Комплексная оценка ответов на фертильность на компост, гуматы и удобрения для устойчивого управления почвенными средиземноморскими почвами.
Джузеппе Натале Меццапеса 1 *,
Леа Писчители 1 *,
Донато Монделли 2 *,
Теодоро Миано 2 *.
1*. Средиземноморский агрономический институт Бари, CIHEAM-Bari, Валенсано-Бари (Италия).
2*. Отдел науки о почвах, растениях и продуктах питания, Университет Бари Альдо Моро, Бари (Италия)
Введение
В контексте роста населения и экологических проблем сельское хозяйство играет решающую роль: производство достаточного количества продовольствия без ущерба для качества окружающей среды чрезвычайно важно.
Изменение климата оказывает огромное влияние на сельское хозяйство: изменение количества осадков, повышение температуры и изменчивость сезонности. С другой стороны, сельское хозяйство способствует выбросу парниковых газов (ПГ) в атмосферу с долей 10,3% от общего объема выбросов (Европейское агентство по окружающей среде, 2017 год).
Почва удерживает в три раза больше количества СО2, присутствующего в атмосфере, составляющего самый большой наземный пул органического углерода (OC) (Paustian et al., 2016).
В настоящее время секвестрация углерода в сельскохозяйственной почве считается действенной стратегией снижения содержания CO2 в атмосфере и одновременного улучшения качества почвы за счет увеличения содержания органических веществ. Почвенное органическое вещество (ЗВОЛ) является показателем состояния здоровья почвы, поскольку оно влияет на физическую, химическую и биологическую плодовитость почвы. Кроме того, потеря ЗВОЛ влияет на способность сельскохозяйственной почвы сохранять питательные вещества и, следовательно, производить достаточное количество продовольствия для растущего населения.
Изменение климата, как экологически неустойчивая сельскохозяйственная практика, может истощить природную способность почвы для хранения ОС, и это условие считается экстремальным в Средиземноморском регионе, что, естественно, характеризуется низким содержанием ОС.
В свою очередь, относительная бедность ОК определяет высокую уязвимость к деградации почвы Средиземноморья и сокращение урожая сельскохозяйственных культур (Romanyà and Povira, 2011).
Действительно, сельское хозяйство и сельскохозяйственное управление почвами, средиземноморскими и не только должны обеспечить решения проблем борьбы с изменением климата, чтобы не повлиять на здоровье почвы и ее многочисленные экосистемные факторы, включая продуктивность почвы.
Органическое сельское хозяйство тесно связано с целью сохранения качества почвы за счет улучшения физических свойств почвы и улучшения химического и биологического плодородия почв. На практике органическое управление плодородием почвы должно включать использование экзогенных материалов в виде поправок, кондиционеров и разрешенных удобрений.
Каждая стратегия управления фертильностью почвы влияет на разные свойства почвы и имеет свой собственный конкретный механизм действия.
В этом исследовании исследуются последствия различных стратегий управления фертильностью в органическом сельском хозяйстве для выращивания средиземноморских культур. В частности, компост, два почвенных кондиционера (Natural Humic Acids и Humate Balance) и удобрения, разрешенные в органическом сельском хозяйстве, были внесены в почву, чтобы покрыть потребности в питательных веществах томатов.
В дополнение к агрономическим параметрам качества урожая качество почвы оценивалось путем мониторинга некоторых показателей фертильности. Предоставление общего представления о состоянии почвы после применения различных "экзогенных" материалов полезно для разработки надлежащих и устойчивых методов ведения сельского хозяйства. Поэтому целью настоящего исследования является сравнение влияния различных методов управления почвенной фертильностью на физические, химические, биологические и биохимические показатели качества почвы.
Материалы и методы
Эксперимент проводился в области Средиземноморского агрономического института (CIHEAM-Bari), расположенного в регионе Апулия, к югу от Италии (41 ° 03'14.6 "N 16 ° 52'36.2" E).
Климатические условия на участке, как правило, средиземноморские, характеризуются небольшими годовыми осадками (менее 600 мм), мягкой зимой и средней температурой выше 40 градусов в летние месяцы.
Экспериментальный план состоит из четырех обработок, повторяющихся четыре раза и созданных в латинском квадратном дизайне. Размер каждого участка составлял 16 м², а участки были разделены коридором 1 м.
В конце мая почву обрабатывали на глубину в диапазоне 0−20 см. Были проанализированы некоторые химические и физические параметры, а исходные экспериментальные характеристики почвенных полей показаны в таблице 1.
Таблица 1
Физико-химические характеристики почв, расположенных в Апулийском регионе.
В июне продукты были внесены в почву: компост (COM), Natural Humic Acids (NHA), Humate Balance (HB), оба из которых были приобретены у компании Life Force и удобрения (FER), утвержденными правилами органического сельского хозяйства (EC 834/2007 и EC 889/2008). Основные химические свойства компоста, Natural Humic Acids (NHA), Humate Balance (HB), и трех коммерчески доступных удобрений приведены в Таблице 2.
В случае СОМ использовали 3 Mg ha-1, тогда как дозы NHA и HB составляли 0,7 и 0,5 Mg ha-1 соответственно. Помимо использования FER отдельно, удобрения применялись в сочетании с обработками COM, NHA и HB в качестве дополнительных питательных веществ для достижения потребностей в питании томатов (N:130, P2O5:100 и K2O:200).
Двухнедельные растения томатов были пересажены в количестве 45 растений на участок (посадочная дистанция 70×40 см). Томат (Lycopersicon esculentum M. var. Ciliegia Regina) был выбран для этого эксперимента исходя из высокой экономической ценности этого урожая и высоким спросом на него. Цикл урожая длится 90 дней с момента пересадки до конца культивирования. В течение этого периода растения еженедельно орошались системой капельного полива.
Образцы почвы были собраны в 5 точках от каждого участка по схеме Х. Были проведены два разных отбора проб: один для биохимического и биологического анализа (через 75 дней после пересадки), а другой для измерения физико-химических параметров (в конце цикла посева). Образцы, собранные для биохимического анализа, просеивали до <2 мм и предварительно стабилизировали в течение 10 дней при 25 °C, содержание воды в почве доводили до 60% от емкости для удержания воды. Напротив, почву, отобранную в конце цикла выращивания, сушили на воздухе, а затем просеивали до <2 мм.
Анализ физических свойств почвы включает в себя: размер частиц, объемную плотность и способность удерживать воду. Анализ размера частиц выполнялся методом пипетки и классом текстуры, определяемым в соответствии с классификацией USDA. Массовую плотность определяли в соответствии с методом испытания D1895−96 C, тогда как удерживающую способность воды (WHC) оценивали в соответствии с ISO 11 274. Содержание влаги измеряли путем сушки образцов в течение ночи при t 105 °C.
РН почвы измеряли в воде и CaCl2 (0,01 М) с соотношением 1:2,5 мас. / Об. Электрическая проводимость (ЕС) определялась на водных экстрактах почвы (1:2 мас. / Об.). Содержание органического С оценивали по методу Уолкли и Блэка, как описано Нельсоном и Соммерсом (1996), тогда как Total N измеряли по методу Кьельдаля, как описано Bremner (1996). Доступный Р измеряли на щелочных экстрактах натрия бикарбоната и определяли по методу Ольсена (Olsen and Sommers, 1982). Количественное определение общего содержания карбоната осуществляли кальциметровым аппаратом (аппарат Дитриха-Фрулинга). Сменные основания экстрагировали хлоридом бария и раствором триэтаноламина, в то время как доступные микроэлементы экстрагировали DTPA и раствором триэтаноламина. После экстракции оба они были проанализированы ICP-OES.
Определены некоторые биохимические активности. В частности, гидролазу флуоресцеина диацетата (FDAH) определяли согласно Schnϋrer and Rosswall (1982), β-глюкозидазу (β-Glu) измеряли в соответствии с Tabatabai (1982), Eivazi and Tabatabai (1988), тогда как определение активности фосфомоноэстеразы, Acid (Pho Ac) и щелочной (Pho Alk) следуют методу, описанному Tabatabai и Bremner (1969), Eivazi и Tabatabai (1977). Все измерения проводились в трех экземплярах с одной заготовкой. Кроме того, был измерен микробный углерод биомассы (Vance et al., 1987; Wu et al., 1990).
Для оценки влияния методов восстановления почвы с агрономической точки зрения учитывались урожайность и качество томатов. Выход выражали как Mg ∙ ha-1, а средний вес определяли на подвыборке из 20 томатов на каждый граф, собранный во время каждой уборки. Кроме того, растворимые твердые вещества измеряли цифровым рефрактометром на тех же подвыборках.
Химический состав компоста, природных гуминовых кислот и растворимого гумата K представлен в таблице 2. Кроме того, для определения индекса прорастания водный раствор экстрагировали из материалов с 60% влажности. Затем этот экстракт разбавляли 1%, 3%, 10% и 30% и 1,5 мл каждого разведения распределяли на 10 семян Lepidium sativum L., помещали на фильтровальную бумагу в чашку Петри.
Были приготовлены пять повторов для разведения, и все чашки Петри инкубировали в темноте при 25 °C в течение 72 часов. Индекс прорастания (GI) был рассчитан как отношение количества проросших семян к их среднему удлинению корня и продукта числа на удлинение проросших семян корней в чашках Петри, содержащих только воду (Zucconi et al., 1981).
Таблица 2
Химические характеристики компоста, Natural Humic Acids, Humate Balance и удобрений.
Рисунок 1
Индекс прорастания компоста в синем,
Natural Humic Acids в красном
Humate Balance в зеленом.
Результаты и обсуждение
Помидоры, полученные в результате графиков, при добавлении Natural Humic Acids и Humate Balance, были значительно выше, чем урожаи, полученные в лечении FER и COM (таблица 3). Напротив, средний вес фруктов четырех обработок не сильно отличается. Кроме того, растворимое твердое вещество не подчеркивало никакой разницы между обработками с точки зрения качества фруктов.
Таблица 3
Урожайность и параметры качества урожая томатов. Средство с разными буквами указывает на значительную разницу между значениями при p≤0,05 (тест Дункана).
Наблюдаемая более высокая продуктивность NHA и HB не могла быть приписана более высокому содержанию питательных веществ, поскольку, единицы N-P-K были одинаковыми для всех обработок. С другой стороны, значительно отличающиеся выходы NHA и HB по сравнению с другими методами лечения могут быть связаны с возможным прямым и косвенным воздействием природных гуминовых кислот и Humat Balance. Согласно Ouni et al. (2014), гуминовые вещества, содержащиеся в гуматсодержащих продуктах, могут непосредственно воздействовать на растения биологически стимулирующей активностью, в то время как косвенный эффект заключается в положительном влиянии на свойства почвы.
Как показано в таблице 4, не было существенной разницы между обработками с точки зрения физической характеристики. Как правило, физические параметры имеют очень низкую чувствительность к изменению за короткое время, поэтому для изменения этих свойств почвы необходимы резкие и постоянные изменения. Тем не менее, важно подчеркнуть, что значения WHC выше, чем исходный WHC (31,8%).
Таблица 4
Физические параметры почвы. Средство с разными буквами указывает на значительную разницу между значениями при p≤0,05 (тест Дункана).
В конце эксперимента химические характеристики почвы, которые показали статистически значимую разницу, были OC и доступны P (таблица 5). Доступный P в HB и FER выше, чем в COM и NHA. Увеличение доступности P может быть связано с химическими и биохимическими взаимодействиями с почвой (Sathiya Bama et al., 2003).
Иными словами, содержание ОКС было значительно выше в HB, чем в других трех методах лечения. Этот результат показывает, что Humate Balance может значительно способствовать увеличению содержания SOM, хотя он был применен в небольшом количестве.
Таблица 5
Химическая характеристика почвы в конце цикла посева. Средство с разными буквами указывает на значительную разницу между значениями при p≤0,05 (тест Дункана).
Активность энзимов в почве участвует во многих биохимических циклах питательных веществ и почве, и считается очень достоверными параметрами, указывающими на изменение качества почвы на основе их быстрого реагирования на небольшие модификации (Stott et al., 2009).
Поэтому, исходя из основной роли, которую играют ферменты почвы в деградации органических веществ и доступности питательных веществ, будет предложено дальнейшее обсуждение химических параметров после иллюстрации результатов биохимического анализа.
Таблица 6
Активность ферментов на почве в 75 дней после трансплантации. Средство с разными буквами указывает на значительную разницу между значениями при p≤0,05 (тест Дункана).
Фермент щелочной фосфомоэстеразы показал высокий уровень активности в почве. Однако активность этого фермента не выявляет различий между обработками, тогда как активность Pho Ac была самой высокой в HB (таблица 6). Nannipieri (1994) подчеркивает, что почвенная микрофлора может синтезировать Pho Ac в состоянии P-дефицита для трансформации фиксированного фосфата в доступных P.
С одной стороны, можно предположить, что это явление происходит в HB, а высокая активность Pho Ac вместе с высоким доступным P может поддержать эту гипотезу.
С другой стороны, наличие P сильно зависит от сезонных колебаний и имеет низкую чувствительность к небольшим изменениям, как и другие химические параметры (Filip, 2002).
Более того, основываясь на сравнении значений Pho Ac и Pho Alk, можно подчеркнуть, насколько эта последняя концентрация фермента выше Pho Ac. Согласно Von Wandruszka (2006), гуминовые материалы, полученные из-за внешнего применения или из-за естественного разрушения органических материалов, способствуют доступности P их функциональными группами.
Наши результаты показали, что доступный P в COM и NHA был низким по сравнению с другими методами восстановления. Однако, согласно высокому Pho Alk, можно предположить, что доступность P регулировалась в течение всего цикла функциональными группами, которые характеризовали компост и природные гуминовые кислоты. Иными словами, доступный P в FER попрежнему был высоким в конце цикла выращивания, и активность фосфомоэстеразы существенно не отличалась от COM и NHA.
Можно предположить, что доступность P в FER началась позже, чем в других методах лечения; этот механизм может быть обусловлен нехваткой гуминовых веществ и их последующим стимулирующим воздействием на доступность питательных веществ и микробное взаимодействие с органическим веществом (Stott et al., 2009).
Эта задержка могла бы привести к несоответствию между действием удобрений и потребностями завода. Это несоответствие представляет собой экономические отходы и может иметь негативные последствия для качества окружающей среды.
Как указано в таблице 6, гидролиз диацетата флуоресцеина (FDA) был выше в HB, чем значения, определенные в NHA, FER и COM. FDAH считается эффективным способом измерения общей микробной активности (Schnϋer и Rosswall, 1982).
Он является индикатором микробной гетеротрофной активности, поскольку несколько различных ферментов, таких как липазы, протеазы и фосфатазы, могут гидролизовать FDA (Frølund, 1995). Поэтому высокое значение FDAH HB может быть приписано высокому Pho Ac. Этот результат был подчеркнут положительной корреляцией между активностью FDAH и Pho Ac (r2 54,3%, p-значением 0,03).
Бета-глюкозидаза гидролизует сложные органические матрицы в формах углерода, легко адсорбируемых микробными клетками (Nannipieri et al., 2012). Несмотря на то, что β-глюкозидаза играет важную роль в биохимическом цикле OC, между обработками нет различий (таблица 6).
Этот фермент позволяет микроорганизмам получать доступ к энергии и питательным веществам, поэтому увеличение его концентрации прямо зависит от увеличения микробной популяции и наоборот (Stage et al., 2010).
Тем не менее, микробная биомасса углерода (MBC) не имеет такого же поведения, как β-Glu. В частности, MBC был самым низким в NHA (191,5 ± 28,1 мкг • g-1dry почва), почва с внесением компоста имела наивысшее значение MBC (244,7 ± 25,3 мкг • г-1dry почва), тогда как MBC в HB и FER составляли 243,0 ± 27,2 и 236 ± 19,0 мкг • g-1dry почвы соответственно.
Высокий MBC в COM может быть вызван микробной биомассой, уже содержащейся в компосте и эффективно транспортируемой в почву (Ros et al., 2006). Zhen et al. (2014) предполагают, что добавление легкодоступных питательных веществ повышает микробную биомассу почвы. Следовательно, это явление может объяснить рост MBC в FER.
Гуминовые вещества способствуют стабилизации ферментов, но эта стабилизация обычно отражает увеличение микробной популяции. Этот механизм был подчеркнут в случае HB, где высокая активность FDAH и Pho Ac соответствует высокому значению MBC. Напротив, в NHA самое низкое значение MBC соответствует не значительно меньшим ферментативным действиям по сравнению с COM и FER. Согласно Stott et al. (2009), ферменты могут быть извлечены из живых клеток или из дезинтегрированных клеток, становясь "свободными" ферментами. Эти "свободные" внеклеточные ферменты могут оставаться активными в почве в течение длительного времени, если они ограничены гуминовыми веществами (Benitez et al., 2016).
Следуя вышеприведенному предположению, можно предположить, что природные гуминовые кислоты ограничивают β-глюкозидазу и фосфомоэстеразу, защищая ферменты от деградации. Таким образом, образование этого комплекса гуминовых ферментов позволило определить сходные ферментативные активности в NHA, COM и FER, хотя MBC в NHA был ниже, чем COM и FER. Кроме того, сохранение ферментов за пределами существования микроорганизмов можно было бы использовать для мониторинга долгосрочных колебаний микробной биомассы (Stott et al., 2009) и вклада микробного углерода в OC.
Вывод
Удобрения, разрешенные в органическом сельском хозяйстве, определили самый низкий урожай и самый низкий вклад ОК, как и ожидалось. Компост предоставил растениям томатов своевременное и достаточное количество питательных веществ, которые, однако, не способствовали увеличению урожая. С точки зрения свойств почвы, компост увеличивает MBC, но не влияет на биохимические свойства.
Препараты на основе гуминовых кислот из леонардита, дают максимальный урожай, вероятно, из-за биостимуляционной активности этих двух продуктов. Кроме того, NHA и HB способствовали выращиванию плодов томатов, характеризующиехся одинаковым качеством и размером COM и FER.
Результаты, полученные в этом исследовании, показали, что NHA и HB обеспечивают более высокий урожай, чем обычные препараты и удобрения, даже при невысоких дозах внесения.
В отличие от физических параметров, химические, биохимические и биологические показатели хорошо реагировали на небольшую модификацию через 90 дней после внесения NHA и HB. Результаты, касающиеся качества почвы, являются перспективными, даже если NHA и HB по разному влияют на свойства почвы.
В заключение, низкая доза вместе с высоким выходом в NHA и HB указывает на потенциальную хорошую экономическую устойчивость этих двух продуктов. С другой стороны, один цикл урожая не может полностью описать воздействие NHA и HB на экологические показатели плодородности почвы. Поэтому мы подчеркиваем необходимость дальнейших полевых экспериментов для лучшего изучения механизмов, выходящих за рамки взаимодействия гуминовых продуктов с почвой.
Список литературы
Benitez E, Nogales R, Doni S, Masciandaro G and Moreno B (2016). Biochemically active humic substances in contrasting agricultural managements. Spanish Journal of Agricultural Research, 14, pp. 1−4.
Bremner JM (1996). Nitrogen total. In Methods of Soil Analysis, Part 3: Chemical Methods. Sparks D.L. (ed.). Soil Science Society of America: Madison, Wisconsin.
D1895−96, ASTM (2003). Standard Test Methods for Apparent Density, Bulk Factor, and Pourability of Plastic Materials. ASTM. International, West Conshohocken.
Eivazi F and Tabatabai M (1977). Phosphatases in soils. Soil Biology and Biochemistry, 9, pp. 167−172.
Eivazi, F and Tabatabai, MA (1988). Glucosidases and galactosidase in soils. Soil Biology and Biochemistry, 20, pp. 601−606.
European Environment Agency (2015) EU agriculture and climate change — Report.
Filip Z, (2002). International approach to assessing soil quality by ecologically — related biological parameters. Agriculture, Ecosystems and Environment, 88, pp. 169−174.
Frølund B, Griebe T and Nielsen PH (1995). Enzymatic activity in the activated-sludge floe matrix. Applied Microbiology Biotechnology, 43, pp. 775−761.
ISO 11 274 (1998). Soil quality — Determination of the water-retention characteristic — Laboratory methods. 1st ed. Technical committee.
Nannipieri P (1994). The potential use of soil enzymes as indicators of productivity, sustainability and pollution. In: Pankhurst CE, Doube BM, Gupta VVSR, Grace PR. Soil biota: management in sustainable farming systems. CSIRO, East Melbourne.
Nannipieri P, Giagnoni L, Renella G, Puglisi E, Ceccanti B, Masciandaro G, Fornasier F, Moscatelli MC and Marinari S (2012). Soil enzymology: classical and molecular approaches. Biology and Fertility of Soils, 48, pp. 743−762.
Nelson DW and Sommers LE (1996). Total Carbon, Organic Carbon, and Organic Matter. In: Methods of Soil Analysis. Part 3. Chemical Methods. Sparks D.L. (ed.). Soil Science Society of America: Madison, Wisconsin.
Olsen SR and Sommers LE (1982). Determination of available phosphorus. In: Page RL; Miller R.H., Keeney D.R. Methods of Soil Analysis: Chemical and Microbiological Properties. American Society of Agronomy, Madison, Wisconsin.
Ouni Y, Ghnaya T, Montemurro F, Abdelly C, Lakhdar A (2014). The role of humic substances in mitigating the harmful effects of soil salinity and improve plant productivity. Journal of Plant Production, 8, pp. 353−374.
Paustian K, Lehmann J, Ogle S, Reay D, Robertson GP and Smith P (2016). Climate-smart soils. Nature, 532, pp. 49−57.
Romanyà J and Povira P (2011). An appraisal of soil organic C content in Mediterranean agricultural soils. Soil Use and Management, 27, pp. 321−332.
Ros M, Pascuala JA, Garcia C, Hernandeza MT and Insamb H (2006). Hydrolase activities, microbial biomass and bacterial community in a soil after long-term amendment with different composts. Soil Biology and Biochemistry, 38, pp. 3443−3452.
Sathiya Bama K, Selvakumari G, Santhi R and Singaram P (2003). Effect of humic acid on nutrient release pattern in an Alfisol (Typic Haplustalf). Madras Agricultural Journal, 90, pp. 665−670.
Schnürer J and Rosswall T (1982). Fluorescein diacetate hydrolysis as a measure of total microbial activity in soil and litter. Applied Environmental Microbiology 43, pp. 1256−1261.
Stege PW, Messina GA, Bianchi G, Olsina RA and Raba J (2010). Determination of beta-glucosidase activity in soils with a bioanalytical sensor modified with multiwalled carbon nanotubes. Analytical and Bioanalytical Chemistry, 397, pp. 1347−1353.
Stott DE, Andrews SS, Liebig MA, Wienhold BJ and Karle DL (2010). Evaluation of β-Glucosidase Activity as a Soil Quality Indicator for the Soil Management Assessment Framework. Soil Biology and Biochemistry, 74, pp. 107−119.
Tabatabai MA (1982) Sulfur. In: Page RL; Miller RH, Keeney DR. Methods of Soil Analysis: Chemical and Microbiological Properties. American Society of Agronomy. Madison, Wisconsin.
Tabatabai MA and Bremner JM (1969). An alkaline oxidation method for determination of total sulfur in soil. Soil Science Society of America, Proceedings, 34, pp.62−65.
Vance ED, Brookes PC and Jenkinson DS (1987). An extraction method for measuring soil microbial biomass C. Soil Biology and Biochemistry, 19, pp. 703−707.
Von Wandruszka R (2006). Phosphorus retention in calcareous soils and the effect of organic matter on its mobility. Geochemical Transactions, 7, pp. 1−8.
Wu J, Jaoergensen RG, Pommerening B, Chaussod R and Brookes PC (1990). Measurement of soil microbial biomass-C by fumigation-extraction — an automated procedure. Soil Biology and Biochemistry, 22, pp. 1167- 1169.
Zhen Z, Liu H, Wang N, Guo L, Meng J, Ding N, Wu G and Jiang G (2014). Effects of manure compost application on soil microbial community diversity and soil microenvironments in a temperate cropland in China. PLoS ONE, 9.
Zucconi F, Pera A, Forte M and De Bertoldi M (1981). Evaluating toxicity of immature compost. BioCycle, 22, pp.54−57.
Контактное лицо: Lea Piscitelli
Адрес: Via Ceglie 9, 70 010 Valenzano (BA) Italy
