Россия
Россия
Цель исследования – изучить динамику активности ферментов углеродного цикла агрочерноземов и ее влияние на превращение легкоминерализуемых органических соединений при использовании отвального и поверхностных способов обработки. Полевые наблюдения проводили на базе производственного опыта ООО «ОПХ “Дары Малиновки”» Сухобузимского района в Красноярской лесостепи (56°10′ с.ш. и 91°47′ в.д). Рассмотрено воздействие отвальной и минимальных технологий обработки на сезонную динамику активности ферментов углеродного цикла в слоях агрочернозема. Схема полевого эксперимента представлена следующими вариантами: отвальная вспашка (стандарт), минимальная обработка (поверхностное дискование), плоскорезная обработка (культивация). Уровень полифенолоксидазной активности в почве вариантов опыта оценивался слабыми значениями. Внутрисезонная динамика исследуемых ферментов была существенной и коррелировала с трансформацией коэффициента гумусонакопления. На безотвальных фонах изменчивость полифенолоксидазы отличалась меньшим варьирова¬нием. Минимальные значения коэффициента гумусонакопления обнаружены на первоначальном этапе внедрения исследуемых технологий в период парования агрочерноземов, а также в течение вегетации ячменя. Максимальные – в почве под посевами яровой пшеницы. Применение культиваторов-плоскорезов обусловило сильную зависимость между активностью полифенолоксидазы и коэффициентом гумусонакопления. В почве всех вариантов отмечалась обратная зависимость между активностью пероксидазы и коэффициентом гумусонакопления. Участие пероксидазы в биохимических процессах минерализации осуществлялось преимущественно в условиях отвальной обработки агрочерноземов. Активность ферментов оксидоредуктаз свидетельствовала о благоприятных условиях для гумификации органических соединений и аккумуляции новообразованных гумусовых веществ в почве при размещении яровой пшеницы по пару в условиях применения безотвальных технологий.
ферментативная активность почвы, полифенолоксидаза, пероксидаза, безотвальные технологии обработки почвы
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. Белоусов А.А. Ферментативная активность чернозема обыкновенного в звеньях севоо-боротов и целине // Вестник КрасГАУ. 2001. № 7. С. 93–100.
2. Казеев К.Ш., Колесников С.И., Вальков В.Ф. Биологическая диагностика и индикация почв: методология и методы исследований. Ростов н/Д.: Изд-во Рост. ун-та, 2003. 204 с.
3. Белоусова Е.Н., Белоусов А.А. Влияние почвозащитных технологий на содержание подвижного органического вещества и ферментативную активность почвы // Агрохимия. 2022. № 5. С. 30–37.
4. Марковская Г.К., Кирясова Н.Л. Влияние минимизации обработки почвы на ее биологическую активность // Достижения науки и техники АПК. 2007. № 1. С. 16–17.
5. Сергатенко С.Н., Федорова И.Л., Игнатова Т.Д. Влияние нефтяного загрязнения на активность почвенных ферментов классов оксидоредуктаз и гидролаз // Вестник Ульяновской государственной сельскохозяйственной академии. 2022. № 3 (59). С. 83–88.
6. Зинченко М.К., Зинченко С.И. Ферментативная активность серой лесной почвы при различных приемах основной обработки // Достижение науки и техники АПК. 2021. № 4. С. 17–21.
7. Хабиров И.К., Сайфуллин Р.Р. Эрозия почв и ферментативная активность // Международный научно-исследовательский журнал. 2022. Ч. 1. № 1 (115). С. 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. Воробьева Л.А. Теория и практика химичес-кого анализа почв. M.: ГЕОС, 2006. 400 с.
10. Хазиев Ф.Х. Методы почвенной энзимологии. М.: Наука, 2005. 252 с.
11. Зависимость разложения органического вещества почвы и растительных остатков от температуры и влажности в длительных инкубационных экспериментах / В.М. Семенов [и др.] // Почвоведение. 2022. № 7. С. 860–875.
12. Гулько А.Е., Хазиев Ф.Х. Фенолоксидазы почв: продуцирование, иммобилизация, активность // Почвоведение. 1992. № 11. С. 55–67.
13. Козунь Ю.С., Казеев К.Ш., Колесников С.И. Влияние климата на ферментативную активность лесных почв Северного Кавказа // Лесоведение. 2022. № 3. С. 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.
