между содержанием гидролизуемых 0,1 н щелочью гумусовых соединений и влажностью 0–40 см слоя почвы показал, что между изучаемыми параметрами в их сезонной динамике обнаруживается прямая средняя зависимость (r = 0,42– 0,47). При влажности агрочернозема в интервале 30–32 % формировалась максимальная обо-гащенность почвы СNаОН, достигающая 603– 656 мг С/100 г.

Агроценозы яровой пшеницы функционировали на почве с содержанием щелочегидролизуемых соединений углерода, существенно отличающимся по вариантам опыта и годам исследований (p = 0,0000) (табл. 2). Теплые и влажные условия вегетационного сезона 2022 г. способствовали пополнению пула щелочегидролизуемого углерода только при применении 1 % раствора суспензии Chlorella vulgaris по вегетирующим растениям. По сравнению с контрольным вариантом здесь отмечалось увеличение концентрации С NаОН на 5–28 % в слое 0– 40 см.

Таблица 2

Вариант (фактор А)	Год (фактор В)
	2022		2023
	Xср	Cv, %	Xср	Cv, %
1	2	3	4	5
0–20 см
Контроль	476,6	22	645,0	15
C. vulgaris (1 % раствор)	498,2	15	636,1	10
C. vulgaris (гранулы)	440,1	14	563,7	19
C. vulgaris + A. platensis (гранулы)	442,8	18	464,5	6
A. platensis (гранулы)	434,3	17	442,3	6
p А = 0,0000*; p В = 0,0000*; p АВ = 0,0058*

Окончание табл. 2

1	2	3	4	5
20–40 см
Контроль	392,1	7	614,7	18
C. vulgaris (1 % раствор)	501,2	16	606,7	11
C. vulgaris (гранулы)	472,0	11	598,1	15
C. vulgaris + A. platensis (гранулы)	410,5	17	450,1	10
A. platensis (гранулы)	393,5	17	424,4	12
p А = 0,0000*; p В = 0,0000*; p АВ = 0,0001*

Статистические параметры содержания С NаОН в агрочерноземе, мг С/100 г

Statistical parameters of C NaOH content in agrochernozem, mg C/100 g

В наибольшей степени процесс минерализации охватывал щелочегидролизуемые соединения гумуса в вегетационный сезон 2023 г. при поступлении микроводорослей в агроценоз пшеницы. Полученные результаты отразились на значениях содержания СNаОН в среднем за период наблюдений (рис. 2). Установлено, что опрыскивание растений суспензией Chlorella vulgaris определяло уровень содержания щело- чегидролизуемого подвижного углерода в почве, близкий к контрольному варианту в слое 0– 20 см (561–557 мг С/100 г). В слое 20–40 см на вариантах опыта с применением суспензии и гранулы Chlorella vulgaris отмечалось более активное образование гидролизуемых соединений углерода, что определило увеличение концентрации показателя на 39–32 мг С/100 г почвы по сравнению с контролем. При внесении гранул в почву отмечалась убыль щелочегидролизуемого углерода по сравнению с контрольным вариантом в верхнем слое 0–20 см агрочернозема на 107–123 мг С/100 г. Зеленые водоросли и цианобактерии производят большое количество органических веществ, увеличивают содержа- ние органического углерода в почве, выделяя экзополисахариды (EPS) во время разложения клеток водорослей, которые становятся легкодоступной формой углерода, необходимой для роста почвенной микробиоты [19, 20].

S 400

о

■ 0-20

■ 20-40

Hill

вариант

Рис. 2. Содержание С NаОН (мг С/100 г) в агрочерноземе на вариантах опыта (2022–2023 гг):

1 – контроль (химическая защита – фон); 2 – C. vulgaris (1 % раствор); 3 – C. vulgaris (гранулы);

4 – C. vulgaris + A. platensis (гранулы); 5 – A. platensis (гранулы).

The content of С NaOH (mg С/100 g) in agrochernozem in the experimental variants (2022–2023):

• 1    – control (chemical protection – background); 2 – C. vulgaris (1 % solution); 3 – C. vulgaris (granules);

• 4. C. vulgaris + A. platensis (granules); 5. A. platensis (granules)

Полученные закономерности отразились на запасах гумуса и его подвижных соединений (табл. 3). Запасы стабильного гумуса по вариан- там опыта оценивались на уровне 78–61 т/га, или 88–90 % от всех запасов гумусовых веществ. Максимальная доля запасов стабильного гумуса выявлена на вариантах опыта с применением гранул Arthrospira platensis. В слое почвы 0–40 см она составляла 89–90 % от Сгумуса, что обусловлено снижением подвижных соединений гумуса. На этих вариантах опыта запасы

Спов снижены до 8–9 т/га или 9–12 % от общих запасов гумусовых веществ. При внесении в почву гранул микроводоросли Arthrospira platensis доля С NаОН снижалась до 9–10 % от С гумуса .

Таблица 3

Запасы гумусовых веществ в агрочерноземе (2022–2023 гг.), т С/га

Reserves of humic substances in the agrochernozem region, t C/ha (2022–2023)

Вариант	С гумуса	Спов	С Н2О	С NaOH	С стаб. гумуса
0–20 см
Контроль	80,8	10,1	0,47	9,6	70,7
C. vulgaris (1 % раствор)	79,8	9,8	0,50	9,4	70,1
C. vulgaris (гранулы)	81,3	9,7	0,50	9,2	71,6
C. vulgaris + A. platensis (гранулы)	80,1	8,6	0,48	8,1	71,5
A. platensis (гранулы)	68,7	7,7	0,47	7,2	61,0
20–40 см
Контроль	80,8	9,4	0,51	8,9	71,4
C. vulgaris (1 % раствор)	88,4	10,8	0,52	10,3	77,6
C. vulgaris (гранулы)	86,0	10,8	0,54	10,3	75,2
C. vulgaris + A. platensis (гранулы)	82,3	8,6	0,50	8,1	73,7
A. platensis (гранулы)	82,6	8,3	0,52	7,8	74,3

Доля водорастворимого углерода незначительна и существенно не менялась по вариантам опыта (0,6 %). Незначительный запас подвижных гумусовых веществ обусловлен постоянным его обновлением в почве и вовлечением в процессы минерализации и гумификации. Он обеспечивает отклик на внешние агротехнические и агроэкологические воздействия в виде применения микроводорослей в технологии возделывания яровой пшеницы и формирует эффективное плодородие агрочернозема. Это подтверждает положение о том, что большое число органических веществ, присутствующих в почве, и разнообразие почвенно-экологических условий обуславливают многовариантность путей стабилизации органических веществ.

Оценка вклада агроэкологических факторов в формирование подвижных гумусовых веществ показала, что наибольший вклад изученные формы биопрепаратов с микроводорослями внесли в содержание СNaOH (40–38 %). В наименьшей степени их влияние отразилось на содержании водорастворимого углерода гумуса (24–12 %) в 0–40 см слое агрочернозема. Показатель силы влияния фактора «год» на содержание подвижных компонентов гумуса стабильно проявлялся для слоя 0–20 см агрочернозема (30–32 %). Для слоя 20–40 см погодные условия вегетационных сезонов на 26–34 % влияли на содержание подвижных гумусовых веществ.

Заключение. Таким образом, динамические изменения углерода подвижных компонентов гумуса определяются формой препаратов с микроводорослями и гидротермическими условиями вегетационных сезонов. Фолиарная обработка вегетирующих посевов яровой пшеницы 1 % раствором суспензии Chlorella vulgaris определяет увеличение по сравнению с контролем содержания щелочегидролизуемого углерода на 6–39 мг С/100 г в слое почвы 0–40 см, максимальное пополнение почвенного раствора слоя 0–20 см агрочернозема водорастворимым углеродом (30 мг/кг). Микроводоросли Chlorella vulgaris в виде суспензии и гранул способствуют увеличению запасов С гумуса на 5–8 т/га, С стаб. гумуса на 4–6 т/га, С пов на 1 т/га в слое почвы 20–40 см. Наибольшее влияние изученные формы биопрепаратов с микроводорослями оказали на содержание щелочегидролизуемого углерода в почве (40–38 %). Полученные результаты позволяют сделать вывод о положительном влиянии микроводорослей на содержание и запасы подвижных фракций почвенного гумуса как ближайшего резерва для минерализации и пополнения стабильных гумусовых веществ.