Russian Federation
Russian Federation
The purpose of research is to study the dynamics of the activity of enzymes in the carbon cycle of agrochernozems and its effect on the transformation of easily mineralizable organic compounds when using waste and surface treatment methods. Field observations were carried out on the basis of the production experience of OOO OPH Dary Malinovki in the Sukhobuzimo District in the Krasnoyarsk forest-steppe (56°10′ N and 91°47′ E). The impact of dump and minimal processing technologies on the seaso¬nal dynamics of the activity of carbon cycle enzymes in the layers of agrochernozem is considered. The field experiment scheme is represented by the following options: moldboard plowing (standard), minimal tillage (surface disking), flat-cut tillage (cultivation). The level of polyphenol oxidase activity in the soil of the experimental variants was estimated to be weak. The intraseasonal dynamics of the studied enzymes was significant and correlated with the transformation of the humus accumulation coefficient. On non-dumping backgrounds, the variability of polyphenol oxidase was less variable. The minimum va¬lues of the humus accumulation coefficient were found at the initial stage of introducing the technologies under study during the fallow period of agrochernozems, as well as during the barley growing season. The maximum is in the soil under spring wheat crops. The use of flat-cut cultivators led to a strong relationship between the activity of polyphenol oxidase and the coefficient of humus accumulation. In the soil of all variants, an inverse relationship was observed between peroxidase activity and the coefficient of humus accumulation. The participation of peroxidase in the biochemical processes of mineralization was carried out mainly under the conditions of dump processing of agrochernozems. The activity of oxidoreductase enzymes indicated favorable conditions for the humification of organic compounds and the accumulation of newly formed humic substances in the soil when spring wheat was placed in fallow under conditions of using no-moldboard technologies.
soil enzymatic activity, polyphenol oxidase, peroxidase, no-moldboard tillage technologies
Введение. Биогенность почвы как один из значимых показателей ее плодородия непосредственно связана с процессами синтеза и распада органического вещества. Ферментативная активность почв служит чувствительным индикатором биологического состояния почв, характеризуя интенсивность и направленность биохимических процессов [1, 2]. Изучение активности почвенных энзимов углеродного цикла позволяет прогнозировать последствия направленности режима органического вещества при разных способах обработки [3–6].
По сравнению с другими показателями изменения ферментативной активности, вызванные антропогенными факторами, регистрируются на более ранних этапах и в большей степени необходимы для ранней диагностики нежелательных экологических тенденций [7]. Особенно важным представляется диагностика этих изменений в условиях сезоннопромерзающих почв Сибирского региона [8].
Цель исследования – изучить динамику активности ферментов углеродного цикла агрочерноземов и ее влияние на превращение легкоминерализуемых органических соединений при использовании отвального и поверхностных способов обработки в условиях Красноярской лесостепи.
Объекты и методы. Исследование осуществлялось на производственном опыте ООО «ОПХ “Дары Малиновки”» Сухобузимского района в Красноярской лесостепи. В границах производственных посевов заложены реперные участки прямоугольной формы общей площадью 1200 м2 с учетной площадью 600 м2. В пределах каждого участка выделяли три блока (повторности) площадью 200 м2. Выбор элементов методики полевого опыта обусловлен влиянием внутрипольной неоднородности почвенного плодородия опытного массива. Почвенные пробы отбирали в сроки, приуроченные к фазам развития сельскохозяйственных культур, из слоев 0–10 и 10–20 см методом змейки. Объем выборки состоял из 12 индивидуальных пространственно-удаленных проб. Наблюдения проводили в звене севооборота: чистый пар – яровая пшеница (Triticum aestivum L.) – ячмень (Hordeum vulgare L.). Для исследования выбраны следующие варианты: 1 – отвальная (st) – вспашка на глубину 25–27 см плугом Gregoire Besson SPLM B9 (в вегетационный сезон 2017 г. почва обрабатывалась в первую декаду июня – по типу раннего пара, с последующими культивациями на глубину 5–7 см по мере отрастания сорных растений, далее, в 2018 г. – вспашка на глубину 25–27 см с предпосевной культивацией на 5–7 см АПК-7,2+БЗТС-1); 2 – минимальная (поверхностное дискование) – дискатором БДМ-Агро БДМ 6x4П на глубину 10–12 см (в 2017 г. почва обрабатывалась по типу стерневого пара, в 2018 г. – боронование с предпосевной культивацией на 5–7 см АПК-7,2+БЗТС-1); 3 – плоскорезная (культивация) – культиватором «Ярославич» КБМ-10,8 ПС-4 на глубину 10–12 см (в 2017 г. почва обрабатывалась по типу стерневого пара, на следующий год – боронование с предпосевной культивацией на 5–7 см АПК-7,2+БЗТС-1). В 2018 г. на опытном поле возделывали яровую пшеницу сорта Новосибирская-31, в вегетационный сезон 2019 г. – ячмень сорта Ача. Объект исследования – чернозем обыкновенный среднегумусный среднемощный тяжелосуглинистый на красно-бурой глине. Почва опыта имела следующие агрохимические показатели: рНН2О –7,4–8,3, содержание Сорг – 6,3–6,5 %, подвижного фосфора – 295–320 мг/кг, подвижного калия – 127–138 мг/кг. Метеорологические условия периода наблюдений характеризовались параметрами, представленными в таблице 1.
Таблица 1
Гидротермические показатели в годы наблюдений
|
Год |
Май |
Июнь |
Июль |
Август |
Сентябрь |
Показатель |
|
|
Средняя температура воздуха, °С |
Сумма активных температур |
||||||
|
2017 |
11,0 |
20,3 |
19,5 |
16,8 |
8,5 |
2074 |
|
|
2018 |
8,1 |
20,5 |
18,6 |
18,3 |
10,1 |
2061 |
|
|
2019 |
9,0 |
18,7 |
19,5 |
18,8 |
9,9 |
2047 |
|
|
Норма (1980–2010 гг.) |
8,7 |
15,2 |
17,6 |
14,8 |
8,8 |
1833 |
|
|
|
Осадки, мм |
Сумма осадков |
|||||
|
2017 |
28,0 |
30,0 |
79,0 |
81,0 |
81,0 |
299,0 |
|
|
2018 |
29,0 |
29,0 |
33,0 |
21,0 |
58,0 |
170,0 |
|
|
2019 |
8,3 |
106,1 |
45,4 |
68,9 |
54,0 |
274,4 |
|
|
Норма (1980–2010 гг.) |
50,0 |
61,0 |
95,0 |
78,0 |
48,0 |
332,0 |
|
Химические и физико-химические показатели получены общепринятыми методами [9]. Ферментативную активность почвы определяли по Ф.Х. Хазиеву [10]. Статистический анализ данных проводился с использованием пакета программ MS Excel.
Результаты и их обсуждение. Роль оксидоредуктаз в процессах биогенеза гумуса весьма значительна. Экспериментальные данные свидетельствуют о значительном уровне полифенолоксидазной активности агрочернозема всех вариантов опыта. Активность полифенолоксидазы существенно снижалась к концу периода парования в почве всех вариантов. В агроценозе яровой пшеницы изменчивость активности фермента была выражена статистически достоверно. Минимальной активностью характеризовалась почва, обрабатываемая отвальным плугом (табл. 2).
Таблица 2
Статистические параметры динамики активности полифенолоксидазы,
мг 1,4 бензохинона / 1 г / 30 мин (t0,5 = 2,2 (в июле, сентябре 2019 г. t0,5 = 2,7))
|
Вариант |
Сроки |
x̅ ± tsx |
tф |
x̅ ± tsx |
tф |
|
2017 (0–10 см) |
2017 (10–20 см) |
||||
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
|
1. Отвальная вспашка (st) |
Июнь (1) |
– |
t2t3 > t0,5 |
– |
t2t3 > t0,5 |
|
Июль (2) |
5,3±0,4 |
4,4±0,4 |
|||
|
Сентябрь (3) |
3,3±0,7 |
2,9±0,7 |
|||
|
2. Минимальная обработка (дискование) |
Июнь (1) |
– |
t2t3 > t0,5 |
– |
t2t3 < t0,5 |
|
Июль (2) |
4,9±0,4 |
5,8±0,3 |
|||
|
Сентябрь (3) |
3,8±0,3 |
5,6±0,6 |
|||
|
3. Плоскорезная обработка (культивация) |
Июнь (1) |
– |
t2t3 > t0,5 |
– |
t2t3 > t0,5 |
|
Июль (2) |
5,1±0,3 |
5,1±0,8 |
|||
|
Сентябрь (3) |
4,3±0,4 |
6,4±0,6 |
|||
Окончание табл. 2
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
|
|
2018 (0–10 см) |
2018 (10–20 см) |
|||
|
1. Отвальная вспашка (st) |
Июнь (1) |
3,5±0,7 |
t1t2 > t0,5 t1t3 > t0,5 t2t3 > t0,5 |
3,2±0,4 |
t1t2 > t0,5 t1t3 > t0,5 t2t3 < t0,5 |
|
Июль (2) |
5,9±0,4 |
4,6±0,4 |
|||
|
Сентябрь (3) |
7,0±0,4 |
4,9±0,6 |
|||
|
2. Минимальная обработка (дискование) |
Июнь (1) |
5,4±0,3 |
t1t2 > t0,5 t1t3 < t0,5 t2t3 < t0,5 |
5,9±0,5 |
t1t2 < t0,5 t1t3 > t0,5 t2t3 > t0,5 |
|
Июль (2) |
4,7±0,4 |
6,4±0,7 |
|||
|
Сентябрь (3) |
5,2±0,4 |
5,5±0,4 |
|||
|
3. Плоскорезная обработка (культивация) |
Июнь (1) Июль (2) Сентябрь (3) |
4,9±0,2 |
t1t2 > t0,5 t1t3 > t0,5 t2t3 < t0,5 |
5,0±0,3 |
t1t2 > t0,5 t1t3 < t0,5 t2t3 > t0,5 |
|
5,4±0,4 |
5,9±0,3 |
||||
|
5,6±0,3 |
6,0±0,5 |
||||
|
|
2019 (0–10 см) |
2019 (10–20 см) |
|||
|
1. Отвальная вспашка (st) |
Июнь (1) |
3,5±0,4 |
t1t2 > t0,5 t1t3 > t0,5 t2t3 > t0,5 |
3,6±0,7 |
t1t2 > t0,5 t1t3 > t0,5 t2t3 < t0,5 |
|
Июль (2) |
2,7±0,8 |
2,6±1,9 |
|||
|
Сентябрь (3) |
4,8±0,7 |
5,5±1,04 |
|||
|
2. Минимальная обработка (дискование) |
Июнь (1) |
2,9±0,4 |
t1t2 > t0,5 t1t3 > t0,5 t2t3 < t0,5 |
3,7±0,8 |
t1t3 > t0,5 t1t3 > t0,5 t2t3 > t0,5 |
|
Июль (2) |
4,3±0,9 |
4,8±1,4 |
|||
|
Сентябрь (3) |
4,8±0,6 |
4,7±0,5 |
|||
|
3. Плоскорезная обработка (культивация) |
Июнь (1) Июль (2) Сентябрь (3) |
3,3±0,2 |
t1t2 > t0,5 t1t3 > t0,5 t2t3 < t0,5 |
3,4±0,2 |
t1t2 > t0,5 t1t3 < t0,5 t2t3 < t0,5 |
|
4,7±0,7 |
5,5±1,04 |
||||
|
4,3±0,8 |
4,2±1,3 |
||||
Здесь и далее: жирным выделены достоверные различия между сроками наблюдений.
На безотвальных фонах изменения оценивались незначительным внутрисезонным варьированием. В посевах ячменя, следовавшего за яровой пшеницей, также отмечалась существенная дисперсия активности. Обозначенное диагностирует значимое влияние метеорологических условий на процессы трансформации растительного опада и формирование гумусовых веществ в почве. Так, по данным [11], главными абиотическими драйверами разложения органического вещества почвы и растительных остатков являются температура и влажность.
Полученные значения коэффициента гумусонакопления указывали на формирование условий, складывающихся под воздействием изучаемых обработок почвы, определяющих направленность процессов превращения легкоминерализуемых гумусовых веществ (табл. 3).
Таблица 3
Условный коэффициент накопления гумуса в слоях почвы, %
|
Способ обработки |
Слой, см |
2017 |
2018 |
2019 |
|||||
|
Июль |
Сентябрь |
Июнь |
Июль |
Сентябрь |
Июнь |
Июль |
Сентябрь |
||
|
Отвальная (st) |
0–10 |
0,8 |
1,2 |
1,1 |
0,9 |
1,7 |
0,6 |
0,5 |
0,9 |
|
10–20 |
0,8 |
1,0 |
1,0 |
0,8 |
1,0 |
0,8 |
0,5 |
0,9 |
|
|
Минимальная (дискование) |
0–10 |
0,8 |
0,7 |
1,0 |
1,4 |
0,7 |
0,7 |
0,7 |
0,9 |
|
10–20 |
1,1 |
1,0 |
0,9 |
0,9 |
1,4 |
0,5 |
0,8 |
1,0 |
|
|
Плоскорезная |
0–10 |
0,8 |
1,2 |
0,9 |
1,4 |
1,5 |
0,5 |
0,9 |
0,6 |
|
10–20 |
0,7 |
1,1 |
0,8 |
1,2 |
1,0 |
0,5 |
0,9 |
0,6 |
|
Значения коэффициента гумусонакопления меньше 1,0 обнаруживались в период вегетации ячменя. Максимумы найдены в почве обрабатываемой плоскорезами под яровой пшеницей. Существенное влияние на этот процесс оказывали засушливые погодные условия, предшествующие фазе кущения яровых зерновых (см. табл. 1). Результатом данных превращений стало увеличение коэффициента гумусонакопления к фазе цветения яровой пшеницы на
безотвальных фонах в сравнении с отвальной вспашкой. К фазе полной спелости происходило выравнивание показателя в почве исследуемых вариантов обработки. Максимальные положительные зависимости между активностью полифенолоксидазы и коэффициентом гумусонакопления обнаруживались в варианте с плоскорезным рыхлением (табл. 4).
Данные пероксидазной активности свидетельствовали о существенной аккумуляции продуктов окисления к середине периодов вегетации культур при применении отвальной обработки. Использование дискаторов сопровождалось иной динамикой. Причем изменчивость активности пероксидазы было статистически значимо (табл. 5).
Таблица 4
Корреляционная зависимость между динамикой активности
пероксидазы и коэффициентом гумусонакопления
|
Вариант |
Глубина, см |
Активность полифенолоксидазы |
Активность пероксидазы |
|
Отвальная |
0–10 |
0,53 |
–0,65 |
|
10–20 |
0,20 |
–0,72 |
|
|
Минимальная |
0–10 |
0,51 |
–0,45 |
|
10–20 |
0,52 |
–0,90 |
|
|
Плоскорезная |
0–10 |
0,86 |
–0,70 |
|
10–20 |
0,76 |
–0,75 |
Таблица 5
Статистические параметры динамики активности пероксидазы,
мг 1,4 бензохинона / 1 г / 30 мин (t0,5 = 2,2 (в июле, сентябре 2019 г. t0,5 = 2,7))
|
Вариант |
Сроки |
x̅ ±tsx |
tф |
x̅ ±tsx |
tф |
|
2017 (0–10 см) |
2017 (10–20 см) |
||||
|
1. Отвальная вспашка (st) |
Июнь (1) |
– |
t2t3 > t0,5 |
– |
t2t3 > t0,53) |
|
Июль (2) |
6,8±0,54 |
5,5±0,4 |
|||
|
Сентябрь (3) |
2,7±0,3 |
2,9±0,7 |
|||
|
2. Минимальная обработка (дискование) |
Июнь (1) |
– |
t2t3 > t0,5 |
– |
t2t3 < t0,5 |
|
Июль (2) |
5,9±0,32 |
5,4±0,3 |
|||
|
Сентябрь (3) |
5,1±0,4 |
5,6±0,6 |
|||
|
3. Плоскорезная обработка (культивация) |
Июнь (1) |
– |
t2t3 > t0,5 |
– |
t2t3 > t0,5 |
|
Июль (2) |
6,1±0,4 |
7,7±0,8 |
|||
|
Сентябрь (3) |
3,5±0,3 |
5,6±0,6 |
|||
|
|
2018 (0–10 см) |
2018 (10–20 см) |
|||
|
1. Отвальная вспашка (st) |
Июнь (1) |
3,1±0,4 |
t1t2 > t0,5 t1t3 > t0,5 t2t3 > t0,5 |
3,2±0,4 |
t1t2 > t0,5 t1t3 > t0,5 t2t3 < t0,5 |
|
Июль (2) |
6,8±0,5 |
5,5±0,4 |
|||
|
Сентябрь (3) |
4,2±0,3 |
4,8±0,6 |
|||
|
2. Минимальная обработка (дискование) |
Июнь (1) |
5,2±0,4 |
t1t2 > t0,5 t1t3 > t0,5 t2t3 > t0,5 |
6,1±0,5 |
t1t2 > t0,5 t1t3 > t0,5 t2t3 > t0,5 |
|
Июль (2) |
3,4±0,7 |
6,9±0,7 |
|||
|
Сентябрь (3) |
7,5±0,3 |
3,9±0,4 |
|||
|
3. Плоскорезная обработка (культивация) |
Июнь (1) |
5,7±0,3 |
t1t2 > t0,5 t1t3 > t0,5 t2t3 < t0,5 |
6,4±0,3 |
t1t2 > t0,5 t1t3 < t0,5 t2t3 > t0,5 |
|
Июль (2) |
3,8±0,3 |
5±0,3 |
|||
|
Сентябрь (3) |
3,7±0,2 |
6,1±0,5 |
|||
|
|
2019 (0–10 см) |
2019 (10–20 см) |
|||
|
1. Отвальная вспашка (st) |
Июнь (1) |
5,5±0,6 |
t1t2 < t0,5 t1t3 < t0,5 t2t3 < t0,5 |
4,8±0,7 |
t1t2 > t0,5 t1t3 > t0,5 t2t3 < t0,5 |
|
Июль (2) |
5,8±1,5 |
5,9±1,9 |
|||
|
Сентябрь (3) |
5,2±0,6 |
6,0±1,0 |
|||
|
2. Минимальная обработка (дискование) |
Июнь (1) |
4,1±0,4 |
t1t2 > t0,5 t1t3 > t0,5 t2t3 > t0,5 |
7,6±0,8 |
t1t2 > t0,5 t1t3 > t0,5 t2t3 > t0,5 |
|
Июль (2) |
6,2±0,7 |
6,2±1,4 |
|||
|
Сентябрь (3) |
5,1±0,5 |
4,7±0,5 |
|||
|
3. Плоскорезная обработка (культивация) |
Июнь (1) |
6,5±0,8 |
t1t2 > t0,5 t1t3 < t0,5 t2t3 > t0,5 |
6,8±0,2 |
t1t2 > t0,5 t1t3 < t0,5 t2t3 < t0,5 |
|
Июль (2) |
5,3±0,6 |
6,0±1,0 |
|||
|
Сентябрь (3) |
7,0±0,9 |
6,9±1,3 |
|||
Примечательно, что в почве всех вариантов отмечалась обратная зависимость между активностью пероксидазы и коэффициентом гумусонакопления. Причем применение плоскорезного рыхления обнаруживало «сильную» корреляцию. Поиск корреляционных зависимостей между динамикой содержания органических соединений почвы и пероксидазой подтверждает ее участие в биохимических процессах минерализации преимущественно в условиях отвальной обработки почвы (рис. 1, А).
|
|
|
|
А |
|
|
|
|
|
Б |
|
|
|
|
|
В |
|
Рис. 1. Зависимость содержания углерода органических соединений, мг С/100 г, от активности пероксидазы, мг 1,4 бензохинона / 1 г/ 30 мин: А – отвальная обработка почвы; Б – плоскорезная обработка почвы; В – минимальная обработка почвы
В условиях применения безотвальных технологий отмеченных зависимостей не наблюдалось. По мнению [12, 13], подобные результаты свидетельствуют, что при отсутствии оборота пласта пероксидаза в большей степени принимает участие в синтезе гумусовых веществ, а не в их минерализации. Данные активности анализируемых ферментов свидетельствуют о благоприятных условиях для гумификации растительного материала и накопления гумусоподобных веществ в почве при размещении яровой пшеницы по пару в условиях применения безотвальных технологий.
Заключение. Выявлена существенная внутрисезонная динамика активности ферментов углеродного цикла. На безотвальных фонах изменчивость полифенолоксидазы отличалась меньшим варьированием. Минимальные значения коэффициента гумусонакопления обнаружены на первоначальном этапе внедрения исследуемых технологий обработки во время парования, а также в период вегетации ячменя, максимальные – в почве под посевами яровой пшеницы. Применение культиваторов-плоскорезов выявило сильную зависимость активности полифенолоксидазы от коэффициента гумусонакопления. В почве всех вариантов отмечалась обратная зависимость активности пероксидазы и коэффициента гумусонакопления. Участие пероксидазы в биохимических процессах минерализации проявлялось преимущественно в условиях отвальной обработки агрочерноземов.
1. Belousov A.A. Fermentativnaya aktivnost' chernozema obyknovennogo v zven'yah sevooborotov i celine // Vestnik KrasGAU. 2001. № 7. S. 93–100.
2. Kazeev K.Sh., Kolesnikov S.I., Val'kov V.F. Biologicheskaya diagnostika i indikaciya pochv: metodologiya i metody issledovanij. Rostov n/D.: Izd-vo Rost. un-ta, 2003. 204 s.
3. Belousova E.N., Belousov A.A. Vliyanie poch-vozaschitnyh tehnologij na soderzhanie pod-vizhnogo organicheskogo veschestva i fer-mentativnuyu aktivnost' pochvy // Agrohimiya. 2022. № 5. S. 30–37.
4. Markovskaya G.K., Kiryasova N.L. Vliyanie minimizacii obrabotki pochvy na ee biologi-cheskuyu aktivnost' // Dostizheniya nauki i tehniki APK. 2007. № 1. S. 16–17.
5. Sergatenko S.N., Fedorova I.L., Ignatova T.D. Vliyanie neftyanogo zagryazneniya na aktiv-nost' pochvennyh fermentov klassov oksidore-duktaz i gidrolaz // Vestnik Ul'yanovskoj gosu-darstvennoj sel'skohozyajstvennoj akademii. 2022. № 3 (59). S. 83–88.
6. Zinchenko M.K., Zinchenko S.I. Fermentativ-naya aktivnost' seroj lesnoj pochvy pri razlichnyh priemah osnovnoj obrabotki // Dostizhenie nauki i tehniki APK. 2021. № 4. S. 17–21.
7. Habirov I.K., Sajfullin R.R. `Eroziya pochv i fermentativnaya aktivnost' // Mezhdunarodnyj nauchno-issledovatel'skij zhurnal. 2022. Ch. 1. № 1 (115). S. 150–152.
8. Belousov A.A., Belousova E.N., Stepanova E.V. The influence of processing technologies on the differentiation of soil layers by the content of mobile components of organic matter / IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. Krasnoyarsk, 2022. P. 032032.
9. Vorob'eva L.A. Teoriya i praktika himichesko-go analiza pochv. M.: GEOS, 2006. 400 s.
10. Haziev F.H. Metody pochvennoj `enzimologii. M.: Nauka, 2005. 252 s.
11. Zavisimost' razlozheniya organicheskogo veschestva pochvy i rastitel'nyh ostatkov ot temperatury i vlazhnosti v dlitel'nyh inkubacionnyh `eksperimentah / V.M. Seme-nov [i dr.] // Pochvovedenie. 2022. № 7. S. 860–875.
12. Gul'ko A.E., Haziev F.H. Fenoloksidazy pochv: producirovanie, immobilizaciya, aktivnost' // Pochvovedenie. 1992. № 11. S. 55–67.
13. Kozun' Yu.S., Kazeev K.Sh., Kolesnikov S.I. Vliyanie klimata na fermentativnuyu aktivnost' lesnyh pochv Severnogo Kavkaza // Lesovedenie. 2022. № 3. S. 262–269.
14. Kozun' Yu.S., Kazeev K.Sh., Kolesnikov S.I. Vliyanie klimata na fermentativnuyu aktivnost' lesnyh pochv Severnogo Kavkaza // Lesove-denie. 2022. № 3. S. 262–269.
