Токсикоз почв и биологические факторы, его вызывающие

25.06.2014

Явление токсикоза почв давно известно в практике сельского хозяйства и всегда привлекало внимание многих исследователей.
Токсикоз проявляется в угнетении роста и развития высших растений, в снижении их урожайности. Явление токсикоза часто отмечается под монокультурами. В таких случаях говорят об утомлении почв как причине угнетенного роста растений.
Утомление почв подмечалось практиками земледелия и учеными-специалистами. Еще Пленк, Де Кандоль, Даубени, Узраль и другие указывали на понижение плодородия почв под монокультурами и объясняли это накоплением токсических веществ. Позднее этому явлению уделяли внимание многие исследователи — Коссович, Прянишников, Тимирязев, Воробьева и Щепетильникова, Красильников и Гаркина и др.
Токсикоз почв проявляется не только по отношению к высшим, но и к низшим растениям — бактериям, грибам, актиномицетам, водорослям и пр. В настоящее время накоплен большой материал об утомлении и токсикозе почв и значении данного фактора в плодородии последних. Однако сущность этого явления остается до сих пор не вскрытой. Имеются различные точки зрения относительно причин, его обусловливающих. Все они сводятся к двум основным.
Согласно одной из них токсикоз почв обусловен накоплением особых токсических веществ вследствие возделывания растений с нарушением правил агротехники. Согласно другой наличие токсинов в почве отрицается, а «почвоутомление» объясняется недостатком питательных веществ, вследствие одностороннего выноса их из почв при монокультурах.
Вайтней и Камерон при изучении «утомленных» почв нашли, что растения на таких почвах страдают не от недостатка пищи, а от скопления больших количеств токсинов. Ищереков отмечал возможность удаления токсических веществ из почвы промыванием ее водой. После промывки растения растут лучше и дают нормальный урожай. Обстоятельные работы Грейг-Смита показывают, что в австралийских почвах токсические вещества накапливаются в заметных количествах. Концентрация их зависит от типа почвы, времени года и других внешних причин. Токсины, по его наблюдению, термолабильны, разрушаются при кипячении, а также при высушивании.
Гутчинсон и Тайсен, исследуя европейские почвы, установили, что накапливающиеся в них токсические вещества в отличие от образующихся в австралийских почвах термостабильны.
Многочисленные исследования показывают, что токсикоз почв по отношению к микроорганизмам наблюдается значительно чаще и выражен резче, чем по отношению к высшим растениям.
Издавна было известно, что многие микроорганизмы как патогенные, так и сапрофиты при попадании в почву не развиваются и рано или поздно погибают. Бактерицидность почв отмечали Гарре, Фрейденрейх и другие. Они показали, что в почве погибают патогенные бактерии группы кишечной палочки — гноеродные кокки, дифтерийная палочка. В почве погибают такие микробы, как возбудитель туберкулеза, сибирской язвы и многие другие.
Почва обладает способностью освобождаться от попадающих в нее патогенных микробов. Скорость освобождения от этих микробов в разных почвах различна (табл. 104).

Токсикоз почв и биологические факторы, его вызывающие

В почвах не могут длительно сохраняться многие фитопатогенные грибы и бактерии. Выживаемость некоторых бактерий этой группы при внесении их в почву такова: Bact. armeniaca — 6—8, Bact. citri — 6—40, Bact. aroideae — 3—15 и Bact. tabacum — 7—14 суток.
Сравнительно быстро погибают в почве Bact. malvacearum, Bact. citriputeale, Bact. amylovorum и др. Гибель гриба Phthium ultimum в лесном перегное наблюдал Пейтса. По его определению гумус из-под разных древесных пород обладал разной токсичностью; наиболее резко она была выражена в экстрактах перегноя, взятого из-под сосны, затем из-под бука и слабее всего из-под березы. Антимикробные свойства почвы не менее резко проявляются и в отношении сапрофитных бактерий, грибов, актиномицетов и других представителей микроорганизмов. В почвах часто погибают и представители почвенной микрофлоры, если они попадают туда из других почв.
Клубеньковые бактерии, внесенные в клевероутомленную почву, не развиваются и сравнительно быстро погибают. Так, из внесенных 65 000 бактерий в 1 г почвы:

Через 10 суток бактерии исчезали вовсе или обнаруживались единичные их клетки.
Казарев заметил, что гриб Pyronema confluens хорошо растет в простерилизованной почве и не растет в нестерильной. Вытяжки из нестерильной почвы, прибавленные в стерилизованную, делают последнюю непригодной для гриба. Подобное же явление наблюдалось и Новогрудским. Токсическое вещество, вызывающее гибель гриба, термолабильно, разрушается нагреванием при 120°.
Имеются многочисленные данные относительно приживаемости в почвах азотобактера, клубеньковых бактерий и некоторых спороносных бактерий.
Наиболее сильно выражен и наиболее широко распространен токсикоз в почвах подзолистой зоны. По нашим наблюдениям, в этих почвах азотобактер либо совсем не развивается, либо погибает довольно быстро.
На протяжении многих лет изучения почвенной микрофлоры нами была обследована не одна тысяча образцов подзолистых почв, взятых в разных местах России.
Все обследованные 717 полевых и 237 лесных почв оказались токсичными. Очень редко встречаются образцы в слабо окультуренных полевых почвах (116 из 2100 обследованных), где развивается азотобактер. Менее токсичны или вовсе не токсичны огородные, хорошо окультуренные, унавоженные почвы. Из 1863 образцов 1244 были заселены азотобактером с большей или меньшей густотой, 23 образца оказались токсичными для него.
Из всего комплекса обследованных нами подзолистых почв наиболее подробно изучены подмосковные почвы, на полях опытной станции в Чаш-никово и Академии сельскохозяйственных наук им. Тимирязева. Эти почвы представляют собой суглинки с большой выщелоченностью. Были обследованы почвы из-под леса с разными породами (ельником, березняком, осинником, дубравой и другими), почвы вырубок, покрытые травянистой растительностью; почвы, слабо окультуренные, распаханные один-два года назад, почвы, давно культивируемые (15—20 лет и более), и почвы возобновленного леса.
Во всех случаях исследования проводились в течение круглого года, пробы для анализа брались через каждые 6—10 дней в летние месяцы и ежемесячно в зимний период. Анализировались почвы в свежем состоянии.
Токсичность почв определялась по выживаемости азотобактера и по прорастанию семян растений (пшеницы, свеклы и др.). Одновременно с этим производился общий учет микрофлоры, в том числе и микробов-ингибиторов, образующих токсические вещества.
Исследования показали, что токсические вещества находятся во многих почвах. В лесных почвах, как правило, этих веществ больше, чем в освобожденных от леса, меньше их в распаханных и еще меньше в хорошо окультуренных.
Токсичность лесных почв определяется типом древесных пород. Наибольшее количество токсических веществ обнаруживается под ельником, меньшее — под сосной и осинником. Слабо токсичны или совсем не токсичны почвы под березняком и дубравой.
В табл. 106 приведены показатели токсического действия почвы на прорастание семян свеклы и пшеницы и на азотобактер.

После вырубки леса и вспашки почвы становятся менее токсичными: азотобактер не погибает в течение более длительного времени — нескольких дней и даже недели. С возобновлением леса восстанавливается и токсичность.
Образование токсических веществ в черноземных почвах с искусственно насажденным лесом в зоне южных степей наблюдал Рунов. Делянки, покрытые лесом в зоне каштановых почв в Заволжье, утрачивают азотобактера. Аналогичную картину мы наблюдали и при облесении почв в Средней Азии, Киргизии, Вахшской долине Таджикистана, Молдавии и других местах. Почвы, богатые азотобактером, лишаются его, как только они зарастают определенными породами деревьев.
Образование токсических веществ в почвах наблюдается под некоторыми травянистыми растениями, особенно часто в монокультурах.
При изучении клевероутомленных почв опытных полей сельскохозяйственной академии им. Тимирязева нами была обнаружена явная токсичность их как для азотобактера и клубеньковых бактерий, так и по отношению к растениям.
Как и многие свойства почвы, токсичность заметно меняется по временам года. Наиболее сильно она выражена в летне-осенние месяцы (июль — сентябрь); поздней осенью и зимой она снижается, а к весне доходит до минимума. Азотобактер более быстро погибает в летних почвах, чем в зимних, а в весенних пробах даже развивается (табл. 107).
Точно так же и семена свеклы с большей энергией и в большем количестве прорастают в почвах весенних (апрель — май), чем в летне-осенних (август — октябрь).

По наблюдению Рыбалкиной, токсичность почв в отношении Вас. mycoides утрачивается после холодной дождливой погоды.
По наблюдению Райнера и Нельсона-Джонса, наибольшая токсичность в лесных почвах Уерхема (Англия) проявляется в осенне-зимние месяцы, а с марта начинает падать.
Можно было предполагать, что повышение и понижение токсичности почв обусловлено количественными колебаниями содержания токсинов. Токсические вещества либо вымываются дождевыми водами осенью и талыми водами весной, как это полагают Райнер и Нельсон-Джонс, либо они инактивируются зимой от низкой температуры. Для проверки этих предположений мы провели специальные опыты.
В одной серии опытов почва (лесная) тщательно промывалась водой и испытывалась на токсикоз. В промытой почве азотобактер погибал с такой же скоростью, как и в непромытой почве. Как видно, токсические вещества в исследованных нами почвах не вымываются водой или вымывается только часть их, как можно предположить, не адсорбированная почвенными частицами. Большая часть токсических веществ, по-видимому, находится в адсорбированном состоянии. Следовательно, весеннее снижение токсичности почв обусловлено не вымыванием дождями и талым снегом, а надо думать, действием зимних морозов.
В другой серии опытов мы подвергали лесную почву замораживанию при минус 15—20° в течение двух месяцев, после оттаивания вносили в нее культуру азотобактера и инкубировали ее при 25°. Оказывалось, что в контрольной почве, хранившейся при комнатной температуре, азотобактер погиб через 1,5 часа; в почве, подвергавшейся замораживанию, он не погибал в течение 96 часов.
Исследованные нами почвы не инактивировались нагреванием при 100° в течение 30 мин. Инактивация не наступала и при автоклавировании при 120° в течение 30 мин. В «утомленных» почвах, как было показано нами ранее, токсические вещества разрушаются и исчезают при температуре 100° в течение 30 мин. По-видимому, природа угнетающих веществ в этих почвах иная.
На проявление токсических свойств подзолистых почв оказывает большое влияние их окультуривание. В известкованных почвах азотобактер лучше приживается, чем в неизвесткованных.
Многие исследователи приписывает отсутствие азотобактера в подзолистых почвах их кислотности. Они считают, что азотобактер не может развиваться в кислых почвах, pH которых равен 5,5 и ниже. Если же в отдельных случаях и находят этого микроба, то рассматривают его как особый кислотолюбивый вид (Az. indicum). По мнению этих авторов, стоит только нейтрализовать кислые почвы, как обычный азотобактер (Az. chroococcum) станет в них развиваться и накопляться.
Имеется и другое мнение, согласно которому развитие азотобактера обусловлено не кислотностью, а соотношением анионов CO3 с PO4, состоянием окисных и закисных солеи металлов (алюминия, железа и др.).
Имеются указания на то, что азотобактер не развивается во многих кислых почвах после известкования, когда pH становится близок к нейтральному (6,5—7,0).
Левинская и Малышева отмечают, что внесение в кислую почву (подзол Мурманской обл.) CaCO3 не улучшает развития азотобактера.
Бреннер известковал кислые почвы Финляндии и вносил азотобактер. Это мероприятие не снижало токсичности почвы. Вносимый микроб погибал так же быстро, как и в почвах неизвесткованных. По мнению автора, токсикоз подзолистых почв обусловлен особыми токсическими веществами, образуемыми при разложении растительных остатков (мхов и др.), а также ядовитыми соединениями железа.
Кацнельсон при изучении выживаемости азотобактера в кислых почвах Америки испытывал различные удобрения, органические и минеральные с нейтрализацией почв и без таковой. Автор пришел к выводу, что строгой корреляции между кислотностью почв и выживаемостью азотобактера нет. При pH = 5,9 число его может быть большим, чем при pH = 6,6. При одном и том же значении pH почвы в одних случаях азотобактер развивается, в других нет.
В наших опытах с нейтрализацией почв CaCO3, MgO, NaOH значительно улучшились условия жизни азотобактера в подзолистой лесной почве, но токсичность ее полностью не снималась; в полевых условиях известкование тоже не снимало токсикоза почв. Так же, как и в опытах Бреннера, мы не находили азотобактера в подзолистых, малоокультуренных и хорошо известкованных почвах. Не находили его ни в годы внесения извести, ни спустя один-три года. Азотобактерине обнаруживался в этих почвах и после одноразового внесения навоза. Внесенный же азотобактер вымирал медленней, чем в контроле, сохраняясь 6—10 дней и более, но размножения его не наблюдалось. При внесении нитратов калия или фосфатов гибель внесенного азотобактера даже ускорялась.
Следовательно, угнетающим фактором является не только кислотность почвы, но и многие другие агенты — физические, химические и механические. Тормозить развитие азотобактера могут, например, закисные соли алюминия, железа и другие соединения, которые, впрочем, находятся в прямой зависимости от pH среды.
Основными же факторами, обусловливающими токсикоз почв, по нашему мнению, во многих (если не во всех) случаях являются продукты выделения растений и метаболиты микроорганизмов.