Россия
сотрудник с 01.01.1999 по 01.01.2026
Красноярск, Красноярский край, Россия
Цель работы: исследовать ферментативную активность почв в процессе их перехода из агроценозов в залежь. Исследования проводились в пределах трех ландшафтных зон Средней Сибири: на территории землепользования ТОО «Зареченское» Тюхтетского района Красноярского края (56°32’ с.ш. и 89°18’ в.д.). Объект исследования – почва дерново-глубокоподзолистая поверхностно слабоглееватая легкосуглинистая; на полевом стационаре УНПК «Борский» (56°26’ с.ш. и 92°54’ в.д.). Объект исследования – почва чернозем выщелоченный среднемощный среднегумусный тяжелосуглинистый; в зоне сухих степей Минусинской котловины Усть-Абаканского района (53°77’ с.ш. и 91°30’ в.д.). Объект исследования – почва темно-каштановая карбонатная маломощная супесчаная. Рассмотрены параметры ферментативной активности почв в агроценозах, а также процессе перехода их в залежь. Выявлены невысокие значения активности ферментов каталазы и инвертазы в дерново-подзолистой почве вне зависимости от характера использования. К окончанию вегетационного сезона на дерново-подзолистой почве каталитическая активность снижалась, а использование сидератов способствовало гидролизу углеводов на уровне активности почвы залежного участка. В черноземе выщелоченном к окончанию вегетационных сезонов на агроценозах каталитическая активность существенно выше на участке залежи. Уровень активности каталазы оценивался средним уровнем в сравнении с дерново-подзолистой почвой. На темно-каштановой почве под залежью и в условиях сидерации каталитическая активность характеризовалась статистически равнозначным уровнем. Использование рапса в качестве сидерата на темно-каштановой почве значительно увеличивает ее инвертазную активность.
залежь, агроценоз, ферментативная активность, каталаза, инвертаза, влажность почвы.
Введение. Устойчивость почв к различным воздействиям определяется их способностью возвращаться к нормальному функционированию и противостоять различным стрессам [1]. Познание механизмов устойчивости почв является необходимым для поиска путей сохранения биосферы и предотвращения возрастающих за последние десятилетия негативных антропогенных воздействий. Проблема залежей многогранна и касается политических, экономических и юридических аспектов использования земель [2]. Определение направленности и скорости процессов изменения (динамики) плодородия почв залежных земель представляется актуальным, так как в будущем они могут быть снова вовлечены в сельскохозяйственное использование [3]. Исследований, направленных на изучение функционирования залежных земель, недостаточно. Имеющиеся фактические данные, как правило, представлены информацией о содержании гумуса, основных элементов питания, о фитосанитарном состоянии и физико-химических показателях. Однако практически отсутствуют сведения о действительной биогенности почв, находящихся в залежи или в процессе перехода в нее.
Цель работы. Исследовать ферментативную активность почв в процессе их перехода из агроценозов в залежь.
Объекты и методы. Исследования проводились в пределах трех ландшафтных зон Приенисейской Сибири. 1 – зона травяных лесов Ачинского округа на территории землепользования ТОО «Зареченское» Тюхтетского района (56°32’ с.ш. и 88°18’ в.д.). Объект исследования – почва дерново-глубокоподзолистая поверхностно слабоглееватая легкосуглинистая. 2 – Красноярская лесостепь на полевом стационаре УНПК «Борский», расположенном на территории Сухобузимского района в пределах Чулымо-Енисейского денудационного плато юго-западной окраины Средней Сибири (56°26’ с.ш. и 92°54’ в.д.). Объект исследования – почва чернозем выщелоченный среднемощный среднегумусный тяжелосуглинистый. 3 – зона сухих степей Минусинской котловины Усть-Абаканского района (53°77’ с.ш. и 91°30’ в.д.). Объект исследования – почва темно-каштановая карбонатная маломощная супесчаная. Основные агрономические свойства представлены в таблице 1.
Таблица 1
Агрохимические свойства исследуемых почв
|
Горизонт, глубина, см |
Гумус, % |
Валовое содержание, % |
Обменные основания |
Hr |
S |
pH |
Сумма частиц, % |
||||
|
N |
P2O5 |
Ca2+ |
Mg2+ |
KCl |
H2O |
<0,001 |
<0,01 |
||||
|
Дерново-подзолистая |
|||||||||||
|
А1 0-18 |
1,7 |
0,17 |
- |
5,0 |
1,2 |
2,2 |
10,1 |
4,5 |
5,3 |
11,8 |
26,5 |
|
А2 18-40 |
1,8 |
0,10 |
- |
3,8 |
1,0 |
1,9 |
9,2 |
4,3 |
5,1 |
13,9 |
27,5 |
|
Чернозем выщелоченный |
|||||||||||
|
Апах 0-20 |
9,7 |
0,51 |
0,21 |
34 |
12,0 |
- |
46,0 |
5,9 |
6,5 |
36,0 |
57,0 |
|
А 20-30 |
9,2 |
0,40 |
0,35 |
38 |
14,0 |
- |
52,0 |
5,8 |
6,5 |
36,0 |
58,0 |
|
Темно-каштановая |
|||||||||||
|
АП 0-25 |
4,8 |
0,28 |
0,001 |
17,0 |
4,8 |
- |
21,8 |
- |
7,1 |
10,8 |
26,2 |
|
В 27-49 |
2,1 |
0,15 |
0,090 |
- |
- |
- |
- |
- |
7,3 |
10,1 |
27,0 |
Схема опыта представлена следующими вариантами. На дерново-подзолистой почве: 1. Залежь. 2. Чистый пар. 3. Сидератный пар (горох+овес). На черноземе выщелоченном: 1. Залежь. 2. Сидератный пар (горох+овес). 3. Пшеница. На темно-каштановой почве: 1. Залежь. 2. Рапс. Почвенные образцы отбирали из слоя 0–5 и 5–35 см на залежных массивах и из слоя 0–20 см в агроценозах в четырехкратной повторности в течение двух вегетационных сезонов. Ферментативную активность почв определяли по [4]. Статистическую обработку данных проводили с использованием программы Statistica.
Результаты исследований и их обсуждение. Окружающая человека среда поддерживается в стабильном состоянии благодаря метаболизму глобальной экосистемы (биосферы) – циклическому механизму ее функционирования [5]. Целесообразность поведения биологических систем заключается в их стремлении к повышению организованности, совершенствованию внутренней структуры, надежности функционирования системы [6]. Такую информацию мы получаем через данные о ферментативной активности почвы. Важная роль ферментов заключается еще и в том, что они осуществляют функциональные связи между компонентами экосистемы. А ферментативная активность в целом отражает функциональное состояние живого населения почвы. Например, каталаза играет ответственную роль в гетеротрофном синтезе колоссального числа органических соединений. Авторы также считают, что отсутствие каталазы в почве несовместимо с ее пригодностью для поселения и развития обширных групп живых существ.
Рассмотрим уровень активности ферментов и ее изменчивость в агробиогеоценозах дерново-подзолистой почвы (табл. 2).
Таблица 2
Ферментативная активность дерново-подзолистой почвы (tт = 2,36)
|
Вариант |
Каталаза, см3 О2/1г/1 мин |
Инвертаза, мг глюкозы/1 г |
||||
|
Июль 1-й год |
Июль 2-й год |
Август 2-й год |
Июль 1-й год |
Июль 2-й год |
Август 2-й год |
|
|
1. Залежь, 0–5 см |
3,8* |
2,9 |
2,0 |
5,6* |
4,5 |
3,0 |
|
2. Залежь, 5–35 см |
2,8 |
2,9 |
1,4 |
7,8* |
7,9 |
9,3* |
|
3. Чистый пар |
2,3* |
2,6 |
1,5 |
4,1* |
3,5 |
3,0 |
|
4. Сидератный пар |
2,9 |
3,0 |
1,6 |
6,8* |
8,5* |
8,0 |
|
НСР05 |
0,3 |
0,2 |
0,2 |
0,5 |
0,7 |
0,6 |
*здесь и далее: достоверная разница в динамике.
Согласно шкале [7], каталитическая активность почвы соответствовала слабому уровню за исключением залежного участка в июле первого года наблюдений. В слое 0–5 см здесь наблюдался средний уровень, который значимо снижался к следующему вегетационному сезону. Предполагаем, что низкий уровень активности прежде всего обусловлен дефицитом органического вещества в дерново-подзолистой почве (см. табл. 1) и ее значительной уплотненностью – 1,4 г/см3. В целом, рассматривая уровень активности каталазы за годы исследований, можно проследить тенденцию ее снижения к концу вегетационных сезонов. Отмеченная закономерность наблюдалась в почве всех анализируемых вариантов. По-видимому, в этот период на активность каталазы большее влияние оказывали экологические факторы среды, нежели свойства почвы, в том числе запасы органического вещества. Результаты корреляционного анализа выявили слабую зависимость активности каталазы от влажности почвы (r = -0,12…-0,44) в первой половине вегетационного сезона. К августу связь усиливалась до r = 0,68, что, вероятно, обусловлено торможением микробиологической активности.
Важнейшим звеном круговорота углерода в природе является стадия ферментативного превращения углеводов в почвенной среде [8]. Очевидно, что агроэкологические воздействия, приводящие к изменению физико-химического и биологического состояния почв, оказывают влияние на активность ферментов углеводного обмена [9]. Гидролитический фермент инвертаза стимулирует расщепление углеводов в почве. Ее активность практически напрямую определяет направленность и скорость превращений органического вещества. Изменение состава фито- и микробоценозов при сельскохозяйственном использовании почвы приводит, с одной стороны, к уменьшению количества поступающего в почву растительного материала, с другой – изменяет характер продуцировании ферментов, в котором принимают участие как растения, так и почвенные микроорганизмы [10].
Наши исследования на дерново-подзолистой почве в целом подтвердили обозначенные закономерности (см. табл. 2). Почва под залежью на глубине 5–35 см достоверно превосходила по активности инвертазы слой
0–5 см, а также почву из-под чистого пара. В первом случае мы наблюдали отсутствие ризосферного эффекта. В слое 0–5 см, по нашим наблюдениям, корни выглядели как «трубочки» без разветвлений и корневых волосков. С глубиной происходило распространение более мощной корневой сетки. Также наблюдался постоянный в подобных исследованиях факт: дерново-подзолистая почва под чистым паром проявляла самую низкую активность инвертазы.
Заделка зеленой массы сидератных культур сопровождалась усилением инвертазной активности до уровня почв залежи в слое 5–35 см. Следовательно, дерново-подзолистая почва под сидератами не уступала в способности к трансформации углеводов, что подтверждает сведения о доминировании активности ферментов в почвах, подвергающихся элементам биологического земледелия. По сведениям [11], запашка сидератов способствует увеличению численности аэробных целлюлозоразрушающих микроорганизмов в связи с образованием субстрата для их функционирования. Слабая концентрация инвертазы в почве парового поля свидетельствовала, наряду с другими фактическими данными, о нерациональности и неэффективности использования его в структуре севооборотов агроландшафтов на дерново-подзолистых почвах.
Таким образом, в зависимости от характера и степени дальнейшего использования почв антропогенных ландшафтов на дерново-подзолистых почвах активность биохимических процессов изменяется. Использование биологических факторов плодородия способствует активизации гидролитических ферментов.
Данные по уровню каталазной и инвертазной активности чернозема выщелоченного представлены в таблице 3. Уровень активности каталазы соответствовал среднему и характеризовался более высокими параметрами относительно дерново-подзолистой почвы.
Таблица 3
Ферментативная активность чернозема выщелоченного (tт = 2,36)
|
Вариант |
Каталаза, см3 О2/1 г/1 мин |
Инвертаза, мг глюкозы/1 г |
||||
|
Июль 1-й год |
Июль 2-й год |
Август 2-й год |
Июль 1-й год |
Июль 2-й год |
Август 2-й год |
|
|
1. Залежь, 0–5 см |
4,0 |
2,7 |
2,4 |
16,9 |
13,4 |
9,1 |
|
2. Залежь, 5–35 см |
4,6 |
3,8 |
2,0 |
23,3 |
31,8 |
28,0 |
|
3. Сидератный пар |
4,2 |
3,7 |
6,7* |
20,4 |
25,2 |
24,0 |
|
4. Пшеница |
4,4 |
4,1 |
6,5* |
12,4 |
15,2 |
14,6 |
|
НСР05 |
0,4 |
0,3 |
0,8 |
3,6 |
4,1 |
4,8 |
Какие же подобия можно отметить в результатах активности между исследуемым черноземом и дерново-подзолистой почвой? Во-первых, в условиях залежи активность каталазы в июле выше, чем в августе. Во-вторых, почва агроценозов значимо не уступала залежной в уровне активности. Более того, в черноземе выщелоченном под посевами яровой пшеницы и сидератной культурой рапсом активность каталазы существенно повышалась к августу. Следовательно, вовлечение черноземной почвы в пашню может сопровождаться существенным ростом каталитической активности, а при переходе в залежь ее частичной инактивацией. По-видимому, каталаза в условиях исследуемых почв в большей степени лимитируется аэрируемостью, чем корневой биомассой. Положительный ли это факт – тенденция к спаду каталитической активности в условиях залежи? Напомним, что за каталитическую активность фермента ответственны не только активный центр, но и вся структура молекулы в целом. Скорость ферментативной реакции регулируется множеством факторов: температурой, рН, концентрацией фермента и субстрата, наличием активаторов и ингибиторов. В роли активаторов могут выступать органические соединения, но чаще различные микроэлементы [12]. Отсюда в почве исследуемых залежных земель складываются условия, неблагоприятные для формирования вредной для микроорганизмов и растений перекиси водорода. Поэтому концентрация каталазы здесь, как ответная реакция на агрессивный субстрат, незначительна.
В черноземе выщелоченном мы наблюдали значительный рост инвертазной активности, соответствовавший среднему уровню (см. табл. 3). Сравниваемые слои залежи отличались активностью с доминированием в слое 5–35 см, что коррелирует с данными каталазной активности. Обращает на себя внимание существенный рост активности инвертазы в слое 5–20 см под залежью относительно агроценозов. Вероятно, обогащенный видовой состав разнотравья с учетом ризосферного эффекта положительно повлиял на формирование субстрат-ферментных комплексов в верхнем слое чернозема выщелоченного на залежном участке. Существенно меньшей активностью оценивалась инвертаза в почве под яровой пшеницей. Предполагаем, что инвертазная активность на черноземе при переходе в залежь возрастала, по-видимому, являясь следствием деятельности ризосферной микрофлоры и корневых экссудатов.
Каталазная активность темно-каштановой почвы соответствовала среднему. Между почвой под залежью и участком с сидератом рапсом статистически достоверных различий не выявлено (табл. 4).
Таблица 4
Ферментативная активность темно-каштановой почвы (tт = 2,36)
|
Вариант |
Каталаза, см3 О2/1 г/1 мин |
Инвертаза, мг глюкозы/1 г |
|
1. Залежь |
3,8 |
17,1 |
|
2. Рапс |
3,6 |
24,9* |
|
|
tФ < tт |
tФ > tт |
Данные об инвертазной активности свидетельствуют, что в период дефицита влаги она характеризовалась максимальными значениями на участке с сидератной культурой рапсом. Данное обстоятельство, на наш взгляд, связано с отзывчивостью каштановых почв на сидерацию и незначительной корневой биомассой трав на залежном участке. Таким образом, использование рапса в качестве сидерата значительно повышает уровень инвертазной активности почв лесостепной и степной зон.
Выводы
1. При смене землепользования в ряду пашня – многолетняя залежь наблюдается снижение каталазной активности дерново-подзолистой почвы. Уровень активности каталазы чернозема выщелоченного существенно превышает дерново-подзолистую почву. Сельскохозяйственное воздействие сопровождается значительным ростом каталитической активности черноземной почвы. При переходе в залежь уровень активности падает.
2. Сидерация дерново-подзолистой почвы обеспечивает гидролиз углеводов на уровне, соответствующем чернозему выщелоченному. Инвертазная активность на черноземе при переходе в залежь возрастает.
1. Федоров А.С. Устойчивость почв к антропогенным воздействиям. СПб.: Изд-во СПбГУ, 2008. 201 с.
2. Анциферова О.А. Залежная стадия плодородия степных и лесных почв (прошлое и настоящее) // Почвоведение: история, социология, методология. М.: Наука, 2005. С. 385–389.
3. Морковкин Г.Г. Проблемы устойчивого функционирования агроландшафтов в условиях умеренно засушливой и колочной степи Алтайского края / Е.А. Литвиненко // Аграрная наука – сельскому хозяйству: сб. ст. VI Междунар. науч.-практ. конф. Барнаул: Изд-во АГАУ, 2011. Кн. 2. С. 182–186.
4. Хазиев Ф.Х. Методы почвенной энзимологии. М.: Наука, 2005. 250 с.
5. Керженцев А.С. Функциональная экология. М.: Наука, 2006. 259 с.
6. Зинченко М.К. Ферментативные процессы в серых лесных почвах Верхневолжья. Суздаль; Иваново: ПреСсто. 2019. 140с.
7. Казеев К.Ш., Колесников С.И. Биодиагностика почв: методология и методы исследований. Ростов-н/Д: Изд-во ЮФУ, 2012. 260 с.
8. Зинченко М.К. Ферментативные процессы в почвах Верхневолжья: монография / Верхневолжский ФАНЦ. Иваново: ПреСсто, 2019. 140 с.
9. Хазиев Ф.Х. Экологические связи ферментативной активности почв // Экобиотех. 2018. № 2. Т. 1. С. 80–92.
10. Зинченко М.К., Винокуров И.Ю. Влияние природных и антропогенных факторов на ферментативную активность серой лесной почвы // Системы интенсификации земледелия как основа инновационной модернизации аграрного производства. Суздаль, 2016. 228–235 с.
11. Полонская Д.Е. Микробиологический мониторинг состояния экосистем земледельческой части Красноярского края: автореф. дис. ... д-ра с.-х. наук. Красноярск, 2002.
12. Поволоцкая Ю.С. Общее представление о почвенных ферментах // Международный журнал гуманитарных и естественных наук. 2020. № 1-1(40). С. 21–23.
