Рациональное использование микроорганизмов для потенциального повышения плодородия почв

И. С. ВОСТРОВ, кандидат биологических наук

Институт микробиологии АН СССР

Интенсификация сельского хозяйства не может быть полной без исполь­зования факторов потенциального плодородия почв. Снижение содержания гумуса во многих районах привело к падению коэффициента использования минеральных удобрений, снижению урожаев даже на черноземных почвах. Отсутствие в почвах органических веществ, доступных для сапрофитных микроорганизмов-антагонистов по отношению к паразитическим видам, вы­звало распространение корневых заболеваний злаков. Препятствием к обога­щению почвы растительными остатками и энергетическими материалами вообще служит ошибочная микробиологическая теория обработки и удобре­ния почвы. Приведены данные вегетационных и полевых опытов, свиде­тельствующие о том, что только аэробные процессы способствуют обогаще­нию почвы гумусом и улучшению ее структуры. Активность микроорганиз­мов на целинных и залежных землях в 2-4 раза превосходит их активность на старопахотных почвах.

Рассматривая различные аспекты проблемы охраны окружающей сре­ды, мы прежде всего обра-щаем вни­мание   на   почву,   ибо   земля - это основное наше богатство. Между тем замечено,  что чем больше сельское хозяйство обеспечено минеральными удобрениями, тем больше предаются заб-вению    биологические    факторы плодородия почвы. Известно, что це­линные и залежные земли обеспечи­вают высокий урожай за счет исполь­зования   факторов   потенциального плодородия, которое создается микро­организмами в период роста расте­ний, а значит снабжения почвы выделе-ниями   корней   и   их   отмершими остатками, то есть источниками угле­рода.   Важным  критерием  потенци­ального плодородия принято считать не только содержание гумуса вооб­ще, но особенно «деятельного пере­гноя», то есть тех фракций гумуса, которые отличаются высокой доступностью для микро-организмов.

В нашей стране почти повсемест­но внедрена отвальная вспашка, при которой послеуборочные остатки рас­тений перемещаются в нижнюю треть пахотного слоя. Такая «культурная вспашка» была введена на основании предположения, будто гумус образуется в анаэробных условиях. Счита­лось, что в аэробных условиях идет более полное разложение органиче­ских веществ вплоть до углекислоты и воды, а потому гумус может образо­ваться только в анаэробных усло­виях. Сейчас микробиологами накоп­лены противоположные данные.

Если внести в песок одинаковые навески растительных остатков и дать им разложиться в одном вари­анте - в слое 0-6 см, а в другом - в слое 14-20 см, то окажется, что в «анаэробных» условиях (в слое 14- 20 см) образуется единица гуминовой кислоты, а в аэробных (в слое 0-6 см) - уже 24 таких единицы (рис.1). Следовательно, гумус обра­зуется преимущественно в аэробных условиях, а значит существующая микробиологическая теория обработ­ки почвы не состоятельна.

В анаэробных же условиях из рас­тительных остатков образуются в ос­новном продукты брожения: уксус­ная, пропионовая, масляная кислоты [7], которые токсичны для высших растений [1]. Значит, чем больше растительных остатков мы пере­местим в «анаэробные» условия при отвальной вспашке, тем больше син­тезируется   в   почве    вредных   для растений продуктов и тем меньше количество гумуса.

Уместен вопрос, чем же объясня­ется снижение урожая при запахи­вании растительных остатков - им­мобилизацией азота или синтезом продуктов брожения? Анализ экспе­риментальных данных убеждает, что вторая причина важнее для земледе­лия, чем первая. Приведем данные вегетационного опыта, поставленного с бедной выпаханной подзолистой почвой Подмосковья. Солому из расчета 4 т/га вносили за 30 сут. до по­сева в одних сосудах в слой 0-6 см, в других - в слой 0-20 см. Контро­лем служила та же почва без соломы. В первом варианте произошло сни­жение урожая яровой пшеницы на 15 % к контролю, во втором - на 300 % (рис. 2). К сожалению, в этом опыте отсутствовали варианты с совместным внесением соломы и мине­ральных удобрений. Однако выясни­лось, что при попадании свежих рас­тительных остатков в условия с за­трудненным газообменом снижение урожая намного ощутимее, чем при поверхностном внесении тех же ос­татков и в тех же дозировках.

Опыт на богатой гумусом лугово-черноземной почве Шадринской сельскохозяйственной опыт-ной станции (Курганская область) был поставлен в полевых условиях с внесением соломы в слой 0-8 и в слой 0-20 см без азота и с добавлением этого элемента в количестве 20 кг/га (100 кг/га (NH₄)₂S0₄). Закладку опыта проводили с осени, во всех вариантах доза соломы составляла 4 т/га. Из данных таблицы 1 следует, что внесение соломы в слой 0-8 см повысило урожай на 9 % к контролю, а запахивание ее на 20 см немного снизило. Солома с азотными удобре­ниями при дисковании почвы повыси­ла урожай на 35 %, а запахивание тех же компонентов снизило урожай на 9 %. Значит, уско-рение разложе­ния соломы (при внесении азота) в условиях затрудненного газообмена ведет к акти-визации процессов бро­жения и снижает урожай более за­метно, чем ее запахивание в чистом виде.

Интересно было также проверить укоренившееся представление о бо­лее полном и предположительно бес­полезном разложении органических веществ в аэробных условиях по сравнению с анаэробными. В приведенном выше опыте с песком (рис. 1) уже было установлено, что существу­ет 24-кратная разница по продук­тивности синтеза гумуса между слоя­ми 0-6 и 14-20 см. Нами была проверена и длительность положи­тельного влияния на урожай продук­тов разложения соломы в слоях 0-6 и 0-20 см. В первый год после разло­жения был получен сходный урожай пшеницы в обоих вариантах, но на второй и третий - зерно удалось по­лучить только в условиях аэробного разложения соломы. В варианте с внесением соломы в слой 0-20 см на второй и третий годы наблюда­лась гибель растений в фазу выхода в трубку (рис. 3). Опыт показал, что продукты аэробного разложения оказывают более длительное положи­тельное воздействие на урожай. Аэ­робное происхождение гумуса в при­роде наглядно демонстрирует любой почвенный разрез на целинной почве: темная гумусированная прослойка расположена сверху, в пределах 5- 6 см от поверхности. Следователь­но, главный довод в пользу отваль­ной вспашки оказывается несостоя­тельным: любые органические удоб­рения должны разлагаться в аэроб­ных условиях, чтобы получить макси­мальный выход гумуса и других ве­ществ, необходимых растениям.

Только ли образование гумуса важно для земледелия при внесе­нии органических удобрений? Из ра­бот С. Н. Виноградского [2] извест­но, что в самой аэробной части пахот­ного слоя почвы образуется макси­мальная биомасса микроорганизмов, что процессы, осуществляемые этими (аэробными целлюлозоразрушающими) организмами, совершенно отлич­ны от анаэробных. Никакого газо­выделения и образования летучих жирных кислот при этом не наблюда­ется. Целлюлоза превращается в большинстве случаев в слизь, раство­римую в разбавленных щелочах. Она скоро теряет желтую окраску и при выдерживании во влажной камере сохраняется  без  изменений   в  течение многих месяцев. Ни плесени, ни бактерии не могут, очевидно, разви­ваться за счет этой слизи. Вполне возможно, что не «деятельный пере­гной» оструктуривает почву, а эти слизи. Значит в почвах, которые ре­гулярно обеспечиваются клетчаткой, можно управлять структурой. Важ­но, что и структура почвы" зависит от аэробных бактерий.

На клетчатке, помещенной в поч­ву, в аэробных условиях накаплива­ются в значительных коли-чествах белки и аминокислоты [9, 10]. На растительных остатках, извлеченных из почвы, содержится в 1500 раз больше аминокислот, чем в той же почве, из которой они были тщатель­но отобраны [5]. Причем, аминокис­лоты сохраняются на растительных остатках до полного их разложения. Далее пос-ле утилизации раститель­ных остатков постепенно будут раз­лагаться и аминокислоты, а растения получат азот в аммиачной форме. Если в почве накопятся за ряд лет растительные остатки во всех стадиях разложения (плюс доступные для микроорганизмов свежие фрак­ции      гумусовых веществ), азотное питание растений ста­нет более упорядоченным, то есть с наступлением благоприятной для них влажности и температуры будет отмечаться усиленное поступление азота. Поскольку те же усло-вия бла­гоприятны и для разложения расти­тельных остатков, то потребности растений будут полнее удовлетво­ряться именно тогда, когда это им больше всего необходимо. Почва та­ким образом станет саморегулируемой системой - причем регулируе­мой в пользу растений. Подобные Процессы долж-ны иметь место на целинных и залежных землях. Мине­ральный азот там содержится в ми­нимальном количестве, тем не менее растения не ощущают в нем недо­статка. Азот освобождается из органичес-ких соединений в соответствии с потребностями растений, не теряясь при этом из почвы: доступные формы его полностью потребляются расте­ниями, а основной запас, содержа­щийся в клетках микро-организмов, в виде белков и аминокислот адсор­бирован на  растительных остатках.

Принято думать, что целинная почва запасает элементы потенци­ального плодородия благодаря за­медленному протеканию в ней микро­биологических процессов. По нашим многолетним данным, во всех клима­тических зонах страны верхний слой целинной почвы отличается от старо­пахотной тем, что выделяет в не­сколько раз больше углекислого газа (из одинаковых навесок за равный период времени). Значит, потенци­альное плодородие; в этой почве coздается не вследствие пассивности микроорганизмов, а, наоборот, бла­годаря активности, в несколько раз большей, чем на старопахотных поч­вах  [3].

На полях Шадринской сельскохо­зяйственной опытной станции имеет­ся старопахотный массив. На одной половине его ежегодно проводится отвальная зяблевая пахота (и от­вальная вспашка в пару), на дру­гой - ежегодная поверхностная об­работка (и безотвальная вспашка пара). Массив граничит с участком скашиваемой целины. Из таблицы 2 видно, что выделение СО₂ навесками целинной почвы из слоя 0-5 см вдвое превышает продукцию этого газа из того же слоя почвы, подвер­гавшейся поверхностной обработке, а такой же слой почвы при еже­годной поверхностной обработке вы­деляет вдвое больше СО₂, чем при отвальной вспашке. Ясно, что обеспе­ченность энергетическими материа­лами верхнего слоя целинной почвы вдвое выше, чем у любой из старо­пахотных почв. После двухлетнего внесения в слой 0-8 см всего урожая соломы и послеуборочных остатков активность процесса выделения СО₂ возросла почти до уровня целины. Следовательно, и на старопахотных почвах можно значительно увеличить запас энергетических материалов. С повышением влажности образ­цов почвы на 10 % отмечается быст­рая реакция микроорганизмов на улучшение среды обитания (табл. 3). Причем если на целине активность микроорганизмов в верхнем слое (0-5 см) выше, чем в нижележа­щем, то на участках с ежегодной поверхностной обработкой почвы на­блюдается такое же соотношение ак­тивности их в слоях 0-5 и 5-10 см, но на более низком уровне. Верхний слой целинной почвы в процессе эво­люции приобрел способность к пере­работке максимального количества растительных остатков, то есть к наи­более активной подготовке пищи для растений. Отвальная же вспашка обезличивает в этом отношении все слои пахотного горизонта и процесс по словам Э. X. Фолкнера «идет на­перекор замыслам природы» [12]. В тех хозяйствах, которые перешли на поверхностную обработку почвы, как правило, используют только пож­нивные остатки, для достижения же более значительной активности мик­роорганизмов (и более активного ис­пользования факторов потенциаль­ного плодородия) надо бы в верхний слой почвы вносить все растительные остатки.

Процесс несимбиотической фик­сации азота тем активнее, чем значи­тельнее обеспеченность почвы энер­гетическими материалами [II]. Если на 1 т соломы будет фиксирова­но из воздуха 10 кг азота, то    4 т да­дут 40 кг/га. К тому же в самой со­ломе содержится от 3 до 5 кг азота на 1 т. Если учесть еще запас органи­ческих веществ в корневых и пожнив­ных остатках, то для получения хоро­шего урожая потребуется добавить лишь небольшое количество мине­рального азота. В целом по стране рациональное использование расти­тельных остатков для повышения несимбиотической фиксации азота могло бы значительно сократить рас­ход энергии, затрачиваемой промышленностью на связывание молекуляр­ного азота.

Еще большее значение, чем не-симбиотическая фиксация азота, мо­жет иметь предотвращение его по­терь из почвы в период, когда на по­лях нет растений. Микроорганизмы в это время приступают к нитрифика­ции аммиачного азота из-за отсут­ствия его потребителя, нитраты же могут вымываться из почвы и подвер­гаться денитрификации. Отвальная вспашка содействует денитрифика­ции тем, что перемещает послеубо­рочные остатки в нижнюю часть па­хотного слоя, где при переувлажне­нии и наличии свежих органических соединений могут создаваться ана­эробные зоны. Растительные же ос­татки, оставленные в верхней трети пахотного слоя, дают возможность микроорганизмам использовать из почвы минеральный азот для усвое­ния источников углерода. Азот в ор­ганической форме не подвергается нитрификации (а следовательно, и денитрификации), не мигрирует в глубокие горизонты подпочвы и в грунтовые воды. Поэтому, когда рас­тения перестают вегетировать, мине­ральный азот почвы необходимо пе­ревести в органическую форму, для чего все растительные остатки сле­дует вносить в верхнюю треть пахот­ного слоя.

В последнее время в сельском хозяйстве все чаще отмечается вред от микроорганизмов, вызывающих корневые гнили культурных расте­ний. Единственным надежным есте­ственным препятствием на пути воз­никновения этих заболеваний служат сапрофитные микроорганизмы-анта­гонисты по отношению к паразити­ческим видам, которые являются, кстати, аэробами. Однако без еже­годного поступления в почву свежих растительных остатков сапрофиты в почве не могут размножаться. К тому же химические препараты, применя­емые для борьбы с корневыми бо­лезнями, уничтожают как вредные, так    и    полезные    микроорганизмы.

Обогащение из года в год верхней трети пахотного слоя пожнивными остатками на полях, где работает Т. С. Мальцев, вызывает положи­тельное изменение почвенной микро­флоры. При ежегодной отвальной вспашке из почвы высеваются на питательных средах в основном гри­бы двух родов - Penicillium и Fusarium. Поверхностная обработка в течение 5 лет на второй половине того же поля привела к распростра­нению родов Mucor и Trichoderma (рис. 4).

Если старопахотная почва не со­держит надежных антагонистов, аэ­робных целлюлозоразрушающих бактерий; улучшающих структуру почвы, то этими микроорганизмами можно инокулировать раститель-ные остатки, подготовленные к внесению в почву. Английский микробиолог Джим Линч [13] намерен предло­жить фермерам комплекс полезных микроорганизмов: азотфиксирующих аэробных бактерий, разлагающих целлюлозу и образующих слизи, и антагонистов по отношению к болез­нетворным видам. Совместно с други­ми авторами он выражает уверен­ность, что, снабжая растительные ос­татки этими микроорганизмами, можно    обойтись , без    химических средств защиты растений от корне­вых гни-лей.

В последнее время физиологами растений выделены вещества (экотолы), которые синтезируются мик­роорганизмами при аэробном разло­жении растительных остатков и при­дают растениям устойчивость к не­благоприятным внешним условиям и к заболеваниям  [8].

Все перечисленные полезные мик­робиологические процессы преду­смотрены природой и осуществляют­ся в целинных почвах. Они не могут стать достоянием старопахотных уго­дий, пока микроорганизмы не снаб­жены источниками углерода в доста­точном количестве. Реальными источ­никами этого элемента служат в зем­леделии растительные остатки и неперепревший соломистый навоз, кото­рые нецелесообразно вносить в почву пока существует отвальная вспашка. В период, когда в земледелии господ­ствовала соха, урожай повышался в соответствии с количеством внесен­ного под соху навоза. Такая же зако­номерность наблюдается в настоя­щее время в совхозах Воркуты, где навоз вносят в слой 0-6 см, так как отвальная вспашка на обычную глубину невозможна.

Широкая проверка во всех почвенно-климатических зонах страны мальцевской системы обра-ботки поч­вы в 50-е годы не дала хороших результатов в районах с бедными почвами. Это объясняется тем, что такая почва не может сразу обеспе­чить хороший результат при эксплуа­тации только верхней трети пахотно­го слоя по сравнению с использова­нием хотя и бедного, но всего пахот­ного слоя. Для полу-чения высокого урожая необходимо сначала обога­тить верхнюю прослойку раститель­ными остатками во всех стадиях раз­ложения. Особенно трудно - начи­нать такое обогащение на бедных почвах, где нет резерва питательных веществ для сапрофитных микроор­ганизмов. Вначале солому целесооб­разно вно-сить под бобовые культуры, при этом у них отмечается лучшее образование клубеньков на корнях и накапливается больше белка в расти­тельной массе [6]. Можно внесение растительных остатков начать с чер­ного пара при условии безотвальной обработки почвы. В хозяйствах, где несколько лет проводили поверхно­стную обработку, микробные ценозы в верхней трети пахотного слоя го­товы к переработке более значитель­ных масс растительных материалов. Как бы ни была испорчена почва отвальной вспаш-кой, ее потенциаль­ное плодородие можно восстановить с помощью микроорганизмов. Интен­сификация земледелия не может быть полной без постановки на служ­бу урожаю микробиологических фак­торов   плодородия.  Хотим   мы  того или нет, земледелие - самое гранди­озное микробиологическое производ­ство на земле, и оно не может рабо­тать без источников углерода и опти­мального   режима   их   пере-работки.

Применение одних минеральных удобрений и усиленная обработка почвы могут привести только к уско­рению разложения остатков гумуса, но не дадут разнообразных продук­тов микробного синтеза, участву­ющих в улучшении почвы. Исполь­зование же микробиологических фак­торов плодородия не связано с подо­рожанием производства. Наоборот, заделка растительных остатков на месте их произрастания и уменьше­ние затрат горючего на обработку почвы значительно удешевляют сто­имость продуктов земледелия, при­водят к получению урожая в годы, когда растения погибают от засухи на полях, подвергавшихся отваль­ной вспашке. Накопление в почве элементов питания растений в орга­нической форме может заметно сок­ратить затраты минеральных удоб­рений и уменьшить Их потери из поч­вы. Повышение содержания СО₂ в приземном слое воздуха поможет увеличить продуктивность фотосин­теза растений.

Переход на почвовосстановительную систему земледелия потребует конкретной корректировки для каж­дой почвенно-климатической зоны, но в основе ее будет лежать пере­работка растительных материалов в верхней трети пахотного слоя почвы.

ЛИТЕРАТУРА

• 1. Алешин Е. П., Сметанин А. П. Минераль­ное питание риса. Краснодар, 1965.- 207 с.
• 2.Виноградский С. Н. Микробиология почвы. М.: АН СССР, 1962.- 792 с. 3. Вострое И. С, Петрова А. Н. // Микробиология,- 1961,- Т. 30.- В. 4 - С. 665. 4. Вострое И. С. Мик­робиологическая разнокачественность гори­зонтов пахотного слоя почвы. М., 1965.- 25 с. 5. Вострое И. С. Образование амино­кислот в почве. // IX междунар. конгр. по микробиологии. Медицина, 1966. 6. Голод Б. И.I Докл. ТСХА, 1966.- С. 245. 7. Кретович В. Л. Основы биохимии растений. М.: Высшая шко­ла, 1964.- 586 с. 8. Лебедев Г. В. Импульсное дождевание растений. Теория и практика. М.: Наука, 1976.- 186 с. 9. Мишустин Е. Н., Петрова А. Н. // Микробиология.- 1963,- Т. 32.- В. 3,- С. 479. 10. Мишустин Е. Н., Вострое И. С. Аппликационные методы в поч­венной микробиологии // Микробиологические и биохимические исследования почв. Киев: Урожай, 1971.- С. 3. 11. Умаров М. М..

Вест. с.-х. науки, 1989, № I (389)