Динамика численности микроорганизмов, участвующих в трансформации азотсодержащих веществ, в посевах культур зернопаропропашного севооборота

БИОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПЛОДОРОДИЯ ПОЧВ

ДИНАМИКА ЧИСЛЕННОСТИ МИКРООРГАНИЗМОВ, УЧАСТВУЮЩИХ В ТРАНСФОРМАЦИИ АЗОТСОДЕРЖАЩИХ ВЕЩЕСТВ, В ПОСЕВАХ КУЛЬТУР ЗЕРНОПАРОПРОПАШНОГО СЕВООБОРОТА

О.И. Бородкин, м.н.с., ВНИИСС, Н.В. Безлер, д. с* —х* н., Воронежский ГАУ, М*А* Сумская, к*с*-х.н*, ВНИИСС

Показано влияние культур зернопаропропашного севооборота, удобрений и их последействия на формирование и функционирование микробного сообщества, осуществляющего в почве процессы аммонификации, фиксации и иммобилизации азота. Определена численность микроорганизмов, развивающихся на более поздних стадиях разложения азотсодержащих органических веществ. Установлено, что в посевах сахарной свеклы (при внесении NlooPlooKloo) и озимой пшеницы увеличивается численность диазотрофов, что может способствовать дополнительному поступлению азота в почву.

Ключевые слова: аммонификаторы, иммобилизаторы азота, олигоазофилы, диазотрофы, микробное сообщество, круговорот азота.

Вовлечение почвенного покрова в сельскохозяйственное использование нарушает течение естественных процессов формирования почвенного плодородия. В результате на первое место выходят антропогенные факторы - агрофитоценозы со свойственной им агротехникой. В новых условиях происходят не только изменение физико-химических показателей, но и перестройка структуры микробных сообществ почв, их биохимической или функциональной активности [1, 2, 6, 8].

Цель работы - расширение и углубление знаний в области динамики почвенно-биологических процессов трансформации соединений азота в агрофитосистемах. Полученные результаты помогут прогнозировать и регулировать их направленность посредством поэтапного применения биопрепаратов.

Методика. Исследования проводили в 2007-2009 гг. на территории ВНИИ сахарной свеклы им. А.Л. Мазлумова в зернопаропропашном севообороте, включающем черный пар, озимую пшеницу, сахарную свеклу (без удобрений и с ^00Р100К100), ячмень (без удобрений и использующий последействие минеральных удобрений). Агротехника культур -общепринятая для ЦЧР. Почва - чернозем выщелоченный.

Повторность опыта трехкратная. Образцы почвы отбирали в динамике из пахотного горизонта.

В полевом опыте изучали влияние культур на формирование микробного сообщества чернозема выщелоченного. По погодным условиям период исследования отличался от сред-немноголетних наблюдений засушливостью климата (ГТК = 0,7-1,0, при норме 1,1).

Численность микроорганизмов учитывали методом высева последовательных разведений почвенной суспензии на элективные питательные среды [9]. Количество аммонификаторов определяли на мясопептонном агаре (МПА), бактерий, использующих в процессе жизнедеятельности минеральные формы азота, - на крахмал- аммиачном агаре (КАА), олиго-азофилов и диазотрофов - на среде Эшби.

Полученные данные статистически обработаны методом дисперсионного анализа [3], а также с использованием компьютерных программ Microsoft Excel и Statistica.

Результаты и их обсуждение. Фиксацию молекулярного азота в почве осуществляют прокариоты, которые, в зависимости от их взаимоотношений с растением, разделяют на три группы: симбиотические, ассоциативные и свободноживущие [9]. Часть азота, связанная диазотрофами, в дальнейшем иммобилизуется и закрепляется в почве, что положительно сказывается на ее плодородии [5].

В процессе вегетации культур численность диазотрофов в почве, как правило, увеличивалась. Это связано с образованием ассоциаций между микроорганизмами и растениями, а также со снижением содержания азота в почве, что стимулирует развитие диазотрофов.

Высокая численность азотфиксаторов выявлена в посевах озимой пшеницы. Так, в летний период в пахотном горизонте почвы она составила 0,7 млн КОЕ / г абсолютно сухой почвы (а.с.п.). В посевах сахарной свеклы на фоне без удобрений их численность была в среднем на 21 % ниже (рис.).

Рис. Численность диазотрофов в пахотном горизонте почвы

Внесение удобрений способствовало активизации жизнедеятельности диазотрофов во второй половине вегетации сахарной свеклы. Их численность достигла к октябрю 1,0 млн КОЕ/г а. с. п., что в 1,7 раза выше, чем на неудобренном фоне (НСР 05 = 0,18). Это связано, вероятно, с более активным ростом растений и быстрым поглощением ими минеральных форм азота, а также с выделением в почву через корневую систему большего количества сахаров, необходимых диазотрофам.

По мере увеличения соотношения углерода к азоту в почве активизируется процесс его фиксации. При применении сбалансированных доз азотных удобрений повышается фотосинтетическая активность растения, что опосредованно способствует усилению азотфиксации и увеличивает долю биологического азота в урожае [5].

В посевах ячменя без внесения удобрений, как и в посевах предшественника, численность фиксаторов азота невы-

сокая -0,3-0,4 млн КОЕ. Последействие удобрений положительно влияло на численность диазотрофов: оно увеличилось на 26 %.

В почве большая часть азота связана в органических соединениях, поэтому он недоступен для растений и выступает обычно в качестве основного лимитирующего фактора роста сельскохозяйственных культур. В результате жизнедеятельности аммонификаторов азот органических соединений трансформируется до аммиака [5].

Нашими исследованиями установлено, что в почве в посе-

Таким образом, влияние культур на динамику численности аммонификаторов заключалось в накоплении субстрата для их жизнедеятельности (белков, аминокислот, пептидов и др.), составляющих основу продуктов обмена веществ в растениях.

Содержащиеся в пахотном горизонте почвы подвижные формы нитратного азота легко выносятся за его пределы. Закреплению его в корнеобитаемом слое почвы способствуют микроорганизмы-иммобилизаторы азота [5].

Известно, что в почве наибольшее количество нитратного азота отмечено в весенний период [7]. Численность иммоби-лизаторов азота закономерно связана с динамикой нитратов. Кроме того, они физиологически сопряжены с аммонифика-торами, так как используют продукты их жизнедеятельности.

Нами установлено, что в пахотном горизонте почвы в посевах озимой пшеницы и сахарной свеклы численность им-мобилизаторов азота составила в среднем 6,6-7,3 млн КОЕ / г а.с.п. Наименьшая численность иммобилизаторов азота (4,9 млн КОЕ) характерна для почвы под покровом ячменя на фоне без удобрений. Здесь же отмечена минимальная численность аммонификаторов. Последействие удобрений способствовало увеличению численности первой и второй групп микроорганизмов.

Отсутствие достоверных различий в численности иммоби-лизаторов азота на удобренном и неудобренном фонах в посевах сахарной свеклы связано с запашкой основной части удобрений на большую глубину. Таким образом, динамика численности этой группы микроорганизмов в посевах сахарной свеклы в большей степени определялась жизнедеятельностью аммонификаторов, что подтверждает выявленная между ними высокая корреляционная зависимость (К = 0,8).

Олигоазофилы способны развиваться на бедных азотом субстратах. Они завершают процесс минерализации органических веществ в почве [4]. Нами выявлено повышение численности олигоазофилов в почве под покровом зерновых культур к концу вегетации. Так, в посевах озимой пшеницы в фазе кущения их численность составляла 4,3 млн КОЕ/г а.с.п., к июлю она увеличилась в 1,6 раза. Аналогичная закономерность отмечена в посевах ячменя. Это свидетельствует о быстрой иммобилизации минерального азота в почве под покровом зерновых культур.

В посевах сахарной свеклы на неудобренном фоне численность олигоазофилов в течение всего вегетационного периода составила 5,2-5,6 млн КОЕ/г а.с.п. Применение удобрений способствовало увеличению численности олигоазофилов в посевах культуры на 11 % за счет активного роста и потреб-

вах озимой пшеницы, сахарной свеклы и ячменя (на фоне без удобрений) численность этой группы микроорганизмов составила 4-5 млн КОЕ/г а.с.п. и слабо варьировала по сезонам (табл.). Вносимые под сахарную свеклу минеральные удобрения не оказали прямого влияния на количество аммонифика-торов, а их последействие достоверно повысило их численность на 40 %. Следует отметить, что в посевах ячменя, возделываемого без удобрений, численность микроорганизмов, разлагающих легкогидролизуемые азотсодержащие органические соединения, была наименьшей.

ления ею минеральных форм азота.

Заключение. Культуры, возделываемые в зернопаропро-пашном севообороте, в результате их биологических особенностей, количественного и качественного состава экссудатов, корневых и пожнивных остатков оказывают существенное влияние на структуру микробного сообщества почвы, что в большей мере определяет направленность протекающих в ней микробиологических процессов.

В посевах озимой пшеницы, сахарной свеклы и ячменя (на фоне последействия удобрений) формируется стабильное микробное сообщество, участвующее в процессах минерализации органических веществ, содержащих азот как на ранних, так и на более поздних стадиях разложения, и иммобилизации этого элемента в пахотном слое почвы. В посевах сахарной свеклы (на фоне N1ooP1ooK1oo) и озимой пшеницы создаются оптимальные условия для развития диазотрофов, что может способствовать дополнительному поступлению азота в почву.

В посевах ячменя, возделываемого после сахарной свеклы на неудобренном фоне, отмечено снижение численности основных групп микроорганизмов, участвующих в круговороте азота: аммонификаторов, диазотрофов, иммобилизаторов азота, олигоазофилов.

Для увеличения поступления и закрепления азота в почве зернопаропропашного севооборота можно использовать биопрепараты на основе свободноживущих и ассоциированных с культурами диазотрофов. Особенно это относится к пшенице и ячменю.

Литература

1. Верзилин В.В., Коржов С.И., Придворев Н.И. Биология почв Среднерусского Черноземья.-Воронеж, 2oo5. - 247 с. 2. Возняковская Ю. М., Курдюков Ю. Ф., Попова Ж. П. и др. Оценка биологического состояния южного чернозема под разными севооборотами // Почвоведение. -1996. - № 9.-С. 1Ю7-1111.3. Доспехов Б. А. Методика полевого опыта - М.: Агропромиздат, 1985.-351 с. 4. ЕмцевВ. Т.,Мишустин Е. Н. Микробиология. - М.: Дрофа, 2oo5.-445 с. 5. Звягинцев Д. Г., Бабьева И. П., Зенова Г.М. Биология почв.- М.: Изд-во МГУ, 2oo5.-445 с. 6. Кутовая Н. Я., Черенков В. В. Влияние возделывания культур в севообороте и бессменно на микробиологические процессы в обыкновенном чернозёме // Почвоведение. - 1994. - N° 8. - С. 58-63. 7. Кураков В. И., Минако-ва О. А., Ситникова В. В. и др. Удобрения в зерносвекловичных севооборотах ЦЧР (рекомендации по применению) // Сахарная свёкла. -2oo3.-№° Ю.-С. 8-1o. 8. Лобков В. Т. Биоразнообразие в агроэкосисте-мах как фактор оптимизации биологической активности почвы // Почвоведение. - 1999.-N" 6. - С. 732-737. 9. Теппер Е. З., Шильникова В. К., Переверзева Г. И. Практикум по микробиологии/ Под ред. В. К. Шиль-никовой. - М.: Дрофа, 2oo4. - 256 с.

Численность микроорганизмов, участвующих в трансформации азотсодержащих веществ в пахотном горизонте почвы, _млн КОЕ / г а.с.п. (в среднем за 2007-2009 гг.)_

Культура Аммонификаторы Иммобилизаторы азота Олигоазофилы

октябрь* май июль октябрь октябрь* май июль октябрь октябрь* май июль октябрь

Озимая пшеница 4,87 4,7o 4,44 - 5,51 7,39 6,93 - 4,31 7,25 7,oo -

Сахарная свекла: без удобрений 4,4o 4,o 1 5,41 7,95 6,76 7,14 5,57 5,51 5,23

^ооРюоКюо - 4,36 4,73 4,69 - 7,92 6,92 6,1o - 6,33 5,52 6,34

Ячмень: без удобрений 4,1o 4,26 4,79 4,89 3,82 6,47

последействие удобрений - 3,77 8,o4 - - 7,25 7,44 - - 6,56 9,16 -

НСР05 o,87 o,78 o,73

* Октябрь предыдущего года.

DYNAMICS OF MICROORGANISMS INVOLVED IN THE TRANSFORMATION OF NITROGEN-CONTAINING

SUBSTANCES IN GRAIN-FALLOW CROP ROTATIONS

O.I. Borodkin1, N. V. Bezler2, M.A. Sumskaya1, 1Mazlumov All-Russian Research Institute of Sugar Beet pos. VNIISS, Ramon'raion, Voronezh oblast, 396030 Russia 2Voronezh State University, Universitetskaya pl 1, Voronezh, 394006 Russia, E-mail: Lezha_mail@mail.ru

The impact of crops of grain-fallow crop rotation, fertilizers, and their aftereffect on the formation and functioning of microbial community, which fulfills ammonification, nitrogen fixation, and immobilization in the soil, was studied. The numbers of microorganisms developed at the later decomposition stages of nitrogen-containing organic substances were determined. It was found that the number of nitrogen-fixing microorganism increased in the soil under winter wheat and sugar beet plants (at the application of N100P100Ki00), which could contribute to the input of extra nitrogen into the soil.

Keywords: ammonifiers, nitrogen immobilizers, oligonitrophils, diazotrophs, microbial community, nitrogen cycle.