Динамические модели численности микроорганизмов в почвах лесостепи Алтайского края

Выводы

При увеличении сроков эксплуатации насаждений яблони и жимолости до 20 лет и более происходит улучшение водопрочно-сти почвенных агрегатов, водопроницаемости. В питомнике, наоборот, при длительной их эксплуатации ухудшаются воднофизические свойства почв, что вызывает необходимость внесения органических удобрений.

Библиографический список

1. Попова В.П. Агроэкологические аспекты формирования продуктивных садовых экосистем. — Краснодар, 2005. — 243 с.

+

2. Герасимов И.П., Розов Н.Н., Ромаш-кевич А.И. Общая характеристика почвенного покрова // Западная Сибирь. — М.: Изд-во АН СССР, 1963. — С. 158-164.

3. Татаринцев Л.М. Изменение физического состояния почв Алтайского Приобья под влиянием распашки // Режимы почв, параметры плодородия и приемы его воспроизводства. — Барнаул, 1992. — С. 33-45.

4. Неговелов С.Ф., Вальков В.Ф. Почвы и сады. — Ростов-на-Дону: Изд-во Ростовского ун-та, 1965. — 192 с.

УДК 631.4:579(571.15) Е.А. Блохина,

Е.Г. Пивоварова ДИНАМИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ЧИСЛЕННОСТИ МИКРООРГАНИЗМОВ В ПОЧВАХ ЛЕСОСТЕПИ АЛТАЙСКОГО КРАЯ

Ключевые слова: почвенные микроорганизмы, агроценоз, информационнологические модели.

На основе известных и оригинальных математических моделей в экологии и почвоведении выделяют несколько типов поведения динамических систем [1]. Особое внимание уделяется анализу сложных (нелинейных) режимов функционирования за пределами равновесия (стационарного состояния), возникающих в результате самоорганизации системы. Динамические модели условно делят на биологические, почвенные, биокосные. Они описывают рост и развитие растений, почвенной флоры и фауны, микроорганизмов, миграцию веществ, физических и химических свойств почвы, круговорота и баланса веществ и энергии. Причём характерное время динамических моделей может составлять от минут до многих лет. Шаг квантования в динамических моделях определяется целью моделирования. Это могут быть модели, прогнозирующие глобальные изменения на значительный временной отрезок [2], модели годовых циклов различных почвенных процессов [3], или прогнозирование модели вегетационной динамики почвенных свойств и процессов [4]. Кроме того, прогнозирование временной динамики почвенных свойств зависит от степени вариабельности моделируемого свойства.

Для микробиологических и агрохимических свойств характерна высокая степень вариации в течение вегетационного периода

[5]. Динамические модели численности микроорганизмов в почве в течение вегетационного периода имеют не только теоретическое, но и прикладное значение при мониторинге агрохимических свойств почвы и оптимизации минерального питания растений.

Объекты и методы

Исследования проводили в зоне выщелоченных чернозёмов лесостепи, в почвенном районе выщелоченных чернозёмов и тёмносерых лесных почв. По агроклиматическому районированию территории входят в тёплый достаточно-увлажнённый район, который охватывает северо-восточную и юго-восточную части Бие-Чумышской увалистой равнины и долину реки Оби с хорошо развитой поймой.

В настоящее время территория Алтайского Приобья почти полностью распахана. Естественная растительность сохранилась лишь в неудобных для распашки местах. По геоботаническому районированию правобережье реки Оби относится к средней лесостепи с преобладанием злаково-разнотравной растительностью, чередующейся с березовыми колками [6].

Почвенный покров весьма разнообразен. Здесь встречаются чернозёмы (выщелоченные, оподзоленные, обыкновенные), серые лесные почвы. Наибольшее распространение среди пахотных угодий лесостепи получили комбинации почв контуров разного размера тёмно-серых лесных почв, чернозёмов оподзоленных среднесуглинистых, выщелоченных среднемощных среднесуглинистых и

маломощных малогумусных, обыкновенных среднемощных среднесуглинистых и луговочернозёмных среднемощных среднегумус-ных однородного гранулометрического состава, в основном средне- и тяжелосуглинистые крупно-пылеватые. Запасы гумуса в слое 0-20 см в почвах составляют 86 т/га, азота — 4,6 т/га. Емкость поглощения у чернозёмов — 34,4 мг-экв. на 100 г почвы, у серых лесных — 25,6 мг-экв. на 100 г почвы. Общее содержание фосфора в почвах зоны у чернозёмных почв 0,25%, серых лесных — 0,18%. Реакция почвенного раствора — нейтральная, или слабокислая.

Для выяснения влияния различных факторов вегетационной динамики (влажности почвы, количества осадков, ГТК, температуры воздуха, фазы развития растений, содержания азота нитратов и аммония, подвижного фосфора и обменного калия) на состав микроорганизмов в почве был заложен полевой опыт на чернозёме выщелоченном среднемощном малогумусном в производственных условиях ОАО «Украинка» Косихинского района. Почвы опытного участка низко обеспечены азотом нитратов и аммония и высоко обеспечены подвижным фосфором и обменным калием. При определении структурно-функциональной организации микробоценоза почв в лабораторных условиях использован набор питательных сред. Гетеротрофная микрофлора, разлагающая органические азотсодержащие соединения, выращивалась на мясопеп-тонном агаре (МПА); актиномицеты и бактерии, усваивающие азот минеральных соединений — на крахмало-аммиачном агаре (КАА); микроскопические грибы — на среде Чапека с сульфатом стрептомицина [7].

В соответствии с поставленными задачами программой исследований образцы почв отбирались в полевой период на участке ЧП «Возрождение» Первомайского района на геоморфологическом профиле из пяти разрезов для агрохимической характеристики почв и из слоя 0-20 см по основным фазам развития яровой пшеницы. Площадь опытной делянки составила 70 м2, повторность трёхкратная. В опыте использовали яровую пшеницу сорта Алтайская 92, предшественник яровая пшеница, агротехника возделывания — общепринятая для зоны.

Для математической обработки результатов и моделирования динамики численности микроорганизмов в почве использован информационно-логический анализ, который имеет ряд преимуществ перед статистическими методами [8].

Результаты и их обсуждение

Информационный анализ позволил выявить влияние наиболее значимых факторов

вегетационной динамики на численность каждой группы микроорганизмов в почве (табл.): фаза развития яровой пшеницы, количество осадков за предшествующую декаду, средняя температура воздуха за предшествующую декаду, ГТК за предшествующую декаду, влажность почвы, содержание в почве азота аммония, азота нитратов, подвижного фосфата и обменного калия.

Для микробов на МПА ведущим фактором является средняя температура воздуха за предшествующую декаду (Кэфф. = 0,4213). Известно, что недостаток тепла сказывается на характере почвообразовательного процесса и на формировании микробных ассоциаций (Красильников, 1958). На количество микроорганизмов данной группы также в значительной степени влияют количество осадков, выпавших в предшествующую определению декаду (Кэфф. = 0,3447) и содержание в почве азота аммония (Кэфф. = 0,3040). Интенсивное размножение микроорганизмов происходит в достаточно увлажнённой почве (Красильников, 1958). В природной обстановке влажность почвы подвержена существенным колебаниям, при дефиците увлажнений нередко подавляется деятельность микроорганизмов. Поэтому влажность почвы является одним из основных факторов, влияющих на динамику численности микробов (Кэфф. = 0,2933). Температура и влажность почвы способствуют активизации микробиологических процессов, от которых в основном зависит уровень питательных веществ в почве [9]. Остальные факторы также оказывают влияние, но в меньшей степени.

Для микроорганизмов, использующих для своего развития минеральный азот (микробы на КАА), наиболее значимой является связь с содержанием азота аммония (Кэфф. = 0,3252). Это закономерно, так как накопление данной формы минерального азота является потенциальным источником питания бактерий данной группы.

Перечисленные важнейшие факторы изменения численности бактерий по коэффициенту передачи информации располагаются в следующей последовательности: средняя температура воздуха за предшествующую декаду (Кэфф. = 0,3088), фазы

развития растений (Кэфф. = 0,2684),

ГТК за предшествующую декаду (Кэфф. = 0,2677), содержание азота нитратов и влажность почвы (Кэфф. = 0,2450-

0,2258). Содержание подвижного фосфора и обменного калия оказывает одинаковое влияние на численность микробов на КАА, однако по сравнению с температурой воздуха, содержанием аммонийного азота и ГТК они значительно ниже.

Таблица

Связь между численностью микроорганизмов и факторами их вегетационной динамики

Фактор Микроорганизмы

МПА, млн КОЕ/г КАА, млн КОЕ/г Грибы, тыс. КОЕ/г

Влажность почвы, ВП 0,2933 0,2258 0,2292

ГТК за предшествующую декаду 0,2677 0,2677 0,1729

Средняя температура воздуха за предшествующую декаду, 10С ТВ 0,4213 0,3088 0,2298

Осадки за предшествующую декаду, Ос 0,3447 0,1886 0,2904

Фазы развития, ФР 0,2951 0,2684 0,3727

Азот аммонийный,N-NH4 0,3040 0,3252 0,2344

Нитратный азот, N-NOз 0,1625 0,2450 0,2003

Подвижный фосфор, P2O5 0,1810 0,2002 0,1295

Обменный калий, K2O 0,1884 0,2033 0,0752

Рост микроскопических грибов-

деструкторов в первую очередь определяется фазой развития яровой пшеницы (Кэфф. = 0,3727), осадками за предшествующую декаду (Кэфф. = 0,2904),

содержанием аммонийного азота

(Кэфф. = 0,2344), в равной степени средней температурой воздуха за предшествующую декаду и влажностью почвы (Кэфф. = 0,2298-0,2292). Очень слабая связь между численностью грибов и содержанием калия (Кэфф. = 0,0752).

С помощью информационно-логического анализа были получены динамические модели численности микроорганизмов в течении вегетации:

МПА*, = ТВЕЮсЩФРШПЕТТШ

(К2О0Р2О5^^О3);

КААЛ = N-NH4SТВS(ФРSГТКS

^-Ч03ШП[х](К20[х]Р205[х]Ос);

Г* = ФР1Э(Ос1Е1(ЖЧН41Е1

(ТВ0 ВП 0 N-N030^™ 0 Р205[х] К20).

где МПА*, КААЛ, Г*— ранг численности микроорганизмов на средах МПА, КАА и среде Чапека в почве в определённый момент вегетационного периода;

Ос, ТВ, ГТК — ранг микроорганизмов в зависимости от количества осадков, температуры воздуха и ГТК предшествующей определению декады;

ВП, ФР — ранг микроорганизмов в зависимости от влажности почвы, фазы развития растений;

N-N03, N-NH4, Р205,К20 — ранг микроорганизмов в зависимости от содержания азота нитратов, азота аммония, подвижного фосфора, обменного калия;

0 — знак логической операции функции нелинейного произведения.

Эти модели дают 38-42% безошибочного прогноза (ранг в ранг) и 76-81% с отклонением в один ранг.

Заключение

Таким образом, полученные модели позволяют прогнозировать численность микроорганизмов в течение всего вегетационного периода. При этом наиболее достоверным будет прогноз, рассчитанный на основе прямого действия факторов, количества осадков и среднесуточной температуры воздуха за предшествующую декаду.

Библиографический список

1. Смагин А.В. Режимы функционирова-

ния динамических биокостных систем // Почвоведение. — 1999. — № 12. —

С. 1433-1447.

2. Быховец С.С. Климатические сценарии для задач моделирования динамики органического вещества в лесных экосистемах // Биосферные функции почвенного покрова: тез. докл. к конф., посвящ. 100-летию В.А. Ковды. — Пущино, 2005. — С. 15-16.

3. Пузаченко Ю.Г., Козлов Д.Н., Сиуно-ва Е.В. Проблемы глобальных оценок дыхания почвы // Биосферные функции почвенного покрова: конф., посвящ. 100-летию В.А. Ковды (15-17 февр., 2002 г.). — Пущино, 2005. — С. 79.

4. Минин В.Б. Прогнозирование азотного режима пахотных почв в условиях гумидно-го климата // Тез. докл. 2 Съезда Общ-ва почвоведов. — СПб., 1996. — Кн. 1. — М., 1996. — С. 57-58.

5. Пивоварова Е.Г. Калийное состояние почв и его моделирование в условиях Алтайского Приобья: монография. — Барнаул: Изд-во АГАУ, 2005. — 160 с.

6. Природное районирование Алтайского края. — М.: Изд-во АН СССР, 1958. — 210 с.

7. Учебно-методическое пособие по исследованию микробоценозов естественных и антропогенно нарушенных почв. — Петрозаводск: Карельский научный центр РАН, 2010. — 64 с.

8. Пузаченко Ю.Г., Мошкин А.В. Информационно-логический анализ в медикогеографических исследованиях // Итоги науки. Сер. мед. география / ВИНИТИ. — М., 1969. — Вып. 3. — С. 5-71.

9. Мерзлая Г.Е., Семин В.Ю., Надеж-кин С.М., Никулина Е.В. Азотный режим

чернозема выщелоченного при систематическом применении удобрений // Роль почв в сохранении устойчивости ландшафтов и ресурсосберегающее земледелие: ма-

тер. Междунар. науч.-практ. конф. — Пенза, 2005. — С. 337-338.

+ + +

УДК 636/635:631.416.9(571.15) С.Ф. Спицына,

В.Г. Бахарев, Г.Г. Морковкин МИКРОЭЛЕМЕНТНЫЙ СОСТАВ ЧЕРНОЗЕМОВ УМЕРЕННО ЗАСУШЛИВОЙ И КОЛОЧНОЙ СТЕПИ АЛТАЙСКОГО КРАЯ

Ключевые слова: микроэлементы, валовое содержание, черноземы, почвообразующие породы, зональная специфика.

Введение

Подзона черноземов обыкновенных умеренно засушливой и колочной степи является важным земледельческим районом Алтайского края [1]. Плодородие основных пахотнопригодных почв этой территории достаточно хорошо изучено, однако имеется ряд вопросов по обеспеченности почв микроэлементами, необходимыми для нормального роста и развития растений.

Диагностика почв на содержание в них микроэлементов является одним из путей улучшения минерального питания растений. Она предусматривает выявление, прежде всего, общих запасов элементов в почве, определяемых средними величинами и коэффициентами варьирования. Необходимы также знания о поведении микроэлементов в системе: материнская порода — почва, которые позволяют установить региональную специфику биогенного накопления микроэлементов в верхних горизонтах почвы.

Знания о вероятности биогенного накопления микроэлементов в верхних горизонтах почв относительно материнских пород дают возможность выбрать среди микроэлементов наиболее дефицитные и разработать рациональную систему микроудобрений.

Объекты и методы исследований

Объекты исследований: черноземы

обыкновенные и выщелоченные умеренно засушливой и колочной степи Алтайского края.

Валовое содержание микроэлементов в почвах и почвообразующих породах опре-

делялось спектральным методом [5]. Для сравнительной оценки содержания микроэлементов в почвах по природно-почвенным зонам использованы данные мониторинга почв 1980-2000 гг. Математическая обработка результатов исследований проведена с использованием приемов вариационной статистики [2].

Результаты исследований

Одной из современных парадигм в учении о микроэлементах почв является то, что в природных условиях первичным источником почти всех микроэлементов почвы являются минералы исходных пород [4], то есть содержание микроэлементов в почвах зависит от их содержания в материнских породах. Изучение микроэлементного состава материнских пород подзоны черноземов обыкновенных умеренно засушливой и колочной степи показало, что они характеризуются значительной вариабельностью валового содержания меди, молибдена, марганца, цинка, кобальта и бора (табл. 1).

При этом наиболее высоким содержанием катионогенных элементов (Си, Мп, Со, Zn) отличаются средне- и тяжелосуглинистые лёссовидные суглинки, что связано с высоким содержанием в них лёссовой фракции; обеднены микроэлементами аллювиальные и озерно-аллювиальные отложения.

Различный механический состав почвообразующих пород черноземов умеренно засушливой и колочной степи является причиной значительной вариабельности содержания в них микроэлементов, вместе с тем содержание в них марганца, кобальта, меди и молибдена близко к кларку литосферы

[6].