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.