Влияние минеральных удобрений на почвенные микроорганизмы

1.3 Влияние минеральных удобрений на почвенные микроорганизмы

Внесение в почву удобрений не только улучшает питание растений, но изменяет и условия существования почвенных микроорганизмов, которые также нуждаются в минеральных элементах. При благоприятных климатических условиях численность микроорганизмов и их активность после удобрения почвы значительно возрастают.

Стимуляциониый эффект минеральных удобрений на почвенную микрофлору, а в еще большей степени навоза весьма наглядно демонстрирует опыт, проведенный на дерново-подзолистой почве Сельскохозяйственной академии им. К.А. Тимирязева (Е.Н. Мишустии, Е.3. Теппер). Более 50 лет назад по инициативе Д.Н. Прянишникова был заложен стационарный длительный опыт по изучению влияния разных удобрений на почву. Для микробиологического исследования брались образцы со следующих делянок.

Бессменный пар: 1) неудобрявшаяся почва; 2) почва, ежегодно получавшая минеральное удобрение; 3) почва, ежегодно удобрявшаяся навозом.

Бессменная рожь: 1) неудобрявшаяся почва; 2) почва, ежегодно получавшая NРК; 3) почва, ежегодно удобрявшаяся навозом.

Семипольный севооборот с клевером: 1) неудобрявшаяся почва (пар); 2) почва, ежегодно удобрявшаяся навозом (пар).

В среднем почвы, удобрявшиеся минеральными удобрениями, за год получали на 1 га 32 кг азота, 32 кг фосфора (Р₂0₅) и 45 кг калия (К₂0). Навоз вносили в количестве 20 т на 1 га ежегодно.

Таблица 1

Внесенные удобрения	pH		Общее число микроорганизмов, тыс на 1 га	Число актиномицетов, тыс на 1 г	Актиномицеты, %	Общее число грибов, (тыс на 1 га)
	водный	солевой
Бессменный пар неудобренный NPK Навоз Бессменная рожь Неудобренная NPK Навоз 7 – Польный севооборот Неудобренный пар Навоз,пар	4,5 3,8 4,3 3,6 5,5 4,5 5,0 4,0 4,7 3,8 5,9 5,3 4,6 3,9 6,0 5,9		594 1246 2297 6559 5889 13448 1680 4467	117 61 250 3344 2389 7013 430 2316	19,6 4,9 10,9 51,0 40,7 52,1 25,5 51,9	15,0 23,6 30,0 29,0 57,2 28,1 4,0 72,0

Как следует из данных табл.1, почвы, длительное время бывшие под паром, сильно обеднились микроорганизмами, так как в них не поступали свежие растительные остатки. Выше всего численность микроорганизмов была в почве, находившейся под бессменной рожью, куда поступали в значительных количествах растительные остатки.

Внесение минеральных удобрений в почву, находившуюся все время в состоянии пара, заметно увеличило общую биогенность. Существенного влияния на численность микронаселения почвы под бессменной рожью применение минеральных удобрений не оказало.

В большинстве случаев минеральные удобрения несколько снизили относительную численность актиномицетов и увеличили содержание грибов. Это явилось результатом некоторого подкисления почвы, которое отрицательно влияет на первую группу почвенного микронаселения и усиливает размножение второй. Навоз во всех случаях резко стимулировал размножение микроорганизмов, так как с навозом в почву вносится богатый комплекс минеральных и органических веществ»

Различия, имевшиеся в системе удобрений, резко сказались на свойствах почвы и ее урожайности. Почва, находившаяся 50 лет в парующем состоянии, потеряла около половины запаса перегноя. Внесение минеральных удобрений существенно уменьшило эту потерю. Удобрения стимулировали образование микробами перегноя.

Средний урожай за период опыта приводится в табл. 2, составленной на основании данных В. Е. Егорова.

 

Таблица 2

Влияние разных удобрений, внесенных в дерново-подзолистую почву, на урожай сельскохозяйственных культур (в ц/га)

Удобрение	Рожь		Овес		Картофель
	бессменная	В севообороте	бессменный	В севообороте	В севообороте
Контроль NPK Навоз	6,7 10,6 13,7	13,4 20,5 -	7,1 10,1 11,1	13,2 17,8 -	75,6 148,9 172,9

 

В севообороте урожаи были значительно выше, чем при бессменных культурах. Во всех случаях, однако, удобрения существенно повышали урожай. Более эффективным было полное органическое удобрение, т. е. навоз.

Минеральные удобрения обычно обладают «Физиологической» кислотностью. При использовании их растениями накапливаются кислоты, подкисляющие почву. Перегноя и илистые фракции почвы могут нейтрализовать кислые вещества. В таких случаях говорят о «буферных» свойствах почвы. В разобранном нами примере почва обладала хорошо выраженными буферными свойствами и длительное применение удобрений не привело к существенному снижению величины рН. В результате деятельность микроорганизмов не была угнетена. Не отмечалось и вредного последействия удобрений на растения.

В легких песчаных почвах буферность слабо выражена. Длительное применение на них минеральных удобрений может привести к сильному подкислению, в результате которого в раствор переходят токсические соединения алюминия. Вследствие этого биологические процессы в почве подавляются, а урожайность падает.

Подобное неблагоприятное действие минеральных удобрений наблюдалось на легких супесчаных почвах Соликамской сельскохозяйственной станции (Е. Н. Мишустин и В. Н. Прокошев). Для опыта был взят трехпольный севооборот со следующим чередованием культур: картофель, брюква, яровая пшеница. В почву ежегодно вносили N и Р₂0₅ по 90 кг/га, а К₂0 — 120 кг/га. Навоз давали два раза в три года по 20 т/га. Известь вносили из расчета на полную гидролитическую кислотность — 4,8 т/га. Перед микробиологическим исследованием почвы прошли четыре ротации. В табл. 3 даются материалы, характеризующие состояние отдельных групп микроорганизмов в исследованных почвах.

Таблица 3

Влияние разных удобрений на микрофлору подзолистой песчаной почвы Соликамской сельскохозяйственной станции

Удобрения	pH (водный)	Общее число микроорганизмов, тыс.г	Численность актиномицетов, тыс г	Численность грибов тыс. г	Состав целлюлозных микроорганизмов,% обрастаний комочков почвы
					Cytophaga	миксобактерии	Dematium	Другие плесени
Контроль NPK Известь Навоз Известь и навоз	5,5 4,4 6,1 5,9 6,1	538 324 640 1136 1397	180 150 260 610 850	8 14 10 16 17	0 0 0 3 83	0 20 50 40 14	73 0 20 0 0	27 75 18 7 0

Из данных таблицы следует вывод, что применение NРК в течение ряда лет существенно снизило численность микроорганизмов в почве. Не пострадали лишь грибы. Это произошло вследствие значительного подкисления почвы. Внесение извести, навоза и их смесей стабилизовало почвенную кислотность и благоприятно сказалось на микронаселении почвы. Заметно изменился состав целлюлозных микроорганизмов в связи с удобрением почвы. На более кислых почвах преобладали грибы. Все типы удобрений способствовали размножению миксобактерий. Внесение навоза усилило размножение Суtорhаgа.

Интересны данные, иллюстрирующие величины урожая сельскохозяйственных культур на различно удобрявшихся почвах Соликамской сельскохозяйственной станции (табл. 4).

Таблица 4

Влияние удобрений, внесенных в песчаную почву, на урожай сельскохозяйственных культур (в ц/га)

Удобрения	Урожай яровой пшеницы при севооборотах			Урожай картофеля при севооборотах
	1-м	2-м	3-м	1-м	2-м	3-м
Контроль NPK Известь Навоз Известь+навоз	3,8 7,2 - 6,1 -	2,7 1,4 5,4 12,0 14,9	2,3 0,4 4,5 10,9 13,8	82,7 174,8 - 136,1 -	75,7 114,7 75,7 169,9 178,4	58,9 31,1 62,8 145,4 156,6

 

Цифры таблицы показывают, что минеральные удобрения постепенно снижали урожай, причем пшеница начала страдать раньше, чем картофель. Навоз оказал положительное влияние. В общем микробное население реагировало на изменение почвенного фона примерно так же, как и растительность.

При сопоставлении данных таблиц 1 и 3 можно установить, что удобрявшиеся минеральными соединениями дерново-подзолистые почвы Сельскохозяйственной академии им. Тимирязева и подзолистые песчаные почвы Соликамской сельскохозяйственной станции имели одинаковое значение рН в водной вытяжке (4,3—4,4). Однако на песчаной почве отмечался явно выраженный токсикоз, отсутствовавший на дерново-подзолистой почве. Это объясняется более легким переходом в раствор токсических солей алюминия в слабо буферной песчаной почве, имеющей иногда даже не столь катастрофическое снижение рН. В результате Применение удобрений все же вызывает нежелательные последствия. Так, например, подкисление почвы может усилить деятельность некоторых фитопаразитов. По наблюдениям Л. С. Жалнина, вследствие длительного применения удобрений на темно-серой лесной почве усилилось поражение конопли фузариозом (возбудитель Fusarium oxysporum). Так, на контрольной делянке солевое рН почвы равнялось 5,5. В этом случае болело около 5% высеянных растений. При удобрении почвы средней дозой минеральных туков (N₆₀Р₄₅К₄₅) рН снизилось до 5,2; заболело 14% растений. При повышении дозы удобрений (N₂₀₀Р₁₀₀К₂₄₀) показатель рН упал до 4,4 — болезнь поразила 42% растений.

На нейтральных буферных почвах минеральные удобрения даже при длительном их применении положительно действуют на почвенную микрофлору и растения. В табл. 5 приводятся результаты опыта, в котором черноземные почвы Воронежской области удобрялись разными минеральными туками. Азот вносили из расчета 20 кг/га, Р₂0₅—60 кг/га, К₂О — 30 кг/га. Развитие почвенного микронаселения усилилось. Однако высокие дозы удобрений, используемые длительное время, тоже могут снизить рН и подавить рост микрофлоры и раcтений. Поэтому при интенсивной химизации следует учитывать физиологическую кислотность удобрений. Вокруг кусочков минеральных или органических удобрений в почве создаются радиальные микрозоны, содержащие различную концентрацию питательных веществ и имеющие различное значение рН.

 

Таблица 5

Влияние минеральных удобрений на численность микрофлоры черноземной почвы (в тыс/г)

Удобрение	Бактерии	Актиномицеты	Грибы	Микроорганизмы, разрушающие клетчатку
Контроль P2O5+K2O P2O5+K2O+N	4200 5600 8300	1700 2450 3350	16 27 21	30 185 270

 

В каждой из подобных зон развивается своеобразная группировка микроорганизмов, характер которого определяется составом удобрений, их растворимостью и т. д. Таким образом, было бы ошибочно думать, что удобренные почвы во всех точках имеют однотипную микрофлору. Микрозональность, впрочем, свойственна и неудобренной почве, о чем упоминалось ранее.

Усиление размножения микроорганизмов в удобренных почвах сказывается на активизации процессов, протекающих в почве. Так, заметно усиливается выделение почвой С0₂ («дыхание» почвы), что является следствием более энергичного разрушения органических соединений и перегноя. Понятно, почему в удобренных почвах растения наряду с внесенными элементами используют большие количества питательных веществ из почвенных запасов. Особенно наглядно это проявляется в отношении азотных соединений почвы. Опыты с минеральными азотными удобрениями, меченными N¹⁵, показали, что размер мобилизации азота почвы под их влиянием зависит от типа почвы, а также дозировок и форм использованных соединений.

Усилившаяся деятельность микроорганизмов в удобренных почвах одновременно приводит к биологическому закреплению части внесенных минеральных элементов. Некоторая часть минеральных азотсодержащих веществ, например соединения аммония, может закрепляться в почве и в силу физико-химических и химических процессов. В условиях вегетационного опыта в почве связывается до 10—30% дисперсно внесенных азотных удобрений, а в полевых условиях — до 30—40% (А.М. Смирнов). После отмирания микроорганизмов азот их плазмы частично минерализуется, но частично переходит в форму перегнойных соединений. До 10% закрепленного в почве азота может быть использовано растениями в следующем году. Примерно в таком же темпе освобождается остальной азот.

Особенности микробиологической активности в разных почвах влияют на превращение азотных удобрений. На них существенно влияет техника внесения минеральных туков. Гранулирование, например, уменьшает контакт удобрений с почвой, а следовательно, и микроорганизмами. Это существенно повышает коэффициент использования удобрений. Все сказанное в значительной мере относится и к фосфорным удобрениям. Поэтому делается понятным значение учета микробиологической деятельности почвы при разработке вопросов рационального использования удобрений. Биологическое закрепление калия в почве происходит в относительно небольших количествах.

Если азотные удобрения наряду с другими минеральными соединениями активизируют деятельность сапрофитной микрофлоры, то фосфорные, а также калийные соединения усиливают активность свободноживущих и симбиотических азотофиксаторов.

Глава 2 Методика проведения исследования

 

Отбор проб

Научно-исследовательская работа проведена летом - осенью 2008г. на экспериментальном стационарном участке кафедры сельскохозяйственной радиологии и экологии при опытном поле Калужского филиала Российского государственного аграрного университета- МСХА им. К.А. Тимирязева в пригородной зоне города Калуги. Микробиологический анализ почвы проводился в испытательной лаборатории по качеству пищевых продуктов, продовольственного сырья и экологии. г. Калуга, кирпичная ул., МПС-15.

Район местонахождения учебно-опытного поля характеризуется умеренно-континентальным климатом, с теплым летом, умеренно холодной зимой, устойчивым снежным покровом и хорошо выраженными переходными сезонами. Полное оттаивание почвы наблюдается 23-24 апреля. По влагообеспеченности район расположения учебно-опытного поля нужно отнести к зоне достаточного увлажнения. Две трети годового количества осадков выпадает в виде дождя, одна треть в виде снега.

По природно-географическому районированию опытное поле относится к Угрино-Суходревскому району Смоленско-Московской провинции.

Почвенный покров учебно-опытного поля представлен дерново-подзолистыми почвами нормального увлажнения. Почвенная разновидность- дерново-среднеподзолистые супесчаные и песчаные почвы. Для этих почв характерно хорошо развитого гумусового горизонта.

Отбор проб почвы производили на дерново-подзолистых супесчаных почвах опытного поля КФ РГАУ – МСХА имени К. под посадками топинамбура. Брали пробу почвы на которую не вносились удобрения (контроль) и пробу почвы на которую вносились минеральные удобрения (NPK). Почву отбирали методом диагонали почвенным буром со стаканчиком 20 см. Объединенную пробу составляли путем смешивания точечных проб, отобранных на одной пробной площадке. В итоге проба почвы составляла 500 гр. Почву просушили и просеяли через сито диаметром 3 мм.

Приготовление разведений.

Образец почвы тщательно перемешали и из него отобрали навески 10 гр. Навеску поместили в стерильную колбу. Добавили 100 мл стерильной воды. Взболтали, дали 10 мин отстояться суспензии. В стерильные пробирки разлили по 9 мл стерильной воды. Стерильной пипеткой из исходной суспензии взяли 1 мл смеси и добавили в первую пробирку с водой. Это первое разведение, в нем концентрация почвы 1:10. Из первого разведения брали 1 мл раствора и добавляли его во вторую пробирку с водой. Это второе разведение с концентрацией почвы 1:100. Таким образом продолжали делать разведения до концентрации 1:100000(105).

Определение общей численности почвенных микроорганизмов.

Для определения общей численности почвенных микроорганизмов осуществили посев микроорганизмов на питательную среду, в качестве которой используется мясо-пептонный агар (МПА).

МПА представляет собой универсальную, плотную среду, которая плавится только при температуре около 100 ˚С и позволяет работать практически в любых температурных условиях. Брали 8,75 гр питательного агара в сухом виде, приготовленный промышленным способом. Добавляли его в колбу с 250 мл дистиллированной воды, полученную смесь доводили до кипения при постоянном помешивании. Кипятили до полного расплавления агара. Фильтровали среду через марлю. Затем, среду автоклавировали при давлении 1 атм в течение 20 минут. Перед розливом в чашки Петри среду охлаждали до 50˚ С.

Поверхностный метод посева.

В стерильную чашку Петри наливали агар слоем высотой 5 мм. При этом горло колбы во время разлива провели через пламя спиртовки, ватную пробку после разлива обожгли. Во время разлива пробку держали между мизинцем и безымянным пальцем правой руки. Стерильной пипеткой берем 1мл раствора из пятого разведения (105). Капали в чашку Петри с агаром и стерильным шпателем растирали по всей поверхности чашки.

Глубинный метод посева.

Стерильной пипеткой брали 1мл раствора из пятого разведения (105). Капали в чашку Петри и заливали агар. Чашку с агаром слегка помешали.

Подсчет колоний осуществили на пятый день после посева. Затем провели морфологическое описание колоний.

Морфологическое описание колоний.

Колонией называют изолированное скопление клеток одного вида, выросшее в большинстве случаев из одной клетки. В зависимости от того, где развивались клетки, различают поверхностные, глубинные и донные колонии. В нашем случае образовались поверхностные колонии. Описание производили учитывая следующие признаки:

форма – круглая, амебовидная, неправильная, ризоидная, круглая с фасеточным краем, круглая с валиком по краю, с ризоидным краем, нитевидная, складчатая, концентрическая, сложная.

размер – измеряют диаметр колонии в миллиметрах.

поверхность – гладкая, шероховатая, бороздчатая, складчатая, морщинистая, с концентрическими кругами или радиально исчерченная.

профиль – выпуклый, плоский, кратерообразный, конусовидный, бугристый.

блеск и прозрачность – блестящая, матовая, тусклая, мучнистая, прозрачная.

цвет – бесцветная или пигментированная – белая, желтая, золотистая, оранжевая, сиреневая, красная, черная.

край – ровный, волнистый, зубчатый, гладкий, лопастной, неправильный, реснитчатый.

структура – однородная, мелко- или крупнозернистая, струйчатая, волокнистая.

Приготовление фиксированных микропрепаратов.

На обезжиренное предметное стекло наносили каплю воды бактериологической петлей, простерилизованной на пламени горелки. Вновь прогревали петлю на пламени горелки и брали пробу колонии из чашки Петри. Растирали пробу в капле воды по кругу. Мазок высушивали на воздухе, затем фиксировали. Мазок фиксировали термически, проводя стекло 2 – 3 раза через пламя горелки мазком вверх. Фиксация мазка приводит к гибели микроорганизмов, плотному прилипанию их к поверхности стекла и более легкой восприимчивости микробов к красителю. Фиксированный мазок окрашивали, заливая его поверхность раствором красителя на 2 минуты. Затем краситель с мазка смывали водой, нижнюю сторону препарата вытирали полоской фильтровальной бумаги, верхнюю осторожно обсушивали с боков, не дотрагиваясь до мазка. Препарат окончательно досушивали на воздухе. Таким образом делали препарат с каждой колонии. Готовый мазок микроскопировали. Описывали морфологию бактерий и по данным определили род бактерии.

Глава 3. Результаты исследования

 

Летние пробы: 105 поверхностное NPK 7 колоний Морфологическое описание колонии: Колония 1: Форма – округлая с валиком по краю Размер – 15 мм Поверхность – гладкая Профиль – плоский Блеск и прозрачность – блестящая Цвет – белая Край – гладкий Структура – однородная Колония 2: Форма – неправильная Размер – 7 мм Поверхность – гладкая Профиль – выпуклый Блеск и прозрачность – блестящая Цвет – белый Край – волнистый Структура – однородная Колония 3: Форма – округлая Размер – 5 мм Поверхность – гладкая Профиль – выпуклый Блеск и прозрачность – блестящая Цвет – оранжевый Край – ровный Структура – однородная 105 поверхностное – 2 NPK 4 колонии Морфологическое описание колонии: Колония 1: Форма – складчатая Размер – 25 мм Поверхность – складчатая Профиль – зубчатый Блеск и прозрачность – матовая Цвет – грязно – белый Край – волнистый Структура – зернистая Колония 2: Форма – округлая Размер – 5 мм Поверхность – гладкая Профиль – плоский Блеск и прозрачность – блестящая Цвет – оранжевая Край – ровный Структура - однородная Глубинное – 1 колония Глубинное2 – 5 колоний 105 поверхностное – лес 156 колоний Колония 1: Форма – округлая Размер – 1-2 мм Поверхность – гладкая Профиль – плоский Блеск и прозрачность – блестящая Цвет – белая Край – ровный Структура – однородная Колония 2: Форма – округлая с валиком по краю Размер – 13 мм Поверхность – гладкая Профиль – плоский Блеск и прозрачность – блестящая Цвет – белый Край – гладкий Структура – однородная 10 5 поверхностное 2 – лес 134 колонии Колония 1: Форма – округлая Размер – 1-2 мм Поверхность – гладкая Профиль – плоский Блеск и прозрачность – блестящая Цвет – белая Край – ровный Структура – однородная Глубинное – 5 колоний Глубинное2 – 1 колония Осенние пробы: 105 поверхностное NPK 211 колоний Морфологическое описание колонии: Колония 1: Форма – округлая Размер – 1-2 мм Поверхность – гладкая Профиль – плоский Блеск и прозрачность – блестящая Цвет – белая Край – ровный Структура – однородная Колония 2: Форма – округлая Размер – 9 мм Поверхность – гладкая Профиль – выпуклый Блеск и прозрачность – блестящая Цвет – белый Край – ровный Структура – однородная 105 поверхностное 2 NPK 195 колоний Морфологическое описание колонии: Колония 1: Форма – округлая Размер – 1-2 мм Поверхность – гладкая Профиль – плоский Блеск и прозрачность – блестящая Цвет – белая Край – ровный Структура – однородная Колония 2: Форма – округлая Размер – 7 мм Поверхность – гладкая Профиль – выпуклый Блеск и прозрачность – блестящая Цвет – белый Край – ровный Структура – однородная Глубинное – 325 колоний Глубинное2 – 311колоний 105 поверхностное – лес 2 колонии Морфологическое описание колонии: Колония 1 Форма – округлая Размер – 20 мм Поверхность – шероховатая Профиль – плоский Блеск и прозрачность – матовая Цвет – бесцветный Край – ровный Структура - зернистая Колония 2 Форма – округлая Размер – 11 мм Поверхность – гладкая Профиль – выпуклый Блеск и прозрачность – блестящая Цвет – белый Край – ровный Структура однородная 105 поверхностное2 – лес 3 колонии Морфологическое описание колонии: Колония 1: Форма – округлая Размер – 7 мм Поверхность – гладкая Профиль – выпуклый Блеск и прозрачность – блестящая Цвет – белый Край – ровный Структура однородная Глубинное – 1 колония Глубинное2 – 2 колонии

Палочковидные Палочковидные Скопления гексональной формы в центре кружочек Палочковидные Скопления гексональной формы в центре кружочек Кокки Палочковидные Кокки Кокки Стафилококки Кокки Стафилококки Палочковидные Стафилококки Стафилококки

Сравнение числа колоний

Лес
Метод посева поверхностное	Время сбора почвы
	лето	осень
Число колоний	290 = 145*105(КОЕ)	5 = 2,5*105
Метод посева глубинный
Число колоний	6 = 3*105	3 = 1,5*105
NPK
Метод посева поверхностное
Число колоний	11 = 5,5*105	306 = 203*105
Метод посева глубинный
Число колоний	6 = 3*105	636 = 318*105

*КОЕ – число колониеобразующих единиц в 1 гр почвы.

 

Дыхание почвы

X= (a-b)*k/m*t

X – интенсивность дыхания

а– объем щавелевой кислоты, пошедшей на титрование щелочи в колбе без почвы

б – объем щавелевой кислоты, пошедшей на титрование опытных вариантов

м – масса почвы

т – время экспозиции

к – поправка к титру

к = 1

1)NPK

Х = (97 мл – 73,5мл)*1/5 гр*40 мин = 0,1175

2)контроль

Х = (97 мл – 80 мл)*1/5 гр*40 мин = 0,085

3)NPK

Х = (88,5 мл – 112,5 мл)*1/5 гр*40 мин = -0,12

4)контроль

Х = (88,5 мл – 90 мл)*1/5гр*40 мин = -0,0075

Название	NPK 1	Контроль 1	NPK 2	Контроль 2
а	97	97	88,5	88,5
б	73,5	80	112,5	90
м	5	5	5	5
т	40	40	40	40
к	1	1	1	1
Х	0,1175	0,085	-0,12	-0,0075