Scientific journal
Fundamental research
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,441

SOIL MICROFLORA AND PRODUCTIVITY OF MIXED LEGUME-CEREAL AGROCENOSIS

Gordeeva T.K. 1 Novoselov S.I. 2
1 FBGOU VPO «Volga State University of Technology»
2 FBGOU VPO «Mari State University»
Изучена микробиологическая активность почвы одновидовых и совместных с бобовыми растениями посевов зерновых культур на дерново-подзолистой почве Востока Нечерноземья. Выявлено усиление активности микробиологических процессов и повышение микробной биомассы при возделывании яровой пшеницы в смешанных посевах с однолетними (вика, горох) бобовыми травами. Наиболее благоприятный режим складывается в совместных посевах пшеницы с горохом. Установлена сопряженность величины микробной биомассы и урожайности яровой пшеницы в смешанных посевах, отражающая в совокупности благоприятный питательный режим и улучшение условий произрастания растений. Эффективным приемом, обеспечивающим повышение продуктивности агроценозов и улучшение качества зерна яровой пшеницы, является совместное ее возделывание с бобовыми культурами. Наибольшая продуктивность агроценоза с лучшими показателями качества зерна яровой пшеницы формируется при ее совместном возделывании с горохом.
Studied the microbiological activity of soil-species and compatible with leguminous plants of grain crops on sod-podzolic soil East Black Earth. Revealed upregulation of microbiological processes and increasing of the microbial biomass in the cultivation of spring wheat in mixed plantings with annuals (vetch, peas), leguminous herbs. The most favorable treatment consists in joint wheat fields with peas. Established set of microbial biomass and yield of spring wheat in joint crops, reflects the combined favorable nutrient status and working conditions of plant growth. Effective method to increase productivity and improve the quality of agrocenosis spring wheat, is a joint venture with it’s cultivation of legumes. Most agrocenosis productivity with better quality of grain of spring wheat is formed at its joint cultivation of peas.
single-species and mixed crops
microflora
microbial activity
productivity agrocenosis
grain quality
1. Zhuchenko A.A. Resursnyj potencial proizvodstva zerna v Rossii. M.: Agrorus, 2004. 1110 р.
2. Pasynkov A.V., Lekomcev P.V. Vlijanie inokuljacii semjan biopreparatami na urozhajnost’ i belkovost’ zerna pri vozdelyvanii pshenicy i goroha v chistyh i smeshannyh posevah // Zdorov’e pitanie biologicheskie resursy: materialy mezhdunar. nauch.-prakt. konf. Kirov: NIISH. S.-V., 2002. T. 1. рр. 488–496.
3. Zelenskij N.A., Savinov A.S. Vlijanie binarnyh posevov na produktivnost’ agrocenoza ozimoj pshenicy // Vestnik Altajskogo GAU, 2008. no. 11(49). рр. 5–6.
4. Sjegi J. Metody pochvennoj mikrobiologii. M.: Kolos, 1983. 296 р.
5. Metody pochvennoj mikrobiologii i biohimii / pod red. D.G. Zvjaginceva M.: Izd-vo MGU, 1991. 304 р.
6. Muha V.L. O pokazateljah, otrazhajushhih intensivnost’ i napravlennost’ pochvennyh processov // Trudy HarSHI. Har’kov, 1980. T. 273. рр. 13–16.

Одним из путей повышения продуктивности агроценозов является использование смешанных посевов бобовых и злаковых культур. По данным ряда авторов [1, 2], межвидовые и внутривидовые смеси сельскохозяйственных культур обеспечивают более высокую урожайность по сравнению с урожайностью каждого из компонентов; характеризуются большей устойчивостью урожая в условиях варьирующих факторов внешней среды; позволяют активно включать в агроценоз биологический азот; повышают устойчивость к полеганию. Кроме того, введение бинарных посевов дает возможность более выгодно использовать посевные площади, улучшить баланс питательных веществ без отрицательного воздействия на все компоненты агроландшафтов [3]. Совместное возделывание злаковых и бобовых культур приводит к изменению микробоценозов почвы. При этом изменения в составе почвенной микрофлоры и ее активность в значительной степени зависят от биологических особенностей возделываемых культур, формирования микроклимата, распределения и доступности элементов питания, экологических условий среды. Повышенное содержание азота в корневых выделениях растущих растений и растительных остатков бобовых способствует сохранению почвенного плодородия и обогащению почв доступными для растений формами азота.

Целью исследования является изучение влияния одновидовых и совместных с бобовыми растениями посевов яровой пшеницы на микробиологическую активность почвы и продуктивность агроценозов.

Материал и методы исследования

Эффективность смешанных посевов изучали в вегетационном двухфакторном опыте на агробиостанции Марийского государственного университета. Фактор А – удобрения: А1 – без удобрений; А2 – N30P30K30. Фактор В – вид посева: В1 – пшеница; В2 – пшеница + вика; В3 – пшеница + горох. Использовали вегетационные сосуды Митчерлиха диаметром 19 см, массой почвы в сосуде 4,5 кг. Количество растений яровой пшеницы в одновидовом посеве составляло 10 растений на сосуд. В смешанных посевах высевали по 5 растений пшеницы и 5 растений бобового компонента на сосуд. Возделывали яровую пшеницу сорта Приокская, горох Труженик, вику Льговская. Повторность опыта 4-кратная. Почва опыта дерново-подзолистая среднесуглинистая. Агрохимические показатели почвы при закладке опыта: pHсол. – 6,6–6,8; содержание гумуса 1,97–2,0 %; гидролизуемый азот – 68–77 мг/кг; подвижный фосфор – 300–351 мг/кг; подвижный калий – 206–220 мг/кг; Hr – 3,0 мг-экв/100 г почвы.

Учет численности микроорганизмов проводили путем посева на агаризованные питательные среды. Аммонифицирующие бактерии учитывали на мясопептонном агаре; микроорганизмы, использующие минеральный азот, – на крахмалоаммиачном агаре; грибы – на подкисленном сусло-агаре; олигонитрофилы – на среде Эшби; олиготрофы – на почвенном агаре; целлюлозоразрушающие микроорганизмы – на среде Гетчинсона с целлюлозным порошком; частоту встречаемости азотабактера – на среде Эшби методом обрастания комочков почвы [4]. Микробную биомассу определяли методом регидратации [5]. Для характеристики направленности микробиологических процессов в почве одновидовых и смешанных посевов бобовых и зерновых культур и ее экологического состояния определяли содержание общей биомассы микроорганизмов, коэффициенты минерализации, олиготрофности, олигонитрофильности, биогенности почвы и микробной трансформации растительных остатков в органическое вещество почвы [6].

Результаты исследования и их обсуждение

Анализ численности почвенной микрофлоры показал, что в почве совместных с бобовыми травами посевов яровой пшеницы активно метаболирует микрофлора, трансформирующая азотсодержащие органические соединения. При этом численность аммонифицирующей микрофлоры в почве смешанных посевов пшеницы с викой увеличивается в 1,7 раза; с горохом в 2,1 раза по сравнению с чистыми посевами. Такая же закономерность сохраняется по фону минеральных удобрений (табл. 1).

Таблица 1

Численность эколого-трофических групп микроорганизмов в почве одновидового и смешанного посевов яровой пшеницы с бобовыми культурами

Вариант (В)

Бактерии, млн кл/г абс. сухой почвы

Актиномицеты, млн. кл/г абс. сух. почвы

Микромицеты, тыс. КОЕ/г абс. сух. почвы

Аммонифи-цирующие

Амино-автотрофные

Олиго-трофные

Олигонитро-фильные

Без удобрений (А)

Пшеница

1,5

1,3

2,8

1,7

0,85

56,2

Пшеница + горох

3,1

4,9

1,4

4,2

1,18

24,2

Пшеница + вика

2,6

3,9

1,8

4,7

0,89

27,7

N30P30K30

Пшеница

1,9

2,7

2,8

2,8

0,91

35,2

Пшеница + горох

4,2

5,6

2,1

9,5

1,24

22,4

Пшеница + вика

3,8

5,5

2,5

5,3

1,16

29,8

HCP05

Частных различий

0,18

0,32

0,22

0,30

0,08

2,22

Фактора А

0,11

0,19

0,13

0,17

0,04

1,28

Фактора В

0,13

0,23

0,15

0,21

0,05

1,57

Стимуляция микрофлоры смешанных посевов обусловлена, вероятно, большим количеством легкогидролизируемых микроорганизмами соединений корневых выделений и корневого опада. Среди микроорганизмов, усваивающих минеральные формы азота, доминирует бактериальная микрофлора. Численность микроорганизмов, выделяемых на средах с минеральными источниками азота, показывает потенциальную способность микробного сообщества почвы иммобилизировать азот в микробной биомассе, что повышает содержание биологически связанного азота и снижает непроизводительные потери. Количество аминоавтотрофных бактерий выше в почве смешанных посевов зернобобовых. Внесение небольших доз минеральных удобрений активизирует микробиологические процессы, стимулируя рост численности аминоавтотрофных микроорганизмов.

Значение коэффициента минерализации в почве совместных посевов пшеницы с бобовыми культурами больше единицы, что свидетельствует об интенсивности процессов мобилизации азота в почве (табл. 2). Это подтверждает и высокий коэффициент микробной трансформации растительных остатков в смешанных посевах. Наибольшие значения данного показателя отмечаются в смешанных посевах яровой пшеницы и гороха.

Существенную роль в мобилизации азота в почве играют олигонитрофильные микроорганизмы. Активное развитие олигонитрофилов в почве совместных посевов зернобобовых можно объяснить малой требовательностью к присутствию питательных веществ и в первую очередь азота. При потреблении азота растениями в процессе роста и развития олигонитрофилы получают преимущественное развитие. Достаточно высокие коэффициенты олигонитрофильности в почве смешанных посевов пшеницы с бобовыми растениями свидетельствуют как об усилении иммобилизации азота в почве, так и усилении потребления его растениями.

Таблица 2

Интенсивность микробиологических процессов в почве одновидового и смешанного посевов яровой пшеницы с бобовыми культурами

Вариант опыта

Коэффициент

Относительная оценка плотности микрофлоры, %

минера-лизации

олиготроф-ности

олигонитро-фильности

микробной трансформации растительных остатков

азотфикси-рующая

целлюлозо-разрушающая

Без удобрений

Пшеница

0,9

1,87

1,13

3,23

54,8

22,6

Пшеница + горох

1,6

0,45

1,36

5,06

78,4

31,0

Пшеница + вика

1,5

0,69

1,86

4,33

57,6

36,0

N30P30K30

Пшеница

1,05

1,47

1,47

3,71

53,2

27,8

Пшеница + горох

1,3

0,5

2,26

7,35

66,0

38,5

Пшеница + вика

1,5

0,66

1,4

6,43

64,1

43,3

Изменение питательного режима в почве повлияло на численность олиготрофной микрофлоры. Представители олиготрофной группы прокариот в почве совместных посевов были не многочисленные, что обусловлено, вероятно, достаточным количеством питательных веществ. Минимальные значения коэффициента олиготрофности отмечаются в почве совместных посевов пшеницы с горохом без удобрений и по фону NPK.

В процессах трансформации различных веществ, в образовании и разложении гумуса в почве важную роль играют актиномицеты. Их присутствие в исследуемой почве может являться показателем усиления минерализации труднодоступных веществ в почве. Изменение численности актиномицетов совпадает с динамикой азотмобилизирующих бактерий. В почве смешанных посевов зернобобовых количество микроорганизмов данной группы увеличивается. Следует отметить, что в почве смешанных посевов происходит некоторая перегруппировка этих микроорганизмов в сторону увеличения доли бактерий при снижении относительного содержания актиномицетов. Наибольшая численность актиномицетов отмечается в почве посевов пшеницы с горохом.

Изменение структуры посевов способствует снижению численности микроскопических грибов. В почве смешанных посевов пшеницы с викой количество микромицетов уменьшается в 2 раза, по фону минеральных удобрений – в 1,2 раза, в посевах с горохом – в 2,3 и 1,6 раза соответственно, по сравнению с теми же показателями в чистых посевах. Относительный показатель биогенности почвы изменяется с достаточно широкой амплитудой: в почве чистых посевов пшеницы его значение составляет 2,7–5,4; в совместных посевах с викой 9,4–12,8, с горохом – 12,9–18,8 соответственно.

Корневые выделения смешанных посевов пшеницы с бобовыми растениями благоприятно повлияли на частоту встречаемости азотобактера. При этом наилучшие условия для его развития складываются при совместном возделывании пшеницы с горохом, что обусловлено, вероятно, тем, что горох может ассимилировать малоподвижные формы фосфорных удобрений, благоприятно влияя на встречаемость азотобактера в почве.

В смешанных посевах бобовых и злаковых культур отмечается активное разложение целлюлозы. Распространение и активность целлюлозоразрушаюших микроорганизмов связаны с наличием минерального азота и характеризуют обеспеченность почвы азотным питанием для высших растений. Численность целлюлозоразрушаюших микроорганизмов в почве совместных посевов яровой пшеницы с викой увеличивается в 1,4 раза, с горохом в 1,6 раза по сравнению с чистыми посевами; по фону минеральных удобрений эта закономерность сохраняется.

В смешанных посевах яровой пшеницы с бобовыми культурами увеличивается общая биомасса почвенных микроорганизмов. Наименьшая величина микробной биомассы отмечается в одновидовых посевах яровой пшеницы: без удобрений она составляет 382 мкг С/100 г, по фону минеральных удобрений – 628 мкг С/100 г абсолютно сухой почвы. Совместное выращивание яровой пшеницы с однолетними бобовыми травами оказывает существенное воздействие на биологическую активность почвы и формирование в ней микробной биомассы. Наиболее благоприятный режим складывается в совместных посевах с горохом – 1037 мкг С/100 г абсолютно сухой почвы. Увеличение общей микробобиомассы в смешанных посевах яровой пшеницы свидетельствует о достаточно высокой активности микробиологических процессов. Проведение корреляционного анализа выявило существенную положительную связь величины микробной биомассы с урожаем возделываемой зерновой культуры (r = 0,88). Сопряженность величины микробной биомассы и урожайности яровой пшеницы отражает в совокупности благоприятный питательный режим и улучшение условий произрастания растений.

Изучение продуктивности яровой пшеницы в одновидовых и смешанных посевах с бобовыми культурами выявило преимущество последних во все годы исследований (табл. 3).

Таблица 3

Влияние удобрений на урожайность зерна одновидового и смешанного посевов яровой пшеницы с бобовыми культурами

Вариант (В)

2000 г.

2001 г.

2002 г.

В среднем за три года

г./сосуд

г. к. ед./ сосуд

г./сосуд

г. к. ед./ сосуд

г. к. ед./сосуд

г./сосуд

г. к. ед./ сосуд

Без удобрений (А)

Пшеница

6,12

7,22

6,54

7,72

6,68

7,89

6,45

7,60

Пшеница + вика

3,46

11,52

3,71

10,28

3,71

11,53

3,63

11,11

6,3

5,00

6,07

5,79

Пшеница + горох

3,86

14,05

3,83

12,29

3,9

12,86

3,86

13,07

8,06

6,59

7,0

7,21

N30P30К30

Пшеница

7,39

8,72

6,96

8,21

7,35

8,68

7,23

8,54

Пшеница + вика

3,97

13,53

3,91

12,18

4,05

13,11

3,98

12,94

7,50

6,41

7,07

6,99

Пшеница + горох

4,12

15,40

4,09

13,25

4,10

14,03

4,1

14,22

8,94

7,14

7,79

7,95

НСР05

Част. разл.

Фактора А

Фактора В

 

0,6

0,4

0,5

 

0,6

0,3

0,4

 

0,7

0,4

0,5

 

0,5

0,3

0,4

Примечание. Над чертой – урожайность пшеницы, под чертой – урожайность бобового компонента.

В 2000 г. выход кормовых единиц в совместном посеве пшеницы с викой без удобрений возрастает на 4,3 г. к. ед./сосуд, с горохом – на 6,83 г. к. ед./сосуд. На фоне удобрений эти прибавки соответственно составляют 4,81 и 6,68 г. к. ед./сосуд. Применение минеральных удобрений в этом году увеличивает урожайность яровой пшеницы и бобовых компонентов. Выход кормовых единиц при их применении под пшеницу возрастает на 1,50 г. к. ед./сосуд, в смешанных посевах пшеницы с викой и горохом – соответственно на 2,01 и 1,35 г. к. ед./сосуд. В 2001 г. выход кормовых единиц по пшенице без удобрений составляет 7,72 г. к. ед./сосуд, а при их применении – 8,2 г. к. ед./сосуд. В смешанных посевах пшеницы с викой и горохом без удобрений он возрастает на 2,56 и 4,57 г. к. ед./сосуд, а при их применении – на 3,97 и 5,04 г. к. ед./сосуд соответственно. В 2002 г. увеличение выхода кормовых единиц в смешанном посеве пшеницы с викой на фоне без удобрений составляет 3,64 г. к. ед./сосуд, а на удобренном – 4,43 г. к. ед./сосуд. В смешанном посеве пшеницы с горохом эти прибавки были еще выше и составили соответственно 4,37 и 5,35 г. к. ед./сосуд. В среднем за три года минимальный выход кормовых единиц получен при возделывании яровой пшеницы в чистом виде. Максимальный выход кормовых единиц был в смешанных посевах яровой пшеницы с горохом.

Используемые в опыте минеральные удобрения и бобовые компоненты оказали влияние на качество зерна яровой пшеницы (табл. 4).

Таблица 4

Качество зерна яровой пшеницы в одновидовом и смешанных посевах (среднее за три года)

Вариант (В)

Сырой белок, %

Сырая клейковина, %

ИДК, у.е.

Масса 1000 семян, г

Р2О5, %

К2О, %

Без удобрений (А)

Пшеница

14,10

34,03

80,0

25,37

0,73

0,45

Пшеница + вика

14,36

35,57

70,0

26,13

0,87

0,45

Пшеница + горох

15,27

36,40

65,0

26,20

0,83

0,50

N30P30K30

Пшеница

14,69

37,97

65,0

25,40

0,74

0,46

Пшеница + вика

15,33

38,40

70,0

26,23

0,79

0,48

Пшеница + горох

15,71

39,47

75,0

26,87

0,77

0,48

НСР05

Част. различий Фактора А

Фактора В

0,55

0,32

0,39

0,96

0,56

0,68

7,9

4,6

5,6

0,72

0,42

0,51

Fфакт < Fтабл

Fфакт < Fтабл

Применение минеральных удобрений увеличивает содержание сырого белка и клейковины, улучшает показатель ИДК, не изменяет массу 1000 семян, содержание фосфора и калия. Лучшие показатели качества зерна были получены в смешанных посевах яровой пшеницы с горохом. В данном варианте по сравнению с контролем в зерне содержание сырого белка увеличивается на 1,2 %, а в варианте с N30P30K30 – на 1 %, сырой клейковины соответственно 2,4 и 1,6 %. Полученное зерно соответствует первому классу качества. Существенное увеличение содержания белка в зерне яровой пшеницы, высеваемой в смеси с горохом, по сравнению с одновидовым посевом обусловлено, по-видимому, улучшением условий азотного питания.

Выводы

Таким образом, использование бобовых культур в смешанных посевах яровой пшеницы повышает биологическую активность почвы, интенсифицирует микробиологические процессы и способствует накоплению почвенного органического вещества. Наибольшая микробная биомасса отмечается в посевах с горохом по фону минеральных удобрений. Эффективным приемом, обеспечивающим повышение продуктивности агроценозов и улучшение качества зерна яровой пшеницы, является совместное ее возделывание с бобовыми культурами. Наибольшая продуктивность агроценоза с лучшими показателями качества яровой пшеницы формируется при ее совместном возделывании с горохом.

Рецензенты:

Демаков Ю.П., д.б.н., профессор кафедры экологии, почвоведения и природопользования, ПГТУ, г. Йошкар-Ола.

Карасев В.Н., д.с.-х.н., профессор кафедры СПС, ботаники и дендрологии, ПГТУ, г. Йошкар-Ола.

Работа поступила в редакцию 01.10.2014.