Введение. Органическое вещество почвы играет первостепенную роль в формировании потенциального и эффективного плодородия почв, получении высоких и стабильных урожаев сельскохозяйственных культур [1]. При этом в интенсивно используемых пахотных почвах изменения условий гумусообразования и снижение поступления в почву растительных остатков изменяют круговорот органического вещества и углерода, что приводит к дегумификации, которая проявляется в снижении содержания и ухудшении качества почвенного органического вещества [2, 3]. Использование биологических средств защиты растений, биостимуляторов и биологических удобрений рассматривается как экологизация сельскохозяйственного производства [4, 5]. Применение микроводорослей в качестве биологических удобрений в инновационных технологиях возделывания сельскохозяйственных культур является перспективным направлением современного сельского хозяйства и нацелено на повышение устойчивости земледелия и сохранение плодородия почв. В последние десятилетия у сельскохозяйственных производителей резко снизились объемы агротехнических и биологических мероприятий, что привело к неудовлетворительному состоянию сельскохозяйственных угодий в стране. Экологизация сельского хозяйства и внедрение методов биологизации, направленных на восстановление органического вещества в почвах, становятся неотъемлемыми элементами решения этой проблемы. Один из перспективных методов – восстановление почвенных экосистем на сельскохозяйственных угодьях, повышение плодородия и продуктивности агроценозов за счет применения биопрепаратов [6]. В настоящий период появились инновационные возможности создания органических удобрений нового поколения на основе микроводорослей.
Самыми многочисленными представителями природных микробиомов являются зеленые водоросли и цианобактерии. Их отличает уникальная устойчивость в широком диапазоне экологических и климатических условий, быстрое восстановление жизнеспособности после неблагоприятных условий и высокая продуктивность [7]. Огромную популярность в биотехнологиях приобрели представители родов Chlorella и Arthrospira [8]. Исследованиями [9] подтверждено позитивное влияние альголизации на состояние почв. Прежде всего это проявляется в накоплении органического вещества благодаря выделяемым метаболитам и отмирающей биомассе клеток. Микроводоросли как источник органического вещества конкурируют с высшими растениями, поскольку скорость их фотосинтеза примерно в 10–50 раз выше [10]. Сложное строение клеточной стенки хлореллы делает органическое вещество погибших клеток медленно разлагающимся, тем самым консервируя углерод в почве [11]. Клетки Chlorella и Arthrospira состоят из органических соединений с высоким содержанием белка и витаминов 86 и 64,5 % соответственно [12]. Органические вещества в почвах – ресурс для развития гетеротрофных микроорганизмов, деятельность которых приводит к постепенной минерализации и высвобождению доступных высшим растениям форм азота и фосфора [13].
Цель исследования – установить действие биопрепаратов с микроводорослями Chlorella vulgaris и Arthrospira platensis на содержание и запасы подвижных гумусовых веществ в агрочерноземе при возделывании яровой пшеницы.
Объекты и методы. Исследования проведены в полевом опыте в 2022–2023 гг. в учебно-опытном хозяйстве Красноярского государственного аграрного университета «Миндерлинское» в Красноярской лесостепи на агрочерноземе глинисто-иллювиальном типичном. Почва опытного участка характеризовалась высоким содержанием гумуса (7,1–7,8 %), очень высокой суммой обменных оснований (48,2–57,5 ммоль/100 г) и нейтральной реакцией почвенного раствора (рНН2О – 6,6–6,9). В агроценозе яровой пшеницы сорта Новосибирская 31, возделываемой по чистому пару, применялись биопрепараты на основе микроводоросли Chlorella vulgaris и цианобактерии Arthrospira platensis в виде суспензии и гранул.
Схема опыта: 1 – контроль; 2 – Chlorella vulgaris (1 % раствор); 3 – Chlorella vulgaris (гранулы); 4 – Chlorella vulgaris + Arthrospira platensis (гранулы); 5 – Arthrospira platensis (гранулы). Гранулы вносились в почву при посеве яровой пшеницы. Обработка вегетирующих посевов 1 % раствором суспензии Chlorella vulgaris проводилась в период кущения и цветения пшеницы в баковых смесях со средствами химической защиты растений. Норма расхода рабочей жидкости составляла 300 л/га. Химическая защита культуры включала протравливание семян препаратом «Алькасар, КС» (0,75 л/т); обработку посевов гербицидами «Элант-Премиум» (0,5 л/га), «Сталкер» (12 г/га) и «Тайпан» (0,35 л/га); фунгицидом «Зенон Аэро» (1,2 л/га) и инсектицидом «Цунами» (0,2 л/га). Общая площадь опытных делянок – 200 м2, учетная – 100 м2. Повторность опыта 4-кратная, расположение делянок – систематическое. Отбор почвенных образцов проводился в слоях 0–20 см и 20–40 см в период июнь – сентябрь и был приурочен к основным фазам развития яровой пшеницы. В образцах почвы определяли: влажность термовесовым методом, общий углерод гумуса по Тюрину; водорастворимые соединения гумуса (Сн2о) методом бихроматной окисляемости по Тюрину; щелочегидролизуемые соединения гумуса (СNaOH) по И.В. Тюрину в модификации В.В. Пономаревой и Т.А. Плотниковой. Статистический анализ результатов проводили с использованием стандартного программного пакета Ms Excel.
Результаты и их обсуждение. Сезонная и многолетняя динамика содержания гумуса и его подвижных компонентов определяет цикличность процессов гумусообразования и является одним из самых очевидных показателей жизнедеятельности экосистемы. Многообразие экологических условий функционирования почв, характера их использования, особенностей культур и применяемых технологий является фактором сезонной динамики углерода гумуса и его подвижных компонентов [14].
Погодные условия 2022 г. характеризовались как теплые и влагообеспеченные, с неравномерным выпадением осадков. Вегетационный сезон 2023 г. был теплым и засушливым, с ГТК 0,6–0,9, что отразилось на сезонной динамике гумусовых веществ. Динамика процессов трансформации водорастворимых соединений гумуса имела различный характер и протекала с переменной интенсивностью в зависимости от формы применения биопрепаратов и гидротермических условий вегетационных сезонов. Водорастворимые соединения углерода варьировали в 0–40 см слое почвы от фазы всходов яровой пшеницы до ее уборки с интенсивностью от 7 до 35 % (табл. 1). Общей закономерностью динамики содержания Сн2о в 0–20 см слое агрочернозема во влажный и теплый вегетационный сезон 2022 г. являлось увеличение его концентрации в почвенном растворе к периоду цветения яровой пшеницы и постепенное снижение к августу. Увеличение содержания углерода водорастворимого гумуса в июле связано с увеличением интенсивности пополнения блока почвенной мортмассы в этот период за счет частичного отмирания корней и надземных частей растений. В подпахотном 20–40 см слое агрочернозема ход сезонной динамики углерода водорастворимого органического вещества был несколько иным. Пополнение почвенного раствора водорастворимой фракцией углерода в июльский период не было выявлено. В засушливые летние месяцы 2023 г., особенно в начале роста и развития яровой пшеницы, не отмечалось существенного обновления пула водорастворимого углерода в почве. Значительное увеличение концентрации Сн2о (до 37– 40 мг С/100 г почвы) отмечалось в пахотном и подпахотном слое только в период созревания яровой пшеницы. Пополнение запасов влаги в агрочерноземе способствовало усилению минерализации водорастворимого углерода и снижению его количества в почве (r = –0,47… –0,48), что согласуется с исследованиями [15]. Авторами установлено, что ход сезонной динамики водорастворимого углерода гумуса в агрочерноземе под одновидовыми и бинарными посевами эспарцета был на 53–66 % сопряжен с влажностью почвы. О.А. Власенко [16] различия в запасах водорастворимого органического вещества в агроценозах кукурузы и подсолнечника связывает с влажностью почвы и предполагает, что часть водорастворимых гумусовых веществ может вымываться из почвы и участвовать в процессах дальнейшей трансформации органического вещества при активном участии микроорганизмов. В конце вегетации запасы углерода водорастворимого гумуса, как правило, снижаются в агроэкосистемах из-за увеличения количества осадков и снижения активности микрофлоры.
Таблица 1
Статистические параметры содержания Сн2о в агрочерноземе, мг С/100 г
Statistical parameters of Cn2o content in agricultural soil, mg C/100 g
|
Вариант (фактор А) |
Год (фактор В) |
|||
|
2022 |
2023 |
|||
|
Xср |
Cv, % |
Xср |
Cv, % |
|
|
0–20 см |
||||
|
Контроль |
23,8 |
32 |
31,3 |
35 |
|
C. vulgaris (1 % раствор) |
32,1 |
20 |
29,7 |
17 |
|
C.vulgaris (гранулы) |
26,3 |
17 |
27,9 |
26 |
|
C. vulgaris + A. platensis (гранулы) |
25,1 |
32 |
28,9 |
19 |
|
A. platensis (гранулы) |
26,4 |
7 |
30,9 |
24 |
|
p А = 0,0030*; p В = 0,0000*; p АВ = 0,0035* |
||||
|
20–40 см |
||||
|
Контроль |
29,0 |
17 |
28,8 |
11 |
|
C. vulgaris (1 % раствор) |
25,5 |
28 |
29,6 |
27 |
|
C. vulgaris (гранулы) |
24,5 |
17 |
31,6 |
11 |
|
C. vulgaris + A. platensis (гранулы) |
26,4 |
33 |
26,7 |
27 |
|
A. platensis (гранулы) |
27,0 |
17 |
27,3 |
10 |
|
p А = 0,0744; p В = 0,0002*; p АВ = 0,0005* |
||||
Содержание водорастворимого углерода в агрочерноземе контрольного варианта оценивалось величиной 24–31 мг С/100 г в 0–40 см слое. Применение биопрепаратов с микроводорослями в виде фолиарной обработки посевов и гранул при посеве в технологии возделывания яровой пшеницы определило достоверное повышение по сравнению с контролем концентрации Сн2о до 25–32 мг С/100 г в 0–20 см слое почвы (p = 0,0030). Дефицит осадков в вегетационный сезон 2023 г. не способствовал пополнению фракции водорастворимого углерода в почве (p = 0,0744).
Оценка содержания водорастворимого углерода в агрочерноземе под посевами яровой пшеницы показала, что поступление гранул Chlorella vulgaris в чистом виде и в смеси Arthrospira platensis в почву с семенами усиливало процессы минерализации этого компонента гумуса (27 мг С/100 г) (рис. 1).
Рис.1. Содержание Сн2о (мг С/100 г) в агрочерноземе на вариантах опыта (2022–2023 гг.):
1 – контроль (химическая защита – фон); 2 – C. vulgaris (1 % раствор); 3 – C. vulgaris (гранулы);
4 – C. vulgaris + A. platensis (гранулы); 5 – A. platensis (гранулы)
Content of СН2О (mg С/100 g) in agrochernozem in experimental variants (2022–2023): 1 – control (chemical protection – background); 2 – C. vulgaris (1% solution); 3 – C. vulgaris (granules); 4 – C. vulgaris +
A. platensis (granules); 5 – A. platensis (granules)
Увеличение содержания подвижного водорастворимого углерода в почве до 30–29 мг С/100 г выявлено при фолиарной обработке вегетирующих посевов яровой пшеницы и внесении гранул Arthrospira platensis в почву. В наибольшей степени это происходило в поверхностном 0–20 см слое агрочернозема. Максимальная доля Сн2о от Сгумуса, достигающая 0,63 и 0,68 %, отмечена при применении 1 % раствора Chlorella vulgaris и гранул Arthrospira platensis в технологии возделывания яровой пшеницы.
Гумусовые вещества, извлекаемые из почвы 0,1 н. раствором NаОН, наиболее подвержены трансформации при агрогенном использовании почв. Щелочегидролизуемые соединения углерода в почве представлены фенольными гидроксилами, амино- и амидогруппами, обогащенными водородом и азотом. Эти соединения, составляющие периферическую часть гумуса, быстро подвергаются минерализации и служат основным источником для образования гумусовых веществ [17].
Сезонная динамика щелочегидролизуемого углерода в агрочерноземе по годам исследований имела различную направленность, что обусловлено особенностями погодных условий и наличием в почве лабильного органического вещества предшествующих культур севооборота. В вегетационный сезон 2022 г. в поверхностном 0–20 см слое почвы отмечались два пика накопления СNаОН (500–603 мг С/100 г) на всех вариантах опыта. Они приходились на июльский и сентябрьский периоды и обусловлены процессами прироста и деструкции растительного вещества. В подпахотном 20–40 см слое почвы значительный прирост щелочегидролизуемого углерода в почве отмечался в период молочной и полной спелости яровой пшеницы. Максимальных значений (523–560 мг С/100 г) он достигал при применении Chlorella vulgaris в качестве суспензии по вегетирующим растениям и при внесении этой микроводоросли в почву в виде гранул. Особенностью вегетационного сезона 2023 г. с превышением среднемноголетней температуры воздуха на 2–3 °С и дефицитом осадков в летние месяцы являлось накопление щелочегидролизуемой фракции углерода в агрочерноземе в период июль – август. Эта закономерность проявлялась в 0–40 см слое почвы на контрольном варианте и на вариантах с применением Chlorella vulgaris в виде суспензии и гранул. Известно, что интенсивное пополнение запасов периферической части гумусовых веществ в условиях Красноярской лесостепи протекает в начале и середине лета, когда высока активность почвенной микрофлоры. Факторами, определяющими процессы трансформации органического вещества, являются количество растительного опада, наличие доступной влаги и кислорода в почве. Исследованиями, выполненными на черноземах Красноярской лесостепи, установлено, что при значительном снижении осадков и возрастании температуры происходит увеличение концентрации щелочегидролизуемого углерода гумуса за счет увеличения концентрации гуминовых кислот [18].
В случае применения гранул Arthrospira platensis в чистом виде и в смеси с Chlorella vulgaris в условиях полевого опыта отмечалось снижение концентрации СNаОН в почвенном растворе до 408–504 мг С/100 г почвы при относительно стабильной динамике показателя в течение периода наблюдений (Сv = 6–12 %). Подобная закономерность, на наш взгляд, обусловлена физиологическими особенностями сине-зеленых водорослей или цианобактерий. Цианобактерии представляют собой группу фотосинтезирующих, фиксирующих азот бактерий, которые живут и активно функционируют преимущественно во влажных местообитаниях. Таким образом, дефицит влаги в почве в вегетационный сезон 2023 г. не способствовал усилению биологической активности почвы в присутствии микроводорослей Arthrospira platensis и пополнению почвенного раствора подвижными компонентами гумуса. В этих условиях возможен и другой механизм влияния цианобактерий Arthrospira platensis на гумусное состояние почвы. Он связан с углерод-концентрирующим механизмом, который позволяет им создавать большие концентрации углерода в клетке. Анализ корреляционной зависимости между содержанием гидролизуемых 0,1 н щелочью гумусовых соединений и влажностью 0–40 см слоя почвы показал, что между изучаемыми параметрами в их сезонной динамике обнаруживается прямая средняя зависимость (r = 0,42–0,47). При влажности агрочернозема в интервале 30–32 % формировалась максимальная обогащенность почвы СNаОН, достигающая 603– 656 мг С/100 г.
Агроценозы яровой пшеницы функционировали на почве с содержанием щелочегидролизуемых соединений углерода, существенно отличающимся по вариантам опыта и годам исследований (p = 0,0000) (табл. 2). Теплые и влажные условия вегетационного сезона 2022 г. способствовали пополнению пула щелочегидролизуемого углерода только при применении 1 % раствора суспензии Chlorella vulgaris по вегетирующим растениям. По сравнению с контрольным вариантом здесь отмечалось увеличение концентрации СNаОН на 5–28 % в слое 0–40 см.
Таблица 2
Статистические параметры содержания СNаОН в агрочерноземе, мг С/100 г
Statistical parameters of CNaOH content in agrochernozem, mg C/100 g
|
Вариант (фактор А) |
Год (фактор В) |
|||
|
2022 |
2023 |
|||
|
Xср |
Cv, % |
Xср |
Cv, % |
|
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
|
0–20 см |
||||
|
Контроль |
476,6 |
22 |
645,0 |
15 |
|
C. vulgaris (1 % раствор) |
498,2 |
15 |
636,1 |
10 |
|
C. vulgaris (гранулы) |
440,1 |
14 |
563,7 |
19 |
|
C. vulgaris + A. platensis (гранулы) |
442,8 |
18 |
464,5 |
6 |
|
A. platensis (гранулы) |
434,3 |
17 |
442,3 |
6 |
|
p А = 0,0000*; p В = 0,0000*; p АВ = 0,0058* |
||||
Окончание табл. 2
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
|
|
20–40 см |
|||||
|
Контроль |
392,1 |
7 |
614,7 |
18 |
|
|
C. vulgaris (1 % раствор) |
501,2 |
16 |
606,7 |
11 |
|
|
C. vulgaris (гранулы) |
472,0 |
11 |
598,1 |
15 |
|
|
C. vulgaris + A. platensis (гранулы) |
410,5 |
17 |
450,1 |
10 |
|
|
A. platensis (гранулы) |
393,5 |
17 |
424,4 |
12 |
|
|
p А = 0,0000*; p В = 0,0000*; p АВ = 0,0001* |
|||||
В наибольшей степени процесс минерализации охватывал щелочегидролизуемые соединения гумуса в вегетационный сезон 2023 г. при поступлении микроводорослей в агроценоз пшеницы. Полученные результаты отразились на значениях содержания СNаОН в среднем за период наблюдений (рис. 2). Установлено, что опрыскивание растений суспензией Chlorella vulgaris определяло уровень содержания щелочегидролизуемого подвижного углерода в почве, близкий к контрольному варианту в слое 0– 20 см (561–557 мг С/100 г). В слое 20–40 см на вариантах опыта с применением суспензии и гранулы Chlorella vulgaris отмечалось более активное образование гидролизуемых соединений углерода, что определило увеличение концентрации показателя на 39–32 мг С/100 г почвы по сравнению с контролем. При внесении гранул в почву отмечалась убыль щелочегидролизуемого углерода по сравнению с контрольным вариантом в верхнем слое 0–20 см агрочернозема на 107–123 мг С/100 г. Зеленые водоросли и цианобактерии производят большое количество органических веществ, увеличивают содержание органического углерода в почве, выделяя экзополисахариды (EPS) во время разложения клеток водорослей, которые становятся легкодоступной формой углерода, необходимой для роста почвенной микробиоты [19, 20].
Рис. 2. Содержание СNаОН (мг С/100 г) в агрочерноземе на вариантах опыта (2022–2023 гг): 1 – контроль (химическая защита – фон); 2 – C. vulgaris (1 % раствор); 3 – C. vulgaris (гранулы); 4 – C. vulgaris + A. platensis (гранулы); 5 – A. platensis (гранулы).
The content of СNaOH (mg С/100 g) in agrochernozem in the experimental variants (2022–2023): 1 – control (chemical protection – background); 2 – C. vulgaris (1 % solution); 3 – C. vulgaris (granules); 4. C. vulgaris + A. platensis (granules); 5. A. platensis (granules)
Полученные закономерности отразились на запасах гумуса и его подвижных соединений (табл. 3). Запасы стабильного гумуса по вариантам опыта оценивались на уровне 78–61 т/га, или 88–90 % от всех запасов гумусовых веществ. Максимальная доля запасов стабильного гумуса выявлена на вариантах опыта с применением гранул Arthrospira platensis. В слое почвы 0–40 см она составляла 89–90 % от Сгумуса, что обусловлено снижением подвижных соединений гумуса. На этих вариантах опыта запасы Спов снижены до 8–9 т/га или 9–12 % от общих запасов гумусовых веществ. При внесении в почву гранул микроводоросли Arthrospira platensis доля СNаОН снижалась до 9–10 % от Сгумуса.
Таблица 3
Запасы гумусовых веществ в агрочерноземе (2022–2023 гг.), т С/га
Reserves of humic substances in the agrochernozem region, t C/ha (2022–2023)
|
Вариант |
Сгумуса |
Спов |
СН2О |
СNaOH |
Сстаб. гумуса |
|
0–20 см |
|||||
|
Контроль |
80,8 |
10,1 |
0,47 |
9,6 |
70,7 |
|
C. vulgaris (1 % раствор) |
79,8 |
9,8 |
0,50 |
9,4 |
70,1 |
|
C. vulgaris (гранулы) |
81,3 |
9,7 |
0,50 |
9,2 |
71,6 |
|
C. vulgaris + A. platensis (гранулы) |
80,1 |
8,6 |
0,48 |
8,1 |
71,5 |
|
A. platensis (гранулы) |
68,7 |
7,7 |
0,47 |
7,2 |
61,0 |
|
20–40 см |
|||||
|
Контроль |
80,8 |
9,4 |
0,51 |
8,9 |
71,4 |
|
C. vulgaris (1 % раствор) |
88,4 |
10,8 |
0,52 |
10,3 |
77,6 |
|
C. vulgaris (гранулы) |
86,0 |
10,8 |
0,54 |
10,3 |
75,2 |
|
C. vulgaris + A. platensis (гранулы) |
82,3 |
8,6 |
0,50 |
8,1 |
73,7 |
|
A. platensis (гранулы) |
82,6 |
8,3 |
0,52 |
7,8 |
74,3 |
Доля водорастворимого углерода незначительна и существенно не менялась по вариантам опыта (0,6 %). Незначительный запас подвижных гумусовых веществ обусловлен постоянным его обновлением в почве и вовлечением в процессы минерализации и гумификации. Он обеспечивает отклик на внешние агротехнические и агроэкологические воздействия в виде применения микроводорослей в технологии возделывания яровой пшеницы и формирует эффективное плодородие агрочернозема. Это подтверждает положение о том, что большое число органических веществ, присутствующих в почве, и разнообразие почвенно-экологических условий обуславливают многовариантность путей стабилизации органических веществ.
Оценка вклада агроэкологических факторов в формирование подвижных гумусовых веществ показала, что наибольший вклад изученные формы биопрепаратов с микроводорослями внесли в содержание СNaOH (40–38 %). В наименьшей степени их влияние отразилось на содержании водорастворимого углерода гумуса (24–12 %) в 0–40 см слое агрочернозема. Показатель силы влияния фактора «год» на содержание подвижных компонентов гумуса стабильно проявлялся для слоя 0–20 см агрочернозема (30–32 %). Для слоя 20–40 см погодные условия вегетационных сезонов на 26–34 % влияли на содержание подвижных гумусовых веществ.
Заключение. Таким образом, динамические изменения углерода подвижных компонентов гумуса определяются формой препаратов с микроводорослями и гидротермическими условиями вегетационных сезонов. Фолиарная обработка вегетирующих посевов яровой пшеницы 1 % раствором суспензии Chlorella vulgaris определяет увеличение по сравнению с контролем содержания щелочегидролизуемого углерода на 6–39 мг С/100 г в слое почвы 0–40 см, максимальное пополнение почвенного раствора слоя 0–20 см агрочернозема водорастворимым углеродом (30 мг/кг). Микроводоросли Chlorella vulgaris в виде суспензии и гранул способствуют увеличению запасов Сгумуса на 5–8 т/га, Сстаб. гумуса на 4–6 т/га, Спов на 1 т/га в слое почвы 20–40 см. Наибольшее влияние изученные формы биопрепаратов с микроводорослями оказали на содержание щелочегидролизуемого углерода в почве (40–38 %). Полученные результаты позволяют сделать вывод о положительном влиянии микроводорослей на содержание и запасы подвижных фракций почвенного гумуса как ближайшего резерва для минерализации и пополнения стабильных гумусовых веществ.
