Статья Дыхание почвы

УДК 63:57
Сравнительная оценка действия бактериальных препаратов «Планриз» и
«Байкал-М» на дыхательную и целлюлозоразлагающую активность
почвы
2014 г. А.Х. Занилов
Кабардино-Балкарская региональная общественная организация
«Центр органического земледелия» e-mail: eco-agro.kbr@inbox.ru
www.agroecocluster07.ru
С
момента
выделения
чистых
культур
азотфиксирующих
микроорганизмов С.Н. Виноградским [1] не прекращались активные поиски
возможностей использования почвенной микрофлоры для повышения
плодородия почв и урожайности сельскохозяйственных культур. В последнее
время
сформировалась
мировая
тенденция
экологизации
сельскохозяйственного производства, тесно связанная с использованием
различных микробиологических препаратов. Загрязнение почв средствами
химизации
и
снижение
качества
сельскохозяйственной
продукции
способствуют дальнейшему развитию системы экологического земледелия.
Развитые страны (США, Канада, Англия, Франция, Италия и др.) ставят
вопрос о сокращении производства минеральных удобрений, в особенности,
азотных и фосфорных, а недостаток питательных веществ в почве предлагают
компенсировать за счет применения препаратов, созданных на основе
ризосферных и ризоплановых микроорганизмов [2].
В последние годы в России разработан целый ряд бактериальных
препаратов, выполняющих такие важные функции, как активация почвенной
микрофлоры,
улучшение
прорастания
растениями,
интенсификация
семян,
разложения
усиление
пожнивных
фотосинтеза
остатков
и
труднодоступных органических соединений и др. Бактериальные препараты
позволяют снизить расход азотных и фосфорных удобрений в 2 раза сохраняя
ту же урожайности, что и при использовании полной нормы минеральных
удобрений. При этом заметно улучшается качество сельскохозяйственной
продукции, например уровень нитратов в продукции снижается в 2–2,5 раза [3].
1
Обогащение почвы микрофлорой и направленное изменение ее состава
является одной из задач повышения почвенного плодородия [4,5,6]. Для
этого необходимо изучение связей и закономерностей, проявляющихся
между
микробным
сообществом,
с
одной
стороны
и
степенью
окультуренности, свойствами почвы, а также особенностями возделываемых
растений - с другой [5].
Научные исследования действия биопрепаратов чаще всего связаны с
их влиянием на урожайность сельскохозяйственных культур, реже - на
качество урожая, а опубликованных данных по изменению химических и
биологических свойств почвы под действием биопрепаратов недостаточно, в
связи с чем, знание показателей биологической активности почв приобретает
особое значение.
Целью данной работы являлось комплексное исследование влияния
бактериальных препаратов «Планриз» и «Байкал-М» на интенсивность
дыхания почвы и активность разложения целлюлозы, показатели которых
служат для оценки их биологической активности.
Объекты
и
методы
исследования.
В
препарата «Планриз» входят микроорганизмы
состав
бактериального
Pseudomonas florescence
штамм АР-33. Препарат Байкал-М содержит смесь колоний различных
родов молочнокислых и фотосинтезирующих бактерий.
Бактерии
Pseudomonas
florescence
являются
продуцентами
необходимых растениям аминокислот, цитохромов и витаминов. Живут
симбиотрофно на поверхности корней, стимулируя рост и развитие растений.
Действие молочнокислых бактерий заключается в подавлении действия
патогенных
микроорганизмов,
вызывающих
болезни
растений.
Фотосинтезирующие бактерии способствуют продуцированию нуклеиновых
и аминокислот, полезных для растений биологически активных веществ, а
также других стимулируют рост полезных микроорганизмов и микоризных
грибов.
Действие указанных препаратов изучалось в условиях модельного
2
опыта на черноземе выщелоченном остаточно-луговатом. Данные почвы
характеризуются средним содержанием гумуса (5,7 %), низким содержанием
легкогидролизуемого азота, высокой концентрацией подвижного фосфора и
обменного калия, нейтральной реакцией почвенного раствора (рН=6,7).
Масса почвы в вегетационных сосудах составляла 3 кг при влажности 60 %
полной влагоемкости (ПВ), которая поддерживалась на протяжении всего
опыта - 90 суток. Модельный опыт был заложен в шести вариантах в
трехкратной повторности, с использованием посева растений ячменя и
внесением описываемых бактериальных препаратов по представленной ниже
схеме (табл.1).
Таблица 1. Схема модельного опыта, заложенного с использованием
бактериальных препаратов «Планриз» и «Байкал-М»
Вариант
Описание вариантов модельного опыта
№
1
Почва (контроль)
2
Почва + растения
3
Почва + «Планриз»
4
Почва + «Байкал-М»
5
Почва +Растения + «Планриз»
6
Почва +Растения + «Байкал-М»
В вариантах № 3 и № 4 изучалось изменение биологических свойств
почв под действием биопрепаратов без высева растений. В этих вариантах
препараты вносились методом разового полива почвы 100 мл 5 %-х
растворов (по схеме опыта). В вариантах № 5 и № 6 действие препаратов
изучалось в околокорневой зоне растений ячменя. Биопрепараты в этих
вариантах вносились в почву посредством замачивания семян в течение 1,5
часов в 10 %-х растворах.
Для изучения действия внесенных биопрепаратов
в динамике
почвенные образцы отбирались через 5; 30; 60 и 90 суток начиная от времени
закладки опыта.
3
Результаты и их обсуждение.
Дыхание почвы. Продуцирование углекислого газа почвой есть одна
из важнейших экологических функций. По количеству углекислоты,
выделяемой почвой, можно судить об интенсивности процессов разложения
органического вещества [7], характеризовать продуктивность фитоценоза [8].
Интенсивность дыхания является показателем биологической активности
почвы. Авторами отмечается положительная корреляционная связь между
интенсивностью дыхания почвы и ее плодородием как в естественных, так и
в культурных ценозах [9]. Например, в многолетнем опыте, заложенном в
Краснодарском государственном аграрном университете, была установлена
высокая
корреляция
(r=0,74)
между
интенсивностью
дыхания
и
урожайностью озимой пшеницы [10].
Литературные данные о долях объема СО2, выделяемого корнями
растений и микроорганизмами почвы разноречивы. По одним источникам
корни растений выделяют около 1/3 углекислоты, а микроорганизмы
ответственны за 2/3 выделяющегося из почвы углекислого газа [11]. Другие
исследования
показывают, что корни и микроорганизмы вносят равный
вклад в выделение углекислого газа из почвы [12].
Рассмотрим действие биопрепаратов «Планриз» и «Байкал-М» на
интенсивность почвенного дыхания в описываемом модельном опыте.
Представленные результаты исследований на диаграммах (рис. 1, 2)
демонстрируют изменение эмиссии СО2 при воздействии на почву
указанными препаратами.
4
мг СО2/100г/сут
90
85
80
75
70
65
60
55
50
45
40
35
30
83
84
78
78
74
71
70
68
64
58
66
49
46
50
39
33
0
5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95
время воздействия, сутки
К+Р
Планриз
Байкал
Контроль
Рисунок 1. Динамика изменения интенсивности дыхания почвы под
воздействием биопрепаратов (варианты № 1; № 2; № 4; № 6)
Рисунок 1 иллюстрирует повышение интенсивности выделения СО2 в
вариантах с использованием биопрепаратов на всех временных участках по
сравнению с контролем. Существенное изменение отмечается через 60 и 90
дней после закладки опыта. При использовании препарата «Планириз»
изменение составляет 43 % и 50 %. При использовании препарата «БайкалМ» - 29 % и 42 % соответственно. Первые 30 дней опыта влияние
микроорганизмов, содержащихся в обоих препаратах, на интенсивность
почвенного дыхания носило несущественный характер (3-11 %). Можно
предположить, что интродукция дополнительной микробной биомассы на
первых этапах взаимодействия микроорганизмов с корневой системой
растений создает конкуренцию аборигенным видами микроорганизмов.
В то же время результаты, полученные через первые 30 суток роста
растений ячменя в варианте без добавления биопрепаратов (вариант № 2),
демонстрируют увеличение объема эмиссии СО2 на 18,3% по отношению к
контрольному варианту и на 11-16 % по отношению к вариантам с
бактеризованными растениями (варианты № 5; № 6).
Несмотря на то, что со временем интенсивность дыхания почвы
замедляется во всех вариантах, необходимо отметить, что ее разница в
5
вариантах с препаратами и контролем к концу опыта увеличивается (табл.1).
Таблица 1. Изменение динамики интенсивности дыхания почвы под
действием препаратов в % по отношению к контролю
Время отбора образцов от закладки опыта, сутки
Препараты
5
30
60
90
Показатели изменения интенсивности, %
«Планриз»
14
7
43
51
«Байкал-М»
12
3
29
42
Способность
исследуемых
биопрепаратов
продлевать
период
повышенной эмиссии углекислоты по сравнению с контрольным вариантом
можно отнести к дополнительному положительному эффекту описываемых
средств.
Сравнивая дыхательную активность почв, в условиях изучаемых
биопрепаратов, можно отметить, что под действием «Планриз» она
несколько выше, в среднем на 10 %.
В вариантах без высева растений (№ 3; № 5) наблюдается понижение
продуцирования углекислоты на 8-25 %, в зависимости от сроков
воздействия препаратов. При этом динамика снижения интенсивности
мг СО2/100г/сутки
выделения СО2 в околокорневой зоне бактеризованных растений повторяется
80
75
70
65
60
55
50
45
40
35
30
75
70
74
72.6
66
64.4
58.3
53
50
39.6
38
0
33
5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95
время воздействия, сутки
Контроль
Планриз
Байкал
Рисунок 2 Динамика изменения интенсивности дыхания почвы с внесением
биопрепаратов (варианты № 1; № 3; № 5).
6
Как показано на рисунке 2, во всех вариантах наблюдается общая тенденцая
изменения интенсивности почвенного дыхания. Под действием биопрепарата
«Планриз» интенсивность дыхания почвы изменяется незначительно – до 15%,
в зависимости от времени воздействия препарата.
«Байкал-М»
также
не
способствует существенной интенсификации дыхания почвы вне симбиоза с
корневой системой растений, особенно на первых этапах эксперимента (до 30
суток). Через 60 и 90 суток «Байкал-М» способствовал усилению выделения
СО2 по сравнению с контролем на 18 % и 22 % соответственно.
Как отмечалось выше, интенсивность почвенного дыхания служит важным
показателем почвенного плодородия и характеризует степень интенсивности
процессов разложения органического вещества в почве. С этих позиции важно
отметить особенности питания растений в промежутке времени 30 - 60 дней,
так как именно на этом отрезке времени проявилось заметное изменение
скорости выделения углекислоты почвой, обогащенной микроорганизмами.
Особенности
питания
большинства
сельскохозяйственных
культур
проявляются в том, что основная часть элементов питания поглощается в
ранние сроки. Именно с этим связана система удобрения, предусматривающая
внесение 2/3 всего объема удобрений под основную обработку почвы и лишь
1/3 в качестве припосевного внесения и подкормок. Например, некоторые
озимые культуры за осенний период поглощают до 30 % всего количества
питательных веществ, тогда как сухая масса достигает всего 10 % конечного
урожая. Некоторые яровые за 1,5-2 месяца потребляют 2/3 - 3/4 всего
количества питательных веществ (www.coolreferat.com). Таким образом,
периоды повышенной интенсивности дыхания почв и активного потребления
растениями питательных веществ и формирование фитомассы совпадают.
С точки зрения необходимости создания оптимальных условий для питания
растений, посредством интенсификации биохимических процессов, в том числе
разложения
органических
веществ
почвы,
применение
биологических препаратов показало свою обоснованность.
7
исследованных
Целлюлозоразлагающая активность (ЦРА) почвы. Проявление
целлюлазной
активности
целлюлозразрушающих
почвы
связано
микроорганизмов,
с
энергией
деятельности
представленных
грибами
и
бактериями и продуцированием ими экзоцеллюлаз. Целлюлазная активность
почвы положительно коррелирует с содержанием гумуса, азота, фосфора,
некоторых микроэлементов [13], а также с содержанием углеводов в
растительных остатках. Она зависит от типа растительности, рельефа
местности и гидротермического режима почвы [14]. Наиболее активное
участие в трансформации целлюлозы в почве принимают грибы, бактерии и
актиномицеты [15].
В
целом,
биоклиматические
процессы
и
разложения
экологические
целлюлозы
условия
отражают
почвообразования,
интенсивность протекания биохимических процессов в почве, уровень
плодородия и биологической активности почвы [16], но при этом корреляции
между интенсивностью дыхания почвы и ее целлюлозоразлагающей
активности не отмечается [17].
Опыт по определению влияния исследуемых биопрепаратов на
целлюлозоразлагающую активность почвы был заложен через 90 суток после
уборки растений из сосудов и завершения исследования дыхательной
активности почвы. При закладке опыта за основу была взята методика,
предложенная Воробейчик и Пищулиной [18], которая заключалась в
определении
скорости
деструкции
чистой
целлюлозы
(лабораторная
фильтровальная бумага). Бумага помещалась в пакеты из капроновой сетки с
ячейками 0,5 мм, размером 5×10 см. Пакеты с целлюлозой погружались
вертикально в вегетационные сосуды. Верхний слой бумаги находился на 3
см ниже верхнего уровня почвы. Образцы бумаги в почве выдерживали 30
суток, после чего определялась разница между первоначальной массой
бумаги и массой бумаги после извлечения ее из почвы. Извлеченная бумага
предварительно сушилась 2 часа в сушильном шкафу при t 105°С. Скорость
8
деструкции выражалась в % убыли массы/день.
Интересно было проследить действие бактериальных препаратов на
ЦРА и их способность к пролонгированному влиянию.
По окончании опыта был проведен сравнительный анализ полученных
данных.
Представленная
ниже
диаграмма
показывает
повышение
целлюлозоразлагающей активности в вариантах с внесением в почву
биопрепаратов, даже при отсутствии корневой системы растений (варианты
№ 3; № 4). Интенсивность целлюлозоразложения в этих вариантах
превышает
контрольный
на
69
%
2
1,63
1.8
и
90%
соответственно.
1,77
1,57
1,57
1.6
1.4
1.2
%
1
1,1
0,93
0.8
0.6
0.4
0.2
0
1
2
3
4
5
6
Номера вариантов
Рисунок 3. Интенсивность ЦРА под действием исследуемых биопрепаратов,
%/сутки.
Рисунок 3 свидетельствует о влиянии корневой системы на ЦРА,
усиливая ее активность по отношению к контролю на 75 %. (вар.2). Можно
предположить, что столь значительная разница наблюдается благодаря
изменению микробиологических свойств почв, вызванному влиянием
растительности, причем воздействие это пролонгировано и проявляется даже
через 30 суток после удаления растительных остатков. Сходные данные
получены и другими авторами при проведении эксперимента на парующих
почвах и почвах, занятых растениями. Результат показал, что разложение
целлюлозы и продукция СО2 в почве под растениями гораздо выше, чем без
9
растений [19].
В вариантах № 5 и № 6, в которых воздействие биопрепаратов
сочеталось с влиянием корневой системы растений, эффект получился
различным. В варианте № 5 (с внесением препарата «Планриз») отмечается
значительное усиление ЦРА по сравнению с контролем (69
%), но
полученные данные вполне сопоставимы с действием, производимым
посевом необработанных препаратами растений (вариант № 2).
В варианте № 6, в котором препарат «Байкал-М» сочетается с посевом
ячменя, наблюдаются самые низкие показатели среди обработанных
вариантов. Превышение ЦРА над контролем составляет всего 18 %.
Очевидно, что комплекс молочнокислых и фотосинтезирующих бактерий,
представленных в биопрепарате «Байкал-М» в симбиозе с корнями растений,
не оказывает стимулирующего воздействия на разложение целлюлозы в
почве.
Можно предположить, что причины снижения ЦРА почвы при
обогащении растений препаратом «Байкал-М», связаны с изменением
экологических функций других групп микроорганизмов, находящихся в
околокорневой зоне, а также нарушением естественного хода сукцессионных
изменений [20].
Заключение. Изучение действия микробиологических препаратов в
модельном опыте показало возможности эффективного их использования в
сельскохозяйственном
производстве
для
повышения
биологической
активности почвы. Ее интегральные показатели - интенсивность дыхания
почвы и целлюлозоразлагающая активность при применении изученных
биопрепаратов повышаются.
Использование препарата «Планриз» (бактерии рода Pseudomonas
florescence) способствует повышению интенсивности дыхания почвы, а
следовательно, и интенсификации процессов разложения органического
вещества почвы на 43-50 %. Активация процессов дыхания совпадает с
периодом интенсивного питания растений. Эффективность препарата
10
«Планриз»
подтверждается
и
повышением
целлюлозоразлагающей
активности (ЦРА) на 69 % по отношению к контролю.
Бактериальный препарат «Байкал-М» (комплекс молочнокислых и
фотосинтезирующих бактерий) по влиянию на интенсивность дыхания почвы
незначительно уступает действию «Планриз», а влияние на ЦРА почвы
проявляется вне сочетания с корневой системой растений.
Исследованные микробиологические препараты рекомендуются как
средство активации процессов разложения органического вещества почвы, с
целью обеспечения культурных растений доступными элементами питания.
Способность препаратов «Планриз» и «Байкал-М» повышать ЦРА должна
быть учтена при разработке технологий, способствующих ускорению
деструкции стерневых остатков.
Литература:
Мишустин Е.Н., Емцев В.Т. Микробиология. М., «Колос», 1978.
351с.
2. Симбиотическая азотфиксация и пути ее повышения / Отв. ред.
М.В. Кауш. – Кишинев: Штиинца, 1992. – 148с.; Базилинская М.В.
Исследования по проблеме биологической фиксации азота в
Канаде // С.-х. пр-во и наука. –1986. – №1. – С.21. (Обзор. информ.
Сер.1. Экономика, земледелие и растениеводство).
3. Вакуленко В.В. Биологически активные соединения для
повышения урожайности и качества продукции // Химия в сел.
хоз-ве. – 1997. – № 5. – С.37.
4. Симонович Е.И. Влияние биоудобрения «Белогор» на почвенную
биоту. Материалы V съезда Всероссийского общества почвоведов
им. Докучаева. Ростов-на-Дону. 2008. с.130.
5. Миненко А.К. Изменение биологической активности дерновоподзолистых
почв
при
их
окультуривании
«ВНИИ
Агроэкоинформ».
6. Хазиев Ф.Х. Системно-экологический анализ ферментативной
активности почв. М.: Наука, 1982.
7. Ведрова Э.Ф. Разложение органического вещества лесных
подстилок // Почвоведение.1997. №2. С.261-223.
8. Карпачевский Л.О. Лес и лесные почвы. М.: Лесная
промышленность, 1981. 264 с.
9. Макаров Б.Н. Дыхание почвы и роль этого процесса в углеродном
питании растений // Агрохимия. 1993. №8. С.94-104.
10. Янчковский Ю.Ф. Биологическая активность чернозема
1.
11
11.
12.
13.
14.
15.
16.
17.
18.
19.
20.
21.
выщелоченного
в
агроэкологическом
мониторинге
/
Агроэкологические проблемы в земледелии Северного Кавказа и
Центрально-Черноземной зоны России. Краснодар, 2001. с.32-33.
Благодатский С.А., Ларионова А.А., Евдокимов И.В. Вклад
дыхания корней в эмиссию СО2 из почвы // Дыхание почвы. НЦБИ
РАН Пущино, 1993. С. 26-32/
Курганова И.А. Эмиссия и баланс диоксида углерода в наземных
экосистемах России. автореф.д.б.н. М.2010г. 50 стр.
Козлов К.А. Биологическая активность почв Восточной Сибири:
Автореф.дис….д-ра биол.наук. Таллин: АН ЭССР, 1970. 37с.
Хазиев, 1982/
Манучарова Н.А. Мониторинг развития микробной деструкции
хитина и целлюлозы в почвах. Материалы V съезда
Всероссийского общества почвоведов им. В.В. Докучаева. Ростовна-Дону. 2008г. С.119.
Гауэрт В.И., Наплекова Н.Н., Хмелеа В.А. Сравнительная оценка
показателей биологической активности черноземов горного Алтая.
– Изв.СО АН СССР. Сер.биол.и мед.наук, 1977, вып.3, №15, с.3135.
Владыченский А.С., Телеснина В.М., Румянцева К.А., Чалая Т.А.
Органическое
вещество
и
биологическая
активность
постагрогенных почв южной тайги. Почвоведение 2013. №5.
С.570-582.
Е.Л.Воробейчик, П.Т.Пищулин. «Влияние деревьев на скорость
деструкции целлюлозы в почвах, в условиях промышленного
загрязнения. Почвоведение. №5. 2011. с.597-610.
Ларионова А.А., Котева Ж.В., Розанова Л.И., Кудеяров В.Н.
Влияние азотных удобрений на разложение целлюлозы в почве в
зависимости от отношения С:N в субстрате // Почвоведение. 1994,
№9.
Полянская Л.М., Иванов К.Е., Звягинцев Д.Г. Новый метод учета
численности грамотрицательных бактерий в почве. Материалы V
съезда
Всероссийского
общества
почвоведов
им.
Докучаева.Ростов-на-Дону. 2008г. С.124.
www.coolreferat.com
12