Введение к работе
Актуальность работы. Почва является основой существования человечества, не только в плане получения продовольствия, но и функционирования биосферы (Добровольский, 2007). При выполнении почвой своих функций ключевыми являются микробиологические процессы трансформации углерода и азота, которые в значительной степени зависят от содержания гумуса и количества доступного для разложения органического вещества (ОВ). Наибольшая роль в доступном ОВ принадлежит активному, наиболее быстро оборачиваемому ОВ (Nicolardot et.al., 1994; Семенов, 2004), состоящему из легкоминерализуемого ОВ и микробной биомассы. Оценка количества активного ОВ и его влияния на трансформационные процессы дерново-подзолистых почв изучены недостаточно. Так, несмотря на признание существенной роли биомассы почвенных микроорганизмов, до сих пор нет общепризнанных методов оценки и единодушного мнения о влиянии природных и антропогенных факторов на величину и активность микробной биомассы. Недостаточно изучено и влияние интенсивности оборачиваемости микробной биомассы для процессов гумусообразования, а также закрепления в дерново-подзолистой почве азота удобрений. Мало проводилось исследований по определению прямой доступности для микроорганизмов подвижного почвенного органического вещества (ПОВ).
В настоящее время в России уровень применения удобрений, особенно органических, крайне низок, что приводит к снижению плодородия почв и деградации гумуса. В то же время происходит накопление отходов животноводства, в частности куриного помета, представляющих серьезную экологическую опасность. Решением проблемы должно стать производство биоудобрений, сочетающих преимущества органических и минеральных удобрений.
Для обеспечения стабильной продуктивности дерново-подзолистых почв необходимы исследования, посвященные разработке приемов управления процессами трансформации органического вещества. Биоудобрения, вносимые в меньших по сравнению с навозом дозах, могут рассматриваться как катализатор микробиологических трансформационных процессов почвы, направленно воздействующий на функционирование почвенного микробоценоза и эффективность гумусообразования. С теоретической и практической точек зрения было целесообразно исследовать механизм действия биоудобрений, выявить их влияние на урожай с.-х. культур, качество продукции, гумусообразование и плодородие почв, разработать рекомендации по нормам и способам внесения. Актуальной является и разработка приемов использования биоудобрений в качестве ускорителей разложения нефти, опилок, твердых бытовых отходов (ТБО). В связи с этим были определены основные направления исследований, которые соответствуют требованиям агропромышленного комплекса и охраны окружающей среды.
Цель работы. Определить основные закономерности регуляции процессов трансформации азота и углерода активным органическим веществом дерново-подзолистых почв и биоудобрениями из отходов животноводства.
Задачи исследований:
-
Изучить преимущества использования 2-х фракций доступного ПОВ вместо одной. Определить доступность лабильного гумуса, образующегося в почвах при внесении разных удобрений, в качестве источника питания микроорганизмов.
-
Исследовать особенности влияния природных и антропогенных факторов на размеры микробной биомассы в дерново-подзолистых почвах. Изучить возможность применения биомассы микроорганизмов в качестве индикатора сдвига почвенного равновесия.
-
Исследовать роль растений в регулировании процессов трансформации С и N в почве прикорневой зоны через микробную биомассу.
-
Определить роль количества и активности микробной биомассы в закреплении азота удобрений в почвенном органическом веществе.
-
Изучить механизм действия биоудобрений в почве, выявить его особенности для гранулированных форм биоудобрений по сравнению с порошкообразными.
-
Выявить взаимосвязь между интенсивностью биологических процессов и устойчивостью гумусного состояния в дерново-подзолистых почвах.
-
Определить основные особенности биоудобрений, позволяющие регулировать баланс гумуса в почве.
-
Исследовать возможность применения биоудобрений в качестве биоактиваторов разложения труднодоступных органических соединений и для рекультивации нефтезагрязненных почв.
Научная новизна. Впервые проведена прямая оценка доступности лабильного гумуса для питания микроорганизмов, а также изучено влияние биоудобрений на его количество и состав.
Обнаружен эффект большей чувствительности ко многим факторам содержания азота в микробной биомассе по сравнению с С-биомассы, определяемым регидратационным методом. Показано, что количество С микробной биомассы для дерново-подзолистых почв отражает пул микроорганизмов, характерный для данной почвы и является довольно стабильной величиной.
В модельных экспериментах с меченными N удобрениями выявлена большая значимость для иммобилизации азота в почве активности микробоценоза, по сравнению с количеством С и N микробной биомассы.
Выявлено, что наиболее информативными микробиологическими показателями, связанными с урожаем, закреплением азота в ПОВ и устойчивостью почв являются потоки азота и углерода через микробную биомассу, являющиеся результирующими активности и количества микробной биомассы. Систематизированы для дерново-подзолистых почв условия, при которых рост интенсивности микробиологической деятельности не ведет к потерям гумуса в почвах.
Установлен механизм действия биоудобрений Бамил и Омут на дерново-подзолистую почву, включая особенности действия гранулированной формы. Теоретически обоснована и практически показана возможность регулировать с
помощью биоудобрений структуру и функционирование микробного сообщества почв, содержание в почве гумуса.
Впервые исследованы микробиологические и химические показатели трансформации С и N в компостах из ТБО при введении биоудобрений Бамил и Омут. Установлены необходимые для интенсификации процесса дозы биодобавок при введении на разных фазах компостирования и оптимальные условия ферментации.
Практическая значимость работы. Разработанный метод разделения доступного ОВ почвы на два пула позволит оценивать и прогнозировать устойчивость гумусного состояния почв при воздействии краткосрочных факторов. Метод может быть успешно использован при составлении моделей трансформации углерода в почве.
Данные о чувствительности интегральных микробиологических показателей целесообразно использовать для проведения экологического мониторинга почв, обоснования новых агротехнологий и прогноза их влияния на гумусное состояние дерново-подзолистых почв, что обеспечит получение полной и объективной информации.
Предложенные теоретические и практические положения о регулировании трансформационных процессов в почвах с помощью биоудобрений Омут и Бамил могут служить основой разработки систем земледелия, обеспечивающих повышение эффективного плодородия, сохранности и устойчивости гумусного состояния почвы.
Материалы исследований изучения механизма действия биоудобрений использованы при составлении рекомендаций по применению биоудобрений в агропромышленном комплексе. Предложены научно обоснованные нормы и способы внесения биоудобрения Омут под различные культуры для дерново-подзолистых почв.
Разработанные приемы активации ферментации и дозревания ТБО, рецептуры и способы производства на их основе почвогрунтов могут быть использованы для переработки ТБО в коммерчески востребованные продукты. Это позволит решить важнейшую экологическую проблему больших городов - переработку мусора.
Полученные результаты об эффективности гуминовых препаратов на основе компостов из ТБО позволяют использовать этот широко распространенный «ресурс» наряду с торфом для производства качественных гуминовых препаратов.
Результаты работы могут быть использованы в лекционных курсах по биологии почв, биогеохимии, агрохимии и экологии. Результаты исследований, имеющих потенциальное коммерческое значение, защищены 6 патентами РФ.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Обоснование необходимости для правильной оценки направленности изменения гумусового состояния почвы не суммарного доступного ОВ, а двух пулов разной скорости минерализации.
-
Предлагается классификация факторов, влияющих на размер С микробной биомассы (методом регидратации) дерново-подзолистых почв.
-
Количество С- микробной биомассы (регидратационным методом) в дерново-подзолистых почвах является характерной для данной почвы величиной, зависящей главным образом от содержания в почве доступного органического вещества и
физической глины, а поэтому - стабильной величиной. Обогащенность азотом микробной биомассы и потоки С и N через нее являются более информативными показателем, так как эти характеристики тесно связаны с активностью микроорганизмов.
-
Закрепление азота удобрений в ПОВ зависит в большей степени от скорости оборачиваемости микробной биомассы (активности), а не от ее размеров.
-
Установлены условия, при которых повышение микробиологической активности дерново-подзолистых почв приводит к нарастанию процессов гумусообразования, а не ускорению минерализации.
-
Механизм регуляции трансформационных процессов в почвах с помощью биоудобрений Бамил и Омут.
Апробация работы и публикации. Результаты исследований и основные положения диссертации были доложены и обсуждены на Международных научно-практических конференциях: «Microbial ecotechnology in processing of organic and agricultural wastes" (СПб, 2000), «Recycling of Agricultural, Municipal and Industrial Residues in Agriculture (Italy, 2000; Spain 2004), 12th World fertilizer Congress (China, 2001), «Practical Solutions for Managing Optimum С and N Content in Agricultural Soils» (Prague, 2003), «Агроэ ко логические функции органического вещества почв и использование органических удобрений и биоресурсов в ландшафтном земледелии» (Владимир, 2004), «Основные итоги и приоритеты научного обеспечения ПАК Евро-Северо-Востока», (Киров, 2005), «Chicken Manure Treatment and Application in Europe and Asia», (Hamburg, 2005), «Агроэкологические проблемы использования органических удобрений на основе отходов промышленного животноводства» (Владимир, 2006), «Репиклинг. Переработка отходов и чистые технологии», (Москва, 2006), «Applied and Fundamental Aspects of Responses, Signaling and Development Process in the Root-Microbe Systems» (СПб, 2007), «Инновационные технологии использования торфа в сельском хозяйстве» (Владимир, 2010), «Инновационные биотехнологии в странах Евро Аз ЭС» (Минск, 2011; СПб, 2012); на II, III и V съездах ДО почвоведов (СПб, 1996; Суздаль, 2000; Ростов-на-Дону, 2008 г); на Всероссийских конференциях «Микробиология почв и земледелие» (СПб, 1998), «Экологические проблемы большого города» (СПб, 2001), «Рациональное природопользование» (Москва, 2007).
По теме диссертации опубликовано 61 научная работа, в том числе 14 статей в журналах, рекомендованных ВАК, 24 статьи в журналах, сборниках научных трудов и материалах конференций, 6 патентов.
Личный вклад автора в работу. Автором определена постановка проблемы, ему принадлежит разработка задач и реализация на всех этапах исследования. Экспериментальный материал получен лично автором или под его руководством в полевых и лабораторных исследованиях. Обработка, обобщение и интерпретация полученных результатов проведена лично автором.
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 322 страницах машинописного текста, состоит из введения, восьми глав, выводов и приложения, содержит 95 таблиц в основном тексте и 5 в приложении, а также 64 рисунка. Список
использованной литературы включает 342 источника, в том числе 129 на иностранных языках.
Благодарности. Автор приносит глубокую благодарность д.б.н. И.А.Архипченко под чьим руководством выполнялась эта работа. Автор приносит благодарность своим учителям, коллегам и друзьям Л. Б. Сироте, Р.С.Кутузовой, О.В.Свиридовой, Н.И.Воробьеву, Е.В.Денисовой, Н.В.Мятлик за помощь, поддержку, консультации и ценные советы.
