Delist.ru

Агрохимический фактор устойчивости серой лесной почвы и (15.07.2007)

Автор: Ушаков Роман Николаевич

При рассмотрении отдельных вопросов, кроме многолетних полевых опытов, использованы почвенные образцы, отобранные на пашне, под широколиственным лесом и разнотравным лугом, возраст которых более 50 лет. Отмеченные экосистемы составляют единый ландшафт, так как для них характерны сходные геоморфологические, гидрологические, литологические условия.

Схема и методика микробиологических исследований в модельных опытах. Работа включала изучение влияния плодородия почвы на активность основных групп почвенных микроорганизмов в неблагоприятных экологических условиях: почвенной засухе (опыты 6 и 7), загрязнении тяжелыми металлами (Zn, Cu, Cd) – серия опытов 8. Схема опытов включала два контрастных варианта, различающихся по уровню плодородия, которые названы условно плодородная и неплодородная. Данные варианты представлены территориальными участками одной геохимической фации: рельеф ровный, почва серая лесная тяжелосуглинистая, растительность – культурная. Различия в плодородии почвы обусловлены применением органических удобрений. Неокультуренный вариант почвы отражает общее состояние пахотного земледелия. В такой серой лесной почве содержание гумуса составляет около 2,0%, содержание элементов питания среднее. Систематическое применение навоза увеличило гумус до 5,4%, подвижного фосфора – до 47 и обменного калия – до 41 мг/100 г (табл. 4). Отмеченные свойства окультуренной почвы могут отражать максимально-возможный (предельный) для данного типа почвы продукционный, агроэкологический потенциал устойчивости.

Опыт 6 по моделированию засухи. Отбор почвенных образцов на микробиологические исследования осуществлялся с двух вариантов опыта 5. Почвенные образцы использованы в модельном опыте (заложены методом рендомизации) для изучения микробиологической устойчивости. Для этого почвенные образцы просеивали через сито 2 мм и подсушивали в течение 3 дней (естественная сушка) до влажности завядания (ВЗ) 6-7% от сухой почвы. После того как почву засыпали в сосуды, произвели полив водой до влажности, соответствующей 30% от сухой почвы. На вариантах с неплодородной и плодородной почвой, где по схеме опыта количество воды должно было быть критическим (стрессовым) для жизнедеятельности микроорганизмов (засушливые условия), влажность почвы снижали до 14% от сухой почвы (естественное испарение) и поддерживали в течение 10 дней. В вариантах с постоянным оптимальным условием увлажнения неплодородной и плодородной почвы содержание воды колебалось на протяжении всего времени экспозиции (30 дней) в пределах 25-30% от сухой почвы. Изучали протеолитическую и целлюлозолитическую активность, а также активность азотобактера, количество основных групп микроорганизмов. Использовали прямое микроскопирование.

Для оценки микробиологической устойчивости мы предлагаем использовать условный коэффициент микробиологического сопротивления (КМС), рассчитываемый по следующей формуле:

КМС = Nнф/(Nбф–Nнф), (1)

где Nнф – численность микроорганизмов в неблагоприятных условиях;

Nбф – численность микроорганизмов в благоприятных условиях.

Если коэффициент меньше единицы, микробиологическая жизнедеятельность обладает повышенной сенсорной восприимчивостью к действию неблагоприятного фактора; больше единицы __ микробиологическая активность относительно устойчивая.

Серия опыта 7 по изучению трансформации азота. По образованию аммонийной и нитратной форм азота можно косвенно судить об активности соответствующих групп микроорганизмов. Для этого были поставлены три лабораторных опыта (экспозиция 7 дней) с мочевиной (опыты 7.I и 7.II) и растительной биомассой клевера (опыт 7.III с почвой влажностью 25-27% от сухой почвы). Для этого в серую лесную почву вносили мочевину из расчета 0,5 и 1,0 г на 100 г почвы. Количество биомассы клевера (листья) было 1 г на 50 г почвы. Исследования проводили в Институте садоводства (г. Москва).

Серия опыта 8 с моделированием загрязнения и подкисления. В опытах использован тот же подход в схеме выбора почвенных образцов, их подготовке к анализу, что и в предыдущем опыте 6. Загрязнение почвы моделировали путем внесения в нее в растворенной форме CuSO4?5H2O в количестве, при котором доза меди составляла 300 (опыт 8.I с одним уровнем загрязнения), 200, 600 и 900 мг/кг (опыт 8.II). Контроль – без загрязнения с фоновой концентрацией элемента (ацетатно-аммонийная вытяжка). Влажность почвы поддерживали на уровне 30% от сухой почвы. Время экспозиции – 30 суток.

В опыте 8.III загрязнение почвы производили кадмием из расчета 10, 30 и 100 ПДК. Экспозиция составляла 1, 10, 35 и 57 суток.

В опыте 8.IV изучали влияние цинка на активность азотобактера в неплодородной и плодородной почве (опыт 5). Доза цинка составила 50 и 100 мг/кг.

Подкисление почвы имитировали добавлением разбавленной серной кислотой из расчета создания кислотной нагрузки 0,03 мМ/л (опыт 8.V) и 0,018, 0,044 и 0,120 мМ/л (опыт 8.VI).

В данную серию опытов были включены исследования микробиологической диагностики устойчивости серой лесной почвы разных экосистем – агро-, лесо- и лугового сообществ. Кислотная нагрузка составила 2,5?10–5 М/л (опыт 8.VII), доза меди соответствовала 30 и 50 ПДК (опыт 8.VIII).

В опытах 8.I, 8.II-8.VIII определяли численность основных групп микроорганизмов, в опыте 8.III – субстрат-индуцированное дыхание, микробную биомассу, базальное дыхание.

Анализы почв и растений выполнены в соответствии с существующими стандартами (ГОСТ 26490-85; ГОСТ 26488-85; ГОСТ 26204-91; ГОСТ 17.4.02-83). Калийную и фосфатную буферность определяли по Beckett (1964). Максимальную фосфатную буферную способность (МВС), буферную способность при заданной равновесной концентрации фосфора (2 мг/л) в растворе (ВС) – по Keramidas и др. (1983) на изотермах Q/Y и Ленгмюра.

Устойчивость почвы к загрязнению оценивали по параметрам ионообменной адсорбции тяжелых металлов – максимальной адсорбции и буферной способности в области низких исходных концентраций катионом тяжелых металлов (цинк) – от 0 до 0,31 мМ/л при соотношении почва: раствор, равном 1:20 (Соколова и др., 1991; Водяницкий и др., 2000), и в области высоких концентраций – от 0 до 50 мМ/л при соотношении почва: раствор, равном 1:10 (Ладонин, 1997). Находили точки пересечения касательной, проведенной при равновесной концентрации катионов тяжелых металлов 5, 10 и 20 мМ/л. В этом случае буферная способность определяется как тангенс угла наклона (тангенсная буферность, Beckett, 1971).

Потенциальную буферную способность (ПБС) к катионам ТМ рассчитывали по формуле:

ПБС = Qmax?К/(1+Сравн.?К)?(1+Сo.?К); (2)

где Qmax – максимальная адсорбция катиона ТМ (мМ/кг); Сo. – концентрация ТМ (мМ/л) при нулевой исходной концентрации; Сравн. – равновесная концентрация (мМ/л), К – константа.

Для определения буферности к подкислению использовался метод непрерывного потенциометрического титрования (НПТ) (Соколова, 2001).

Выделение фракций ила, тонкой и средней пыли для определения минералогического состава проводилось по методике Н.И. Горбунова (1971). Ориентированные препараты фракций исследованы рентгендифрактометрическим методом. Рентгендифрактометры получены для воздушно-сухих образцов, насыщенных этиленгликолем и прокаленных при температуре 5500С в течение 2 часов.

Микробиологические исследования проводили общепризнанными методами (Звягинцев, 1987, 1991) в Институте биохимии и физиологии микроорганизмов им. Г.К. Скрябина (г. Пущино). В качестве основного приема предварительной обработки образцов почв для анализа численности бактерий использовали ультразвуковое диспергирование (22 кГц, 0,44 А, 2 мин) на низкочастотном диспергаторе УЗДН-1.

Субстрат-индуцированное дыхание (СИД), микробную биомассу (Смик) определяли методом, предложенным в работах Дж Андерсона и К. Домша (Anderson, Domsch, 1978). Микробный метаболический коэффициент (qCO2),

рассчитывали как отношение скорости базального дыхания (БД) к микробной биомассе (Смик):

БД/Смик = qСО2(мкг СО2–С?мг-1Смик?час-1) (3)

Учет урожайности в полевых опытах проводился сплошным методом. Урожай зерна приводили к 14%-ной влажности. Зеленую массу вики с овсом и клевера пересчитывали на сено с использованием метода пробных снопов.

Затраты энергии на производство минеральных удобрений определяли с помощью коэффициентов, приведенных в работе А.С. Миндрина (1997).

Затраты энергии на внесение минеральных удобрений, уборку и доработку дополнительного урожая учитывали по методике Г.А. Булаткина (1983). Коэффициент энергетической эффективности (Кээ) удобрений определяли как отношение энергосодержания сельскохозяйственной продукции к энергозатратам, связанным с применением удобрений.

В работе использованы производственные данные Рязанского Областного управления статистики по урожайности основных сельскохозяйственных культур, доз вносимых удобрений, обеспеченности пахотных почв элементами питания за разные интервалы времени.

Для статистической обработки экспериментальных данных методами дисперсионного, корреляционного, регрессионного и других видов статистического анализа использованы программные комплексы «STATISTICA» и «MATHСAD».

Расчет эколого-экономической устойчивости продукционного процесса. Устойчивость продукционного процесса предлагаем оценивать коэффициентами, численно определяемыми в условных единицах. Коэффициент устойчивости можно рассчитать следующим образом:

Ку = Ун.г/(У, (4)

где Ку – коэффициент устойчивости; Ун.г. – урожайность в неблагоприятный год; (У = Уб.г.– Ун.г. – разница в урожайности в благоприятный год (Уб.г.) и неблагоприятный (Ун.г.). Чем больше значение Ку, тем выше устойчивость. В устойчивости продукционного процесса должны присутствовать экономическая и экологическая оценки, отражающие минимальный эколого-экономический уровень стабильности. Для этого мы ввели понятие “коэффициент эколого-экономической устойчивости” (Кээу), который можно рассчитывать по следующим формулам:

Кээу(1) = (Угтк0,5-0,7 –Уэц)/(Уэц–Угтк <0,5); (5)

Кээу(2) = (Угтк0,5-0,7 –Уэц)/(Угтк >1,0–Уэц); (6)

где Кээу – коэффициент эколого-экономической устойчивости;

Уэц – нижний порог экономически целесообразной урожайности;

где УТР – трансформированная урожайность в экспериментальных вариантах; ТУ(Ki) – теоретическая урожайность на контроле, полученные в варианте без удобрений и вариантах с удобрениями при некотором значении ГТК (i); C(Ei) и C(Ki) – свободные члены в уравнениях зависимости продуктивности зерна от ГТК на экспериментальных (фон РК, фон РК + Nаа) и контрольном вариантах; Вo (Еi) и Вo(Ki) – коэффициенты в уравнении для экспериментальных и контрольного вариантов. Если ТУ(Кi) < C(Ei), то УТР = C(Ei). На основании уравнения 7 рассчитали трансформированный коэффициент устойчивости (ТКУ):

ТКУ = (У(Еi)–ТУ(Ki))/(УТР(Е0,5)–УТР(Еi<0,5)), (8)

загрузка...