Введение
Агроландшафтные участки с высоким и средним уровнем плодородия выступают в качестве основной природно-производственной единицы адаптивного использования пашни в опольной зоне. Адаптивная интенсификация земледелия Владимирской области, в первую очередь, должна базироваться на основе учета особенностей почвенного покрова в пределах одного поля [3]. В условиях полого – волнистого рельефа почвенный покров Владимирского ополья отличается выраженной пестротой, слагающих его почв. Выделяются серые лесные почвы разной степени оподзоленности, остаточно-карбонатные, серые лесные почвы на покровных суглинках, и наиболее дифференцированные серые лесные почвы со вторым гумусовым горизонтом [6].
Хотя территория ополья издавна находилась в многовековом сельскохозяйственном использовании, аграрии не уделяли внимания вопросам пространственной неоднородности почвенного покрова.
Основным показателем, характеризующим биоэнергетический потенциал почв, является их ферментативная активность. Сущность связи между эффективным плодородием и ферментативной активностью почвы заключается в том, что под действием соответствующих ферментов недоступные растениям органические и минеральные соединения азота, фосфора, углерода и других элементов переходят в доступное состояние, что в конечном итоге важно для практического земледелия [4]. Несмотря на исключительную важность затронутой проблемы, следует признать, что почвы Владимирского ополья недостаточно изучены в этом отношении.
Цель исследования: провести анализ энзиматической активности почвенных разностей серой лесной почвы при длительном сельскохозяйственном использовании.
Материалы и методы исследования
Исследования проводились 2012-2014 гг. в полевом стационарном опыте на базе Владимирского НИИСХ (г. Суздаль) по фонам основных обработок: ежегодная плоскорезная на 6-8 см (ЕМПО); ежегодная плоскорезная на 20-22 см (ЕГПО); ежегодная отвальная вспашка на 20-22 см (ЕОВ). Минеральные удобрения вносились в дозе NРК-60 кг д.в. на га под культуры зернотравяного севооборота: озимую рожь, яровую пшеницу, ячмень. В исследованиях использовалась карта – схема, составленная сотрудниками комплексной почвенной экспедиции кафедры физики и мелиорации почв и кафедры общего земледелия факультета почвоведения МГУ. На каждом варианте основной обработки, согласно почвенной карте – схеме, выделялись стационарные площадки согласно таксономической классификации на уровне рода: серая лесная слабооподзоленная почва(Л2ОП1) и серая лесная сильнооподзоленная со вторым гумусовым горизонтом(Л2НОП3). Образцы отбирались на стационарных площадках в каждом варианте основной обработки из слоев 0-10, 10-20, 20-30, 30-40 см по трем срокам: май, июль, сентябрь. В свежих почвенных образцах определялась активность следующих ферментов: каталазы – газометрическим методом по А.Ш. Галстяну; уреазы – колориметрическим методом по Т.В. Щербаковой; инвертазы – титриметрическим методом И.Н. Ремейко, С.М. Малиновской; общая фосфатазная активность методом И.Е. Геллер, К.Е. Гинзбург [5].
Результаты исследований и их обсуждение
При изучении морфологического строения почвенного покрова опытного участка были выявлены характерные его особенности. Пахотный горизонт двух родов серой лесной почвы имеет одинаковую мощность и близкие морфологические параметры, однако, при наличии второго гумусового горизонта нижняя его граница более темная и рыхлая, чем у серой лесной слабооподзоленной почвы. Это связано с тем, что второй гумусовый горизонт припахивается к верхнему и вовлекается в сельскохозяйственное использование. На опытном участке горизонт Аh обнаруживался на глубине 20-21 см.
Подпахотный слой (горизонт ЕВ) в серой лесной слабооподзоленной почве выделялся с глубины 19-21 см. Поэтому изучаемые почвенные разности имеют отчетливо дифференцированные по морфологическим признакам профили с глубины 20 см. Содержание гумуса в пахотном горизонте серой лесной слабооподзоленной почвы варьирует в пределах 2,87-3,40%, а в почве со вторым гумусовым горизонтом достигает 3,79-4,20%.
Благоприятные условия для микробиологических и биохимических процессов складываются в весенний и осенний периоды, когда влажность почвы составляет 24-26%. Многолетние исследования за водным режимом серых лесных почв при возделывании зерновых культур показали, что в период вегетации запасы влаги мало зависят от приёма и глубины основной обработки (С.И. Зинченко, 2010, 2013) [1, 2]. Минимальная влагообеспеченность наблюдалась в июле, когда абсолютные показатели весовой влажности снижаются до 10-18%. Это закономерно обусловлено недостатком атмосферных осадков и высоким водопотреблением сельскохозяйственных культур при формировании репродуктивных органов в этот период. Пересыхание верхнего слоя приводит к снижению численности и метаболической активности пула микроорганизмов серой лесной почвы.
Исследования показали, что активность, изучаемых ферментов закономерно снижается с глубиной, что связано с содержанием органического вещества в почве (табл. 1).
Послойное распределение активности ферментов показало, что в серой лесной слабооподзоленной почве резкое снижение активности энзимов наблюдается с глубины 20-30 см (горизонт ЕВ). Распределение активности ферментов в почве со вторым гумусовым горизонтом носит более равномерный характер. Не отмечено значительного их снижения в слое 20-30см, то есть ферментативная активность горизонта Аh находится на уровне Апах..
Каталаза относится к группе окислительно-восстановительных ферментов, высокая ее активность является свидетельством напряженности энергетических процессов в почве, отражая уровень плодородия и характеризуя процессы биогенеза гумуса. В горизонте Аh и АhВ серой лесной почвы отмечена относительно высокая ферментативная активность каталазы (рис. 1). Показатели слоя 20-40 см приближаются к значениям, полученным в Апах., особенно по фонам, обработанным на глубину 20-22 см.
Это свидетельствует об активизации окислительно-восстановительных процессов и образовании предгумусовых соединений в почве второго гумусового горизонта. Достоверно ниже (НСР05 = 0,30) каталазная активность в слое 20-40, обработанном безотвально на глубину 6-8 см. Горизонты Аh и АhВ обладают более низкой каталазной активностью (2,1 мл О2/1 г почвы), что, видимо, связано с процессом аноксигенного разложения растительных остатков при анаэробиозисе почвы, практически естественного сложения.
На серой лесной слабооподзоленной почве максимальная активизация деятельности каталазы наблюдается в пахотном слое (0-20 см) по мелкой безотвальной обработке. Она достоверно выше (НСР05 = 0,22) по сравнению с фонами глубокой обработки. При мелком плоскорезном рыхлении основная масса корней и растительных остатков сохраняется в биологически активном верхнем слое, что обуславливает ее высокий ферментативный потенциал.
Таблица 1
Динамика активности ферментов в слое 0-40 см
|
Вариант |
Слой почвы, см |
*Каталаза |
**Инвертаза |
***Уреаза |
****Фосфатаза |
|
Серая лесная слабооподзоленная (Л 2ОП1) |
|||||
|
ЕМПО |
0-10 |
2,9 |
53,1 |
0,26 |
1,0 |
|
10-20 |
2,9 |
48,4 |
0,22 |
0,95 |
|
|
20-30 |
2,2 |
41,2 |
0,19 |
0,77 |
|
|
30-40 |
1,2 |
19,8 |
0,1 |
0,34 |
|
|
ЕГПО |
0-10 |
2,7 |
50,7 |
0,25 |
0,93 |
|
10-20 |
2,3 |
41,4 |
0,25 |
0,67 |
|
|
20-30 |
1,8 |
28,3 |
0,14 |
0,52 |
|
|
30-40 |
1,5 |
19,5 |
0,1 |
0,29 |
|
|
ЕОВ |
0-10 |
2,5 |
46,1 |
0,17 |
0,9 |
|
10-20 |
2,4 |
47,2 |
0,17 |
0,85 |
|
|
20-30 |
1,8 |
33,9 |
0,12 |
0,53 |
|
|
30-40 |
1,3 |
17,6 |
0,05 |
0,29 |
|
|
Серая лесная сильно оподзоленная со вторым гумусовым горизонтом (Л 2 НОП3). |
|||||
|
ЕМПО |
0-10 |
3,1 |
51,3 |
0,24 |
0,85 |
|
10-20 |
3,0 |
46,5 |
0,23 |
0,72 |
|
|
20-30 |
2,7 |
30,1 |
0,23 |
0,6 |
|
|
30-40 |
1,5 |
16,0 |
0,14 |
0,36 |
|
|
ЕГПО |
0-10 |
3,0 |
49,7 |
0,23 |
0,67 |
|
10-20 |
3,0 |
41,9 |
0,19 |
0,51 |
|
|
20-30 |
3,1 |
40,3 |
0,22 |
0,57 |
|
|
30-40 |
2,1 |
21,4 |
0,18 |
0,37 |
|
|
ЕОВ |
0-10 |
3,4 |
53,3 |
0,22 |
0,71 |
|
10-20 |
3,2 |
50,2 |
0,22 |
0,7 |
|
|
20-30 |
3,1 |
42,0 |
0,22 |
0,69 |
|
|
30-40 |
2,7 |
25,4 |
0,17 |
0,5 |
|
Примечание:*Каталаза – мл О2/1г почвы в мин; **Инвертаза – мг глюкозы/1г почвы за 40ч.;
***Уреаза – мг NH4/1г почвыза 4ч.; ****Фосфатаза – мг Р2О5/1г почвы за 2 часа.
Рис. 1. Ферментативная активность каталазы в почве агрофонов
*ЕМПО – ежегодная мелкая плоскорезная обработка на 6-8 см; ЕГПО – ежегодная глубокая плоскорезная обработка на 20-22 см; ЕОВ – ежегодная отвальная вспашка на 20-22 см
Значения активности фермента на глубине 20-40 см находятся на уровне 1,7 мл О2/1 г почвы в мин. и не зависят от приема основной обработки. В целом каталазная активность пахотного слоя серой лесной почвы со вторым гумусовым горизонтом на 19%, а подпахотного слоя на 53% выше, чем в серой лесной слабооподзоленной почве.
Гидролитический фермент уреаза является существенным фактором азотного обмена, поскольку катализирует важнейшую реакцию в круговороте азота в природе. Активность уреазы второго гумусового горизонта серой лесной почвы находится на уровне пахотного слоя. На фонах глубокой обработки, вариабельность значений составила 0,2-0,22 мгNH3/г почвы за 4 часа (рис. 2).
В серой лесной слабооподзоленной почве уреазная активность слоя 20-40 см в 1,7-2 раза ниже пахотного слоя. Значения активности фермента по фонам обработки варьируют в пределах 0,09… 0,15 мг NН4/1г почвы за 4 часа. Процессы азотного метаболизма с участием фермента уреазы снижены в серой лесной слабооподзоленной почве по фону ежегодной отвальной вспашки.
В среднем уреазная активность горизонта Аh на 67% выше, чем горизонта ЕВ серой лесной слабооподзоленной почвы.
Важнейшим звеном круговорота углерода в природе является стадия ферментативного превращения углеводов в почвенной среде. Она обеспечивает передвижение поступающего в почву в огромных количествах органического материала и накопленной в нем энергии, а также аккумуляцию его в почве в форме гумуса, так как при этом образуются предгумусовые компоненты (Хазиев, 1991, 2005). О влиянии агротехнических факторов на активность углеводного обмена в агроландшафтах серой лесной почвы мы судили по активности гидролитического фермента инвертазы (рис. 3).
Рис. 2.Ферментативная активность уреазы в почве агрофонов *(обозначения как в рис. 1)
Рис. 3. Ферментативная активность инвертазыв почве агроландшафтов *(обозначения как в рис. 1)
Таблица 2
Энзиматическая активность почвенных разностей серой лесной почвы в слое 0-40 см
|
Вариант |
*Каталаза |
**Уреаза |
***Инвертаза |
****Фосфатаза |
||||
|
Л2ОП1 |
Л2НОП3 |
Л2ОП1 |
Л2НОП3 |
Л2ОП1 |
Л2НОП3 |
Л2ОП1 |
Л2НОП3 |
|
|
ЕМПО |
2,3 |
2,6 |
0,19 |
0,21 |
40,7 |
36,0 |
0,76 |
0,63 |
|
ЕГПО |
2,1 |
2,8 |
0,19 |
0,21 |
35,0 |
38,3 |
0,6 |
0,53 |
|
ЕОВ |
2,0 |
3,1 |
0,13 |
0,21 |
36,2 |
42,8 |
0,64 |
0,65 |
|
Среднее по почвенной разности |
2,1 |
2,8 |
0,17 |
0,21 |
37,3 |
39,0 |
0,67 |
0,60 |
Примечание:*Каталаза – мл О2/1г почвы в мин; **Уреаза – мг NH4/1г почвыза 4ч.;
***Инвертаза – мг глюкозы/1г почвы за 40ч.; ****Фосфатаза – мг Р2О5/1г почвы за 2 часа
Существенных различий между почвенными разностями в активности инвертазы не выявлено. Вариация значений активности фермента в пахотном слое составляет от 46,1… 51,8 мг глюкозы/1г почвы. Степень инвертазной активности подпахотных горизонтов была в среднем на 72% ниже. То есть, углеводный обмен и образование предгумусовых компонентов при трансформации растительных остатков, активно протекают в пахотном слое как Л2ОП1, таки Л2 НОП3. Приемы основной обработки не оказали существенного влияния на развитие этого процесса.
Важную функцию в обеспечении реакций круговорота фосфора в биогеоценозах выполняют фосфогидролазы, осуществляющие мобилизацию закрепленного в органическом веществе фосфора. Серая лесная слабооподзоленная почва в пахотном слое обладает большим потенциалом фосфатазной активности, чем серая лесная со 2ГГ, особенно по фону ЕМПО. Распределение общей фосфатазной активности в подпахотном слое почвенных разностей аналогично инвертазной и определяется значениями 0,41… 0,6мг Р2О5/1г почвы за 2 часа.
Уровень энзиматической активности почвенных разностей, изучаемого слоя 0-40 см, представлен в таблице 2.
Влияние приемов основной обработки на ферментативные процессы проявляется в виде тенденций. В серой лесной слабооподзоленной почве энзиматическая активность в слое 0-40 см достоверно выше по фонам, обработанным безотвально на глубину 6-8 см. В почве с Аh относительная активизация ферментативной активности наблюдается на вариантах основной обработки на глубину 20-22 см (ЕГПО и ЕОВ).
Так как активность ферментов почвы непосредственно касается превращения углерода, азота, фосфора и окислительно-восстановительных процессов, то характеризует функциональное состояние микроорганизмов почвы. Комплексное определение указанных параметров дает возможность не только оценить биохимический потенциал серых лесных почв, но и точнее выявить направление изменений биологической активности в различных агроэкосистемах.
Шифр специальности по которой выполнена работа – 03.02.03 – микробиология.