Рациональное использование микроорганизмов для повышения потенциального плодородия почв

Статья микробиолога Игоря Вострова «Рациональное использование микроорганизмов для повышения потенциального плодородия почв» была подготовлена еще в 1960-е годы по результатам работы на полях колхоза «Заветы Ильича» у известного курганского полевода Терентия Мальцева. Эта работа стала для агрономов ключом для понимания явлений, протекающих в почве, поворотным моментом, после которого начался кропотливый процесс по переходу к активному использованию биопрепаратов на полях хозяйств. Работа Игоря Вострова, опередив время, позволяет понять важность учета состояния микробиологической активности почвы в процессе ее сельскохозяйственного использования и сегодня приобретает большую актуальность на фоне продолжающейся деградации пашни во многих хозяйствах.
 

Почему об исследованиях аспиранта Института микробиологии Игоря Вострова, выполненных в конце 50-х годов прошлого века, долгие годы предпочитали молчать, а свет они увидели лишь в начале перестройки (в 1989 году в № 1 ее опуб-ликовал журнал «Вестник сельскохозяйственной науки»)? Очевидно, потому, что они выбивались из общепринятой колеи и могли внести смуту в подходах к агротехнологиям, что совсем не вписывалось в рамки советского планового земледелия.
Выпускник Тимирязевской сельхозакадемии, Игорь Востров проработал пять сезонов рядом с полеводом Терентием Мальцевым – с 1955 по 1959 год. Причем поставленные им опыты показали замечательные результаты. Настолько замечательные, что в 1957 году к Мальцеву приезжал сам директор Института микробиологии академик Е. Мишустин. Вот как писал об этой истории журналист Григорий Леонтьев в газете «Советская Россия» (№ 125 за 6 ноября 2003 г.).«Добытые Игорем Востровым материалы стали темой его научной диссертации, и в 1959 году он становится кандидатом биологических наук. Но к тому времени полевод Мальцев был осужден Н. Хрущевым как «пшеничный аристократ», что для «Большой Академии» стало сигналом тревоги, и молодого ученого-биолога переводят на другую работу, да на такую, что его кандидатура рассматривалась в ЦК партии.
Высокообразованный выпускник Тимирязевки, расшифровав невидимую для глаз жизнь почвенных микроорганизмов, поставил на научную основу все то практическое, что «придумал» полевод на пашне.
Если бы все добытое ученым-биологом за пять лет исследований было опубликовано в начале 1960-х годов и нашло применение на полях колхозов и сов-хозов, случилось бы то, что так беспокоило Н. Хрущева после осмотра мальцевских полей. Перед посадкой в самолет до Москвы он сказал в присутствии всех провожающих: «Если бы в стране все работали как товарищ Мальцев, случилась бы катастрофа – хлеб некуда было бы девать».

«Земледелие – самое большое микробиологическое производство на земле». (И. Востров)

История помнит, что катастрофы не случилось. Уже к середине 1960-х годов СССР стал закупать хлеб за границей и в немалом количестве. Научная диссертация биолога давала ответы на вопрос: как и чем надо «кормить» нашу землю-кормилицу, чтобы выращивать на ней необходимое количество продовольствия?
На основе опытов автор установил, что процесс накопления плодородия в верхнем слое глубиной до 6 см в 24 раза активнее, чем в слое ниже глубины 14 см. Запахивание растительных остатков на глубину вызывает процесс брожения с образованием ядовитых веществ, губительных для будущего урожая. А внесение измельченной соломы в верхний слой почвы с добавлением небольших доз азота уже на второй год дает прибавку урожая на 35 процентов. Из насыщенного органикой поверхностного слоя почвы углерода выделяется в два-четыре раза больше, чем при глубокой «культурной» вспашке с оборотом пласта. При этом известно, что фотосинтез активнее протекает при повышенном содержании углерода в воздухе. Все это – результат дея-тельности почвенных микроорганизмов, которых академик В. Вернадский назвал могучей биологической силой на планете Земля, создавшей сначала растительный покров на ней, а потом и саму почву.
В статье биолога И. Вострова есть такие строки: «… земледелие – самое большое микробиологичес-кое производство на земле...». Как отмечает Григорий Леонтьев, в земледелии XXI века агронома с классической подготовкой заменит агроном-мик-робиолог, способный управлять составом и характером почвенного населения, стимулируя деятельность полезных видов. Например, микробов-антагонистов против корневой гнили и других болезней или тех видов микробного сообщества, которые повышают урожайность».
Ниже мы публикуем работу Игоря Вострова, на тот период кандидата биологических наук Института 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 два-четыре раза превосходит их активность на старопахотных почвах.

Любые органические удобрения должны разлагаться в аэробных условиях, чтобы получить максимальный выход гумуса и других веществ, необходимых растениям.

Рассматривая различные аспекты проблемы охраны окружающей среды, мы прежде всего обращаем внимание на почву, ибо земля – это основное наше богатство. Между тем замечено, что чем больше сельское хозяйство обеспечено минеральными удобрениями, тем больше предаются забвению 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 выделениями 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 микроорганизмов.
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 образовываться только в анаэробных условиях. Сейчас мик-робиологами 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 такие единицы. 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 суток 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%. 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.

Во всех климатических зонах страны верхний слой целинной почвы отличается от старопахотной тем, что выделяет в несколько раз больше углекислого газа. Потенциальное плодородие в этой почве создается не вследствие пассивности микроорганизмов, а, наоборот, благодаря активности, в несколько раз большей, чем на старопахотных почвах.

Опыт на богатой гумусом лугово-черноземной почве Шадринской сельскохозяйственной опытной 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)2SO4). 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, ускорение разложения сломы (при внесении азота) в условиях затрудненного газообмена ведет к активизации 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 органичес-ких веществ в аэробных условиях по сравнению
с анаэробными. В приведенном выше опыте с песком 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 слой 0–20 см.
На второй и третий годы наблюдалась гибель растений в фазу выхода в трубку. 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 предлах 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. 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 количествах 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. Причем, аминокислоты сохраняются на растительных остатках до полного их разложения. Далее после утилизации растительных остатков постепенно будут разлагаться и аминокислоты, а растения получат азот в аммиачной форме. Если в почве накопятся за несколько 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 благоприятой для них влажности и температры будет отмечаться усиленное поступление азота. Поскольку те же условия 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 должны 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 органических соединений в соответствии с потребностями растений, не теряясь при этом из почвы: доступные формы его полностью потребляются растениями, а основной запас, содержащийся в клетках микроорганизмов, в виде белков и аминокислот адсорбирован на растительных остатках.
Принято думать, что целинная почва запасает элементы потенциального плодородия благодаря замедленному протеканию в ней микробиологичес-ких 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 создается 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 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.
 

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. Востров И. С., Петрова А. Н. Микробиология. – 1961. – Т. 30. – В. 4. – 665 с.
4. Востров И. С. Микробиологическая разнокачес-твенность горизонтов пахотного слоя почвы. – М. 1965. – 25 с.
5. Востров И. С. Образование аминокислот в поч-ве// IX Международный конгресс по микробиологии. – «Медицина», 1966.
6. Голод Б. И. / Докл. ТСХА, 1966. – 245 с.
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. – 479 с.
10. Мишустин Е. Н., Востров И. С. Аппликационные методы в почвенной микробиологии // Микробиологические и биохимические исследования почв. – Киев, «Урожай». – 3 с.