Russian Federation
Russian Federation
The purpose of research is to assess the impact of the transition to minimal soil tillage technologies on the transformation of organic matter and the participation of carbon cycle enzymes in these transformations. Research was carried out on the production experience of Dary Malinovka Production Enterprise LLC in the Sukhobuzimo District in the Krasnoyarsk forest-steppe. The object of research is ordinary chernozem with medium humus and medium thickness. heavy loamy on red-brown clay. The experimental design is represented by the following options: 1. Dump (st); 2. Minimum (disk); 3. Flat cutting (cultivation). In the 2017 season, the soil of the experimental variants was cultivated using the type of pure early fallow, and in 2018, spring wheat of the Novosibirskaya-31 variety was sown at the field station, and in 2019, barley of the Acha variety was sown. The results of polyphenol oxidase activity showed a very weak level. It was shown that peroxidase activity responded to a greater extent to mechanical stress relative to polyphenol oxidase. The activity of peroxidase differed in a statistically significant increase in the layer of 0–10 cm relative to 10–20 cm during dump treatment. The use of surface loosening significantly increased the activity in the layer of 10–20 cm compared to 0–10 cm. Data on the activity of the analyzed enzymes indicate favorable conditions for the humification of plant material and the accumulation of humus-like substances. Data from the conditional coefficient of humus accumulation show that during the tillering phase of spring grain crops, conditions developed that were not favorable to the processes of new formation of easily mineralizable humic substances in the soil of all experimental variants. The positive dynamics of the coefficient was most pronounced during flat-cut loosening in a layer of 0–10 cm.
enzymes, polyphenol oxidase, peroxidase, humus accumulation coefficient, non-moldboard methods of soil cultivation, differentiation of layers
Введение. Обработка почвы – один из важнейших факторов, определяющих физические и химические свойства агрогенных почв, приводящих к изменению структуры и функционирования почвенного микробного сообщества, влияющих на экологическое состояние и плодородие почвы [1–3]. Ее минимизация может служить перспективным приемом секвестрации органического углерода почвы [4]. Сокращение отрицательного влияния на почву, ее механического рыхления – важная проблема, стоящая перед современным земледелием. По мнению [5], как и другие звенья системы земледелия, она преследует две цели: повысить эффективное плодородие почвы и создать наиболее благоприятные условия для роста и развития растений. Известно, что агроценозы являются экосистемами с наиболее динамичным и неустойчивым балансом органического вещества [6]. По мнению [7], важно учитывать степень влияния минимизации на микробиологическую активность, от изменений которой зависит динамика органического вещества и в целом плодородие черноземных почв. Почвенные микроорганизмы и ферменты первыми реагируют на смену условий в почве, в том числе на параметры, определяющие процессы минерализации-гумификации [8, 9].
В связи со специфичностью условий почвообразования и особенностями агросвойств почв лесостепной зоны Красноярского края исследования, направленные на поиск закономерностей между активностью ферментов и направленностью трансформаций органического вещества, особенно актуальны [10–12]. Диагностика этих корреляций, вероятно, позволит прогнозировать изменения в превращениях органического вещества агропочв. Особенно важным представляется диагностика этих изменений в условиях сезоннопромерзающих почв Сибирского региона при внедрении безотвальных технологий обработки почвы.
Цель исследований – оценить влияние процесса перехода на минимальные технологии обработки почвы на трансформацию органического вещества и участие в этих превращениях ферментов углеродного цикла.
Объекты и методы. Исследования проведены на производственном опыте ООО «ОПХ «Дары Малиновки» Сухобузимского района в Красноярской лесостепи. Объект исследований – чернозем обыкновенный среднегумусный среднемощный тяжелосуглинистый на красно-бурой глине. Почва опыта в пахотном слое содержит 6,3–6,5 % гумуса, pH водной суспензии близок к нейтральному (pHН2О = 6,7), подвижного фосфора – 295–320 мг/кг, обменного калия – 127–138 мг/кг. В границах производственных посевов заложены реперные участки прямоугольной формы общей площадью 1200 м2 с учетной площадью 600 м2. В пределах каждого участка выделялись три делянки – повторности площадью 200 м2. Объем выборки был рассчитан исходя из уровня варьирования плодородия почвы по результатам рекогносцировочных посевов и составил 12 индивидуальных пространственно-удаленных проб. Трижды за вегетационный сезон отбирались почвенные образцы из слоев 0–10, 10–20 см методом змейки. Схема опыта представлена следующими вариантами: 1 – отвальная (st); 2 – минимальная (дискование); 3 – плоскорезная (культивация).
Отвальную вспашку проводили плугом Gregoire Besson SPLM B9 на глубину 25–
Агрометеорологические условия 2017–2019 гг. оценивались следующими показателями (табл. 1). Так, накопление суммы активных температур было значительно выше среднемноголетних значений, а количество осадков, напротив, существенно уступало норме. Это свидетельствовало о засушливости условий, формирующихся в годы наблюдений.
Таблица 1
Метеорологические показатели в годы наблюдений
|
Год |
Месяц |
Сумма показателей |
||||
|
Май |
Июнь |
Июль |
Август |
Сентябрь |
||
|
Средняя температура воздуха, °С |
Сумма активных температур, °С |
|||||
|
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, мм |
|||||
|
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 |
Вторая половина лета первого года исследований (2017) характеризовалась значительным количеством осадков относительно 2018 г. Начало и середина вегетационного сезона 2018 г. по агрометеорологическим условиям складывались неблагоприятно. По количеству выпавших осадков анализируемый период существенно уступал норме, тогда как температура воздуха превышала средние многолетние значения. В июне 2019 г. осадков выпало на 65 % больше нормы.
Химические и физико-химические показатели получены по [13]. Ферментативную активность почвы определяли: пероксидазу и полифенолоксидазу – колориметрическим методом по Л.А. Карягиной, Н.А. Михайловской (1986) [14]. Статистический анализ данных проводили с использованием пакета программ MS Excel.
Результаты и их обсуждение. Данные активности полифенолоксидазы показывали очень слабый уровень по шкале Д.Г. Звягинцева. Существенным элементом оценки биохимических реакций при изучении способов обработки является сравнение слоев почвы. Здесь значима информация о направленности процессов трансформации, чтобы понимать, как отразился тот или иной вариант технологии обработки на превращении соединений углерода. В период парования активность полифенолоксидазы в сравниваемых слоях отличалась в зависимости от способа механического воздействия (табл. 2).
Таблица 2
Активность полифенолоксидазы в слоях агрочерноземов, мг 1,4 бензохинона / 1 г / 30 мин (t0,5 = 2,2 (в июле, сентябре 2019 г. – t0,5 = 2,7)
|
Вариант |
Слой, см |
tф |
Июнь |
tф |
Июль |
tф |
Сентябрь |
|
2017 |
|||||||
|
1. Отвальная вспашка (st) |
0–10 |
– |
– |
6,8 |
5,3 |
1,3 |
3,3 |
|
10–20 |
– |
4,4 |
2,9 |
||||
|
2. Минимальная обработка (дискование) |
0–10 |
– |
– |
–3,8 |
4,9 |
–8,2 |
3,8 |
|
10–20 |
– |
5,8 |
5,6 |
||||
|
3. Плоскорезная обработка (культивация) |
0–10 |
– |
– |
0,8 |
5,1 |
–7,6 |
4,3 |
|
10–20 |
– |
5,1 |
6,4 |
||||
|
2018 |
|||||||
|
1. Отвальная вспашка (st) |
0–10 |
1,1 |
3,6 |
5,8 |
5,9 |
10,8 |
7,0 |
|
10–20 |
3,2 |
4,6 |
4,9 |
||||
|
2. Минимальная обработка (дискование) |
0–10 |
–2,3 |
5,4 |
–6,4 |
4,7 |
–0,8 |
5.2 |
|
10–20 |
5,9 |
6,4 |
5,5 |
||||
|
3. Плоскорезная обработка (культивация) |
0–10 |
0,5 |
4,9 |
–1,4 |
5,4 |
–1,6 |
5,6 |
|
10–20 |
5,0 |
5,9 |
6,0 |
||||
|
2019 |
|||||||
|
1. Отвальная вспашка (st) |
0–20 |
–0,4 |
3,5 |
–0,1 |
2,7 |
–2 |
4,8 |
|
20–40 |
3,6 |
2,6 |
5,5 |
||||
|
2. Минимальная обработка (дискование) |
0–20 |
–2,5 |
2,9 |
1,6 |
4,3 |
–0,3 |
4,8 |
|
20–40 |
3,7 |
4,8 |
4,7 |
||||
|
3. Плоскорезная обработка (культивация) |
0–20 |
–0,6 |
3,3 |
–2 |
4,8 |
0,2 |
4,3 |
|
20–40 |
3,4 |
5,5 |
4,2 |
||||
Примечание: здесь и в таблице 3 жирным выделены достоверные различия между слоями.
При отвальной вспашке процесс окисления фенолов был достоверно интенсивнее в слое 0–10 см, а при безотвальных рыхлениях в слое 10–20 см. Аналогичная зависимость проявлялась и в сезоне 2018 г. Различия не всегда были статистически достоверны, однако тенденция сохранялась. В большей степени она прослеживалась в почве, обрабатываемой дискованием. К фазе полной спелости яровой пшеницы достоверно более высокая активность полифенолоксидазы наблюдалась в поверхностном слое, что, вероятно, указывало на лучшую аэрацию данного слоя. При плоскорезном рыхлении существенных отличий в полифенолоксидазной активности не наблюдалось. В период вегетации ячменя (2019 г.) в целом сравниваемые слои демонстрировали равноценные параметры окисления. На уровень активности полифенолоксидазы могли оказывать влияние и корневые системы растений. По нашим наблюдениям, эта зависимость также прослеживалась, особенно в период вегетации яровой пшеницы, когда в середине лета нарастание ее корневой системы было максимальным.
Пероксидазная активность в большей степени откликалась на механическое воздействие относительно полифенолоксидазы (табл. 3).
Таблица 3
Активность пероксидазы в слоях агрочерноземов, мг 1,4 бензохинона / 1 г/ 30 мин
(t0,5 = 2,2 (в июле, сентябре 2019 г. – t0,5 = 2,7)
|
Вариант |
Слой, см |
tф |
Июнь |
tф |
Июль |
tф |
Сентябрь |
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
|
2017 |
|||||||
|
1. Отвальная вспашка (st) |
0–10 |
– |
– |
6,7 |
6,8 |
–1,1 |
2,7 |
|
10–20 |
– |
5,5 |
2,9 |
||||
|
2. Минимальная обработка (дискование) |
0–10 |
– |
– |
4,2 |
5,9 |
–2,1 |
5,2 |
|
10–20 |
– |
5,4 |
5,6 |
||||
Окончание табл. 3
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
|
3. Плоскорезная обработка (культивация) |
0–10 |
– |
– |
–4,6 |
6,1 |
–7,7 |
3,5 |
|
10–20 |
– |
7,7 |
5,6 |
||||
|
2018 |
|||||||
|
1. Отвальная вспашка (st) |
0–10 |
1 |
3,1 |
6,8 |
6,8 |
–2,9 |
4,2 |
|
10–20 |
3,1 |
5,5 |
4,8 |
||||
|
2. Минимальная обработка (дискование) |
0–10 |
–5 |
5,1 |
–11,8 |
3,1 |
26,3 |
7,5 |
|
10–20 |
6,1 |
6,9 |
3,9 |
||||
|
3. Плоскорезная обработка (культивация) |
0–10 |
–3,5 |
5,7 |
–9 |
3,9 |
–12,3 |
3,7 |
|
10–20 |
6,4 |
5 |
6,1 |
||||
|
2019 |
|||||||
|
1. Отвальная вспашка (st) |
0–20 |
2 |
5,5 |
1,3 |
5,8 |
–1,7 |
5,2 |
|
20–40 |
4,8 |
5,8 |
6 |
||||
|
2. Минимальная обработка (дискование) |
0–20 |
–11,4 |
4,2 |
–1,1 |
6,2 |
1,4 |
5,1 |
|
20–40 |
7,2 |
6,2 |
4,7 |
||||
|
3. Плоскорезная обработка (культивация) |
0–20 |
–0,7 |
6,5 |
–1,3 |
5,3 |
0,6 |
7 |
|
20–40 |
6,8 |
6 |
6,9 |
||||
Это проявлялось в статистически значимых различиях между сравниваемыми слоями. Примечательно, что активность пероксидазы отличалась в статистически значимом превышении слоя 0–10 см относительно 10–20 см при отвальной обработке и, наоборот, использование поверхностных рыхлений достоверно повышало активность в слое 10–20 см в сравнении с 0–10 см. В сезонах 2017–2018 гг. эта закономерность, очевидно, проявлялась в условиях плоскорезного рыхления. Обозначенное свидетельствует об активизации минерализационных процессов, прежде всего в слое 10–20 см при плоскорезном рыхлении.
По данным условного коэффициента гумусонакопления в фазу кущения яровых зерновых культур, складывались условия, благоприятствующие процессам новообразования легкоминерализуемых гумусовых веществ в почве всех вариантов опыта (табл. 4).
Таблица 4
Условный коэффициент накопления гумуса в слоях почвы (2017–2019 гг.), %
|
Способ обработки |
Слой почвы, см |
Срок определения |
Среднее |
||
|
Фаза кущения |
Фаза цветения |
Полная спелость |
|||
|
Отвальная (st) |
0–10 |
0,90 |
0,87 |
1,27 |
1,01 |
|
10–20 |
0,88 |
0,86 |
0,98 |
0,91 |
|
|
Минимальная (дискование) |
0–10 |
0,87 |
1,01 |
0,80 |
0,89 |
|
10–20 |
0,74 |
1,15 |
1,14 |
1,01 |
|
|
Плоскорезная |
0–10 |
0,72 |
1,04 |
1,22 |
0,99 |
|
10–20 |
0,64 |
0,92 |
0,91 |
0,82 |
|
Примечание: жирным выделены случаи преобладания процессов новообразования гумусовых соединений над процессами минерализации.
Однако следует отметить, что наиболее низкие значения коэффициента в этот период обнаруживались в условиях плоскорезного рыхления. Последующая динамика свидетельствовала о возможности плоскорезной обработки стимулировать условия для накопления новообразованных гумусовых молекул во второй половине вегетационного периода. При этом в структуре легкоминерализуемых органических соединений, переходящих в щелочной гидролизат, заметную долю составляли фульвокислоты. Подобное в своих исследованиях отмечали [10, 11, 15]. По мнению авторов, это свидетельствовало как о большей «оборачиваемости» углерода за счет активизации процессов трансформации, так и об изменении качества гумуса. Помимо того, существенное влияние на этот процесс могли оказать засушливые погодные условия, предшествующие фазе кущения яровых зерновых (см. табл. 1), и повышенная каталитическая активность почвы. Очевидно, атомарный кислород при разложении перекиси водорода оказывал влияние на гетеротрофный синтез органических соединений. Результатом данных превращений стало увеличение коэффициента гумусонакопления к фазе цветения на безотвальных фонах в сравнении с отвальной вспашкой агрочерноземов. К фазе полной спелости происходило относительное выравнивание показателя в почве исследуемых вариантов обработки.
Заключение
- Результаты активности полифенолоксидазы продемонстрировали очень слабый уровень активности. При отвальной вспашке процесс окисления фенолов был достоверно интенсивнее в слое 0–10 см, а при безотвальных рыхлениях в слое 10–20 см.
- Пероксидазная активность в большей степени откликалась на механическое воздействие относительно полифенолоксидазы. Активность пероксидазы отличалась в статистически значимом превышении слоя 0–10 см относительно 10–20 см при отвальной обработке. Использование поверхностного рыхления дисковыми орудиями достоверно повышало активность в слое 10–20 см в сравнении с 0–10 см. Данные активности анализируемых ферментов свидетельствуют о благоприятных условиях для гумификации растительного материала и накопления гумусоподобных веществ.
1. Baybekov R.F. Prirodopodobnye tehnologii – osnova stabil'nogo razvitiya zemledeliya // Zemledelie. 2018. № 2. S. 5–8.
2. Zinchenko M.K., Zinchenko S.I. Fermentativnyy potencial agrolandshaftov seroy lesnoy pochvy Vladimirskogo opol'ya // Uspehi sovremennogo estestvoznaniya. 2015. № 1. S. 1319–1323.
3. Zinchenko M.K., Zinchenko S.I. Fermentativnaya aktivnost' seroy lesnoy pochvy pri razlichnyh priemah osnovnoy obrabotki // Dostizhenie nauki i tehniki APK. 2021. T. 35, № 4. S.17.
4. Kudeyarov V.N. Vliyanie udobreniy i sistemy zemledeliya na sekvestraciyu ugleroda v pochvah // Agrohimiya. 2022. № 12. S. 79–96.
5. Korzhov S.I. Vliyanie obrabotki pochvy na biologicheskie processy // Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. 2010. № 3 (26). S. 14–17.
6. Kerzhencev A.S. Funkcional'naya ekologiya. M.: Nauka, 2006. 259 s.
7. Tehnologiya pryamogo poseva i mikrobiologicheskaya aktivnost' chernozema vyschelochennogo / S.D. Gilev [i dr.] // Zemledelie. 2015. № 3. S. 28–30.
8. Vliyanie sel'skohozyaystvennyh kul'tur na fermentativnuyu aktivnost' chernozemov Rostovskoy oblasti pri ispol'zovanii razlichnyh agrotehnologiy / T.V. Minnikova [i dr.] // Agrohimiya. 2020. № 10. S. 20–27.
9. Biologicheskaya aktivnost' chernozema obyknovennogo cherez 5 let posle prekrascheniya agrogennoy obrabotki / A.S. Sobina [i dr.] // Agrohimiya. 2022. № 1. S. 22–26.
10. Belousov A.A., Belousova E.N. Dinamika soderzhaniya organicheskogo veschestva chernozemov v usloviyah minimizacii obrabotki v Krasnoyarskoy lesostepi // Agrohimiya. 2020. № 3. S. 24–30.
11. Belousova E.N., Belousov A.A. Vliyanie tehnologiy obrabotki na raznokachestvennost' pochvennyh sloev po soderzhaniyu podvizhnogo organicheskogo veschestva // Problemy agrohimii i ekologii. 2022. № 1. S. 10–15.
12. Belousova E.N., Belousov A.A. Vliyanie pochvozaschitnyh tehnologiy na soderzhanie podvizhnogo organicheskogo veschestva i fermentativnuyu aktivnost' pochvy // Agrohimiya. 2022. № 5. S. 30–37.
13. Vorob'eva L.A. Teoriya i praktika himicheskogo analiza pochv. M.: GEOS, 2006. 400 s.
14. Haziev F.H. Metody pochvennoy enzimologii. M.: Nauka, 2005. 252 s.
15. Mihnovskaya A.D., Kirichenko T.P., Panchenko V.F. Mikrobiologicheskie processy transformacii organicheskogo veschestva pri raznyh sistemah obrabotki chernozema tipichnogo // Pochvovedenie. 1992. № 8. S. 58–65.
