Вплив лінійних дубових полезахисних насаджень на біогенність чорнозему типового агрогенного використання

В Україні внаслідок порушення науково обґрунтованих технологій сільськогосподарського виробництва стан ґрунтів неупинно погіршується й інтенсифікуються процеси ерозії, засолення, дегуміфікації. Порушення природного функціонування ґрунтового покриву є проблемою міжнародного рівня, а їхня охорона - однією з важливих екологічних проблем. Сільськогосподарські землі України у загальній структурі земельного фонду становлять майже 71 %, а рівень їх ро- зораності - 78 %, що є одним із найбільших серед європейських держав (Natsionalna dopovid, 2012).

Відомо, що в Україні для господарського використання залучено понад 92 % території. Площа ріллі становить 32,5 млн га, з яких близько 16 млн га земель еродовані, а втрати гумусу на цих землях уже досягли рівня 30-70 % ^йаеЬіїа, 2017). Серед деградаційних процесів впродовж останніх років на землях України домінує ерозія, якою охоплено 14,9 млн га земель (32 % загальної площі сільськогосподарських угідь), із них 10,6 млн га орнопридатні продуктивні землі (Budziak, 2014). Ґрунт, як складова біогеоценозу, знаходиться під впливом різного за часом, інтенсивністю та масштабом антропогенного навантаження (Shah et al., 2017; Hakeem et al., 2016), яке порушує нормальний перебіг ґрунтових процесів та призводить до значних змін у функціонуванні мікробного угруповання (Patyka 2013; Bardgett and van der Putten, 2014; Wall et al., 2015).

Напрям досліджень мікробіологічних процесів ґрунту, де важливим компонентом біологічного кругообігу речовин є ґрунтові мікроорганізми (Doni et al., 2017), на сучасному етапі розвитку агролісомеліорації тільки набуває розвитку (Notaro et al., 2014; Muhammed et al., 2015; Horyelov 2017). Вивчення біологічної активності ґрунту дає змогу глибше зрозуміти і виявити закономірності у процесах перетворення органічної речовини, враховуючи антропогенний вплив на ґрунт та його властивості (Stratehiia, 2012; Murthy et al., 2016).

Розміщення лінійних насаджень на сільськогосподарських землях позитивно впливає на всі природні процеси, зокрема кругообіг органічної речовини та енергетичні потоки між елементами агроландшафту (Von Holle et al., 2006; Lisovyi & Chaika, 2008; Bielinska et al., 2008; Rempel et al., 2016; Coe et al., 2016). Полезахисні лінійні насадження також мають вплив на мікроклімат поля та ґрунтове середовище, ініціюючи зміни популяцій мікроорганізмів (Gu et al., 2002), які формують біологічно активні ґрунти. Мікробна біомаса в процесі її життєдіяльності в ґрунті сприяє мінералізації рослинних решток з утворенням доступних для рослин елементів живлення і є важливим компонентом ґрунтового середовища (Kryhanivskyi & Kostohryz, 2010). Вплив систем полезахисних насаджень на формування і функціонування мікробного комплексу ґрунту є мало вивченим (Cavagnaro et al., 2016) і потребує додаткових досліджень для уточнення напрямів та інтенсивності мікробіологічних процесів на чорноземних ґрунтах України.

Об'єктом дослідження є ґрунт (чорнозем типовий) під лісовими смугами та на різній відстані від них. Предметом дослідження є зміни у чисельності ґрунтових мікроорганізмів та спрямованість мікробіологічної активності в ґрунті на різній відстані від полезахисної лісової смуги. Завдання роботи - визначити можливість впливу сформованого дубовою лісовою смугою лісового середовища на перебіг мікробіологічних процесів у верхньому шарі ґрунту.

Метою роботи є дослідження агроекологічного впливу дубової полезахисної лісової смуги на показники біогенності чорнозему типового глибокого важко- суглинкового на лесі в агроценозах Лівобережного Лісостепу України.

Матеріал і методи дослідження. Ґрунтово-біологічні дослідження виконували в природних умовах Лівобережного Лісостепу України на початку вегетації у травні 2014 р. Ґрунтовий покрив дослідної території складає чорнозем типовий (глибокий) важкосуглинко- вий на лесових породах. Досліджували верхній (030 см) шар ґрунту, де інтенсивно відбуваються процеси ґрунтоутворення під впливом рослинності та аеробних ґрунтових організмів.

Зразки ґрунту відібрано на різних відстанях від лісової смуги № 61 у дослідному господарстві ННВЦ "Дослідне поле" Харківського національного аграрного університету ім. В. В. Докучаєва. Полезахисна лісова смуга № 61 складається з 4-х рядів, склад насадження - 7Дз3Клг, віком 60 років. Середня висота дерев у смузі 22,8 м, діаметр - 28,9 см, повнота - 0,85, конструкція - щільна. Зразки ґрунту відбирали в смузі, а також на різних відстанях від смуги. Забори зразків проводили з завітряного боку через: 1 Н, 2 Н, 5 Н, 7 Н та 10 Н, а також з навітряного через: 1 Н, 2 Н, 5 Н. Контролем було відкрите поле поза межами лісомеліоративного впливу цього насадження.

Біогенність ґрунтів визначали за чисельністю еколо- го-трофічних груп методом мікробного посіву на тверді поживні середовища (ДСТУ ISO 7847:2015), а саме: ор- ганотрофних бактерій - на м'ясо-пептоновий агар (МПА), мікроорганізмів, що засвоюють азот мінеральних сполук, і актиноміцетів - на крохмаль-амонійний агар (КАА), оліготрофних мікроорганізмів - на голодний агар (ГА) (повторність 4-кратна: кожен ґрунтовий зразок висівали на живильне середовище в 4 паралельні чашки Петрі), грибів - на середовище Ріхтера (повторність 4-кратна). Мікробіологічний аналіз здійснювали на обладнанні сектора мікробіології ґрунтів лабораторії охорони та раціонального використання земель ННЦ "Інститут ґрунтознавства та агрохімії ім. О. Н. Соко- ловського".

Інтегровані показники, зокрема мінералізації (Mis- hustin, 1975), оліготрофності (Aristovskaya, 1977) та мікробної трансформації органічної речовини ґрунту (МТОРҐ) (Muha, 1980), які характеризують напруженість мінералізаційних процесів і трофічний режим ґрунту, розраховували за співвідношенням окремих груп мікроорганізмів; інтегрований показник біогеннос- ті (ІПБ) - за методикою Дж. Ацці на основі розрахунку сумарного біологічного показника (СБП) (Atstsy, 1959).

Результати дослідження та їх обговорення. Як видно з досліджень, які виконали деякі автори (Kovalov et al., 2012), та підтверджено нашими даними, на вміст органічних сполук азоту в ґрунтах впливає кількість органічної речовини. Мікробіологічні дослідження довели, що чисельність мікроорганізмів усіх досліджуваних еколого-трофічних груп у ґрунті як під наметом полезахисної лісової смуги, так і з її завітряного та навітряного боків мали мінімальні значення відносно всіх варіантів для насадження (табл. 1). Однак спостерігали деякі відмінності щодо органотрофних мікроорганізмів. Їхня чисельність виявилася дещо вищою в ґрунті під лісовою смугою - 11,15 млн КУО/г ґрунту (колонієутворю- вальних одиниць на 1 г абсолютно сухого ґрунту). Це пояснюємо хронологією формування і розвитку лісового ценозу в лінійних насадженнях, а саме збагаченням ґрунту більшою кількістю розкладених рослинних решток та елементами живлення органічного походження. Чисельність мікроорганізмів, які використовують органічні форми азоту, спостерігали найменшою на відстані 1-2 Н від полезахисної смуги як з навітряного, так і з завітряного боку, і коливалася у межах 7,49-9,25 млн КУО/г ґрунту. Саме ця зона відокремлення лісової смуги та ріллі, на якій відбуваються погіршення екологічних умов для сільськогосподарських культур, а для рудеральних видів рослинності, навпаки, складаються кращі умови, ми у своїй роботі назвали умовно "зоною пригнічення".

У цій зоні внаслідок впливу лісової смуги формуються особливі мікрокліматичні умови. Східноавстра- лійські дослідники Sudmeyer, Bicknell & Coles (2007) у своїй роботі назвали цю зону конкурентною, оскільки в ній зазвичай знижується врожайність сільськогосподарських культур на відстані 2-4 H від узлісся захисного насадження. Зона конкуренції відповідає бічній межі поширення коренів дерев, що тісно пов'язано зі зниженням ґрунтових вод, особливо в посушливі роки. Sven Erik J0rgensen (2009) аналогічно зауважив щодо обмеження вологості, однак і наголосив на тому, що ступінь конкуренції може змінюватись залежно від видів сільськогосподарських культур, деревних порід, географічного розташування та особливостей погодних умов.

Табл. 1. Чисельність мікроорганізмів головних еколого-трофічних груп та розрахункові показники у горизонтах

Виявлено прямий помірний зв'язок (рисунок) між відстанню від лісової смуги та чисельністю мікроорганізмів, які використовують органічні форми азоту: завітряного боку - Я2 = 0,43; г = 0,66; п = 18; р = 0,05; навітряного боку - Я2 = 0,62; г = 0,79; п = 12; р = 0,05, на проміжку 0-2 Н їхня чисельність була достовірно меншою. Тобто чисельність органотрофів була вищою у ґрунті лісової смуги, що пояснюємо формування специфічного лісового середовища під її наметом та інтенсивністю надходження органічних речовин з опаду. Таким чином можна стверджувати, що в напрямку до центру поля спостерігаємо активізацію мікробного ценозу у ґрунті. Це пояснюємо активним багаторічним використанням сільськогосподарських земель і формуванням специфічного мікробоценозу.

0 1 2 б) МПА навітряний бік

Рисунок. Чисельність органотрофів (МПА) залежно від відстані до/від полезахисної лісової смуги

Збільшення чисельності органотрофів на прилеглих до лісових смуг полях також відбувається завдяки додатковому надходженню з добривами речовин органічного та мінерального походження (Rozhkov et al., 2015). Однак в захисному насадженні органічні сполуки надходять здебільшого від щорічного опаду і завдяки систематичному процесові його мінералізації. Мікроорганізми, які культивуються на КАА, сприяють зниженню вимивання азоту за межі ґрунтового профілю (Valetska, 2015).

Чисельність мікроорганізмів, які культивуються на КАА, тобто мікроорганізми, що перетворюють мінеральні сполуки азоту, була найменшою у лісовій смузі та на відстані 1 Н від неї - 10,32 млн КУО/г ґрунту. Зі збільшенням відстані до/від смуги чисельність мікроорганізмів поступово зростає і досягає свого піку з навітряного боку на відстані 5 Н та на відстані 10 Н з завітряного боку. Ці зони, з агролісомеліоративного погляду, є найефективнішими в регулюванні гідротермічного і вітрового режимів на прилеглих полях, про що свідчить збільшення інтенсивності мінералізації органічних речовин мікроорганізмами. У цьому випадку, на завітряному боці спостерігаємо стабільнішу чисельність мікробіологічних груп і загалом дещо вищу, порівняно з варіантами навітряного боку. Також зосередили увагу на межі "зони пригнічення", що створюється лісовою смугою (0-2,5 Н) і характеризувалася незначною кількістю організмів, що засвоюють азот від 10,32 до 15,96 млн КУО/г ґрунту.

Чисельність оліготрофної мікрофлори з віддаленням від узлісся полезахисної смуги збільшувалась, що свідчить про зменшення кількості поживних речовин, які необхідні для життєдіяльності ґрунтового мікробоцено- зу, оскільки оліготрофна мікрофлора інтенсивно розвивається на збіднених ґрунтах, що зумовлено їх трофічною специфічністю та відсутністю конкуренції. біогенність ґрунт лісовий поле

Чисельність оліготрофних організмів була найменшою у ґрунті під захисним насадженням - 12,46 млн КУО/г ґрунту У зоні негативного впливу лісосмуг на сільськогосподарські культури (на відстані 0-2 Н) як із завітряного, так і з навітряного боку чисельність олігот- рофів була незначною і змінювалася від 13,15 до 16,54. Тобто з віддаленням від смуги збільшується і чисельність оліготрофів, що свідчить про погіршення трофічного режиму ґрунту. Подібні характеристики було наведено в роботі Symochko, Tsykun & Symochko (2008), але відмінність полягала лише в тому, що залежність чисельності мікроорганізмів різних еколого-трофічних груп та показників оліготрофності ґрунту залежала від висоти лісових масивів.

Rokytianskyi & Makliuk (2014, 2016) у своїх працях наголошували на тому, що оліготрофна мікрофлора розвивається завдяки мінімальній кількості органічної речовини і притаманна останнім стадіям мінералізації, і її збільшення може свідчити про погіршення трофічного режиму ґрунту.

Поліпшення чисельності мікробоценозу ґрунту передбачає підвищення родючості ґрунтів (Robin et al., 1995). Агрофітоценоз дослідної території показав значне збільшення мікробної активності ґрунтів. Чисельність бактерій, актиноміцетів і грибів мали статистично значущі відмінності на різних відстанях від полезахисного насадження. Помітне збільшення відзначали також вчені Dluzniewska & Mazurek (2011) в колоніях бактерій зі зростанням відстані від 30-річних захисних смуг робінії псевдоакації (0-2 м від насадження - 8 млн КУО/г ґрунту, 4-6 м - 24 млн КУО/г ґрунту та 10-12 м - 38 млн КУО/г ґрунту).

Гриби є одним із головних чинників біологічного розкладання органічних речовин, внаслідок чого утворюють різні сполуки, що залучаються до обміну поживних речовин рослинами (Sliusar & Oksymets, 2014). Проведеними дослідженнями встановлено, що чисельність мікроскопічних грибів у ґрунті полезахисної смуги та на різних відстанях від неї варіював у межах 12,42-29,22 млн КУО/г ґрунту.

Під час дослідження біорізноманіття ґрунтової мікрофлори лісових біогеоценозів, Kulik (2005) акцентує увагу на підстилці насаджень і вмісті в ній мікробних організмів, а саме: бактерій, актиноміцетів і грибів. Він пов'язує їхню чисельність з різною світловою структурою насадження. У дубових насадженнях із тіньовою структурою відзначено більший вміст мікрофлори з переважанням у складі сапрофітних бактерій. У насадженні робінії звичайної (Robinia pseudoacacia L.) з на- півосвітленою світловою структурою встановлено значно більше актиноміцетів і грибів.

Дослідженнями КгутоІШзко^ (1991) встановлено, що сумарну біологічну активність часто використовують як критерій оцінювання мінералізації органічної речовини ґрунту. Незважаючи на значні показники коефіцієнтів мінералізації та коефіцієнтів трансформації у ґрунті під насадженням та в "зоні пригнічення", виявлено, що сумарна біологічна активність була меншою під наметом лісової смуги - 34,29 млн КУО/г ґрунту та в зоні максимального пригніченого впливу смуги 1 Н - 30,96 млн КУО/г ґрунту. Незначне збільшення сумарної біологічної активності визначено на відстані 2 Н - 38,41 млн КУО/г ґрунту. Максимальні значення цього показника виявлено в полі на відстані 10 Н - 58,86 млн КУО/г ґрунту та на 5 Н з навітряного боку - 61,04 млн КУО/г ґрунту.

Для того, щоб оцінити спрямованість мікробіологічних процесів у ґрунті полезахисної смуги, здійснювали розрахунок показників оліготрофності, мінералізації та показник трансформації органічних речовин (табл. 2). Найвищий показник мінералізації виявили на відстані 5-10 Н - 1,63-2,05, мінімальні - у ґрунті під лісовим насадженням - 0,96. Пояснюємо такий показник переважанням деструкції органічної речовини над її синтезом.

Показник оліготрофності, розрахований для різних варіантів, збільшувався пропорційно відстані від лісового насадження, порівняно зі значенням 0,57 для центральної частини смуги. Такі показники характеризують збільшення частини легкодоступних органічних сполук. Більш низькі значення показника мінералізації і коефіцієнта МТОРҐ свідчать про послаблення мінералі- заційної функції мікробного ценозу й інтенсивності перебігу процесів трансформації органічної речовини.

Табл. 2. Спрямованість мікробіологічних процесів у ґрунті на різних відстанях до/від лісової смуги

Сприятливіші умови накопичення органічної речовини створюються на відстані від лісової смуги в межах 0-1 Н (завітряний та навітряний бік), де коефіцієнт мінералізації коливається у межах 0,96-1,38, що свідчить про оптимізацію процесів мінералізації ґрунту у цій зоні. Саме тут формувалися оптимальні умови для інтенсивного накопичення органічної речовини, адже як у самій лісовій смузі, так і на відстані до 1 Н обробіток ґрунту не проводили, а наземну фітомасу не вилучали (на відміну від поля, де зі збором урожаю вилучали практично всю наземну органіку), що призводило до мінералізації гумусу.

Показник мікробної трансформації органічної речовини ґрунту (МТОРҐ) в зоні дослідження мав тенденцію до зменшення на більшій відстані від смуги. Максимальне його значення зафіксовано у полезахисній лісовій смузі (12,79), у зоні пригнічення сільськогосподарських культур (0-1 Н) - 12,93-13,96 та на відстані 2 Н- 13,59-14,61. У зоні далі 2 Н від смуги показник МТОРҐ коливався у межах 17,63-18,86, і такі незначні відмінності були статистично не достовірними (за Н/Р0>05). За результатами проведеного кореляційного та регресійного аналізу виявлено обернений зворотний помірний кореляційний зв'язок між зміною коефіцієнта мікробної трансформації та збільшенням відстані до лісової смуги: для завітряного боку - Я2 = 0,8; г = -0,89; п = 18; р = 0,05; для навітряного боку - Я2 = 0,76; г = - 0,87; п = 12; р = 0,05. У роботах Малиновської також відзначено подібну тенденцію (Malynovska 2008, 2015), коли інтенсивність освоєння органічної речовини і мінералізації азотовмісних сполук вища, а активність мінералізації гумусових сполук нижча за відповідні показники екстенсивного агрозему.

Кількісний склад і співвідношення окремих представників у мікробному ценозі ґрунту значно залежить від способу обробітку ґрунту, - зазначає у своїй роботі Makliuk (2011). Надходження у ґрунт рослинних решток передусім трансформуються під впливом бактерій і мікроскопічних грибів, а на пізніших стадіях цього процесу - актиноміцетів.

Щоб врахувати коливання показників за окремими групами і надати загальну оцінку за варіантами досліду розрахували інтегрований показник біогенності (ІПБ). Встановили максимальні показники біогенності ріллі 79,78-95,70 %, що пояснюємо комплексом чинників (активізацією кореневих систем сільськогосподарських рослин, обробітком ґрунту, внесенням добрив та іншими елементами агротехніки). Окрім цього, внесення мінеральних добрив, яке практикується на досліджуваних полях, також призводить до активізації біогенності ґрунту (Rozhkov et al., 2015). Значно нижчу біогенність виявлено на відстані 1 Н-2 Н із завітряного і навітряного боків лісової смуги, у межах менш активної зони. Як зазначали раніше, ці приузлісні ділянки, які обмежуються як наземними, так і підземними частинами деревних рослин, вирізняються конкурентною спроможністю за вологу та поживні речовини.

Висновки. З виконаних досліджень видно, що завдяки меліоративному ефекту формується сприятливий мікробіологічний режим, порівняно з відкритим незахи- щеним полем, та встановлюється властивий для зони інтенсифікації еколого-трофічний склад аеробних організмів.

Мікробіологічні ґрунтоутворювальні процеси у ґрунті під наметом полезахисної лісової смуги та на приузлісних ділянках до 2 Н сприяють накопиченню органічної речовини, а мікробна трансформація органічної речовини наближається до рівня природних процесів ґрунтів чорноземного типу. Незважаючи на це, сумарна біологічна активність відносно вища у відкритому полі (контроль) і збільшується з віддаленням від лісової смуги. Ґрунтоутворювальні процеси на ріллі виявилися оптимальними для агролісоландшафту, оскільки спрямованість мікробіологічних процесів у ґрунті залежала від агротехнічних прийомів, які використовували у зоні найефективнішого впливу лісових смуг (510 Н). Також причиною вищої біологічної активності у ґрунті на ріллі є щорічний обробіток ґрунту і збільшення доступу кисню в орному шарі ґрунту, та внесення мінеральних добрив, що викликає пришвидшений розвиток агрономічно корисних мікроорганізмів.

Враховуючи особливості зони пригнічення в узлісних частинах лісової смуги, доцільно її вилучати з польової сівозміни і використовувати як осередки трав'яної рослинності, де, як відомо, формується корисний ентомокомплекс для запилення польових культур та поширення ентомофагів.

Перелік використаних джерел