Научный журнал
Успехи современного естествознания
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,778

ФЕРМЕНТАТИВНЫЙ ПОТЕНЦИАЛ АГРОЛАНДШАФТОВ СЕРОЙ ЛЕСНОЙ ПОЧВЫ ВЛАДИМИРСКОГО ОПОЛЬЯ

Зинченко М.К. 1 Зинченко С.И. 1
1 ФГБНУ «Владимирский научно-исследовательский институт сельского хозяйства» ФАНО РФ
Проведен анализ ферментативной активности почвенных разностей серой лесной почвы агроландшафтов. Определяли влияние на уровень активности почвенных ферментов основных приемов обработки почвы (ежегодной отвальной вспашки, ежегодной мелкой и глубокой плоскорезной обработки). Установлено, что ферментативный потенциал серой лесной почвы со вторым гумусовым горизонтом в слое 0-40см превышает серую лесную слабооподзоленную почву по активности каталазы, уреазы и инвертазы. В серой лесной слабооподзоленной почве энзиматическая активность в слое 0-40 см выше по фонам, обработанным безотвально на глубину 6-8см. В почве с Аh относительная активизация ферментативной активности наблюдается на вариантах основной обработки на глубину 20-22см.
агроландшафты
серая лесная почва
ферменты
энзиматическая активность
приемы основной обработки почвы
почвенные разности.
1. Зинченко С.И., Талеева Д.А.Совершенствование системы основной обработки серой лесной почвы под яровую пшеницу. Ресурсосберегающие технологии обработки почвы в адаптивном земледелии: тезисы докл. Всерос. науч.-практ. конф.(РГАУ – МСХА имени К.А. Тимирязева). – М., 2010. – С. 347-352.
2. Зинченко С.И., Зинченко М.К., Безменко А.А., Бучкина Н.А., Талеева Д.А. Оценка влияния приемов основной обработки на водно-физические, эколого-биологические свойства серой лесной почвы. Экологические аспекты производства продукции животноводства; снижение отрицательного воздействия химически активного азота на окружающую среду в сельскохозяйственном производстве; полевые исследования для устойчивого развития сельских территорий: тезисы докл. Межд. агроэкологический форум (Санкт-Петербург, 21-23 мая 2013 г.). – СПб., 2013. – Т.3. – С. 213-218.
3. Научные основы систем земледелия Владимирской области / под ред. Бирюкова И.В., Зинченко С.И. – Владимир, 2009. – 307 с.
4. Хазиев Ф.Х. Системно-экологический анализ ферментативной активности почв. – М.: Наука, 1982. – 204 с.
5. Хазиев Ф.Х. Методы почвенной энзимологии. – М.: Наука, 2005. – 254 с.
6. Шеин Е.В., Иванов А.Л., Бутылкина М.А., Мазиров М.А. Пространственно-временная изменчивость агрофизических свойств серых лесных почв Владимирского ополья // Почвоведение. – 2001. – №5. – С. 578-585.

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.

missing image file

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).

missing image file

Рис. 2.Ферментативная активность уреазы в почве агрофонов *(обозначения как в рис. 1)

missing image file

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.


Библиографическая ссылка

Зинченко М.К., Зинченко С.И. ФЕРМЕНТАТИВНЫЙ ПОТЕНЦИАЛ АГРОЛАНДШАФТОВ СЕРОЙ ЛЕСНОЙ ПОЧВЫ ВЛАДИМИРСКОГО ОПОЛЬЯ // Успехи современного естествознания. – 2015. – № 1-8. – С. 1319-1323;
URL: http://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=35391 (дата обращения: 21.02.2020).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074