Применение показателей активности ферментов для оперативной диагностики экологического состояния агрогенных почв

DOI: 10.24411/0235-2451-2019-10711

УДК 631.46.

Применение показателей активности ферментов для оперативной диагностики экологического состояния агрогенных почв

B. Н. РОМАНОВ1, А. В. ЗАУШИНЦЕНА2, Н. В. КОЖЕВНИКОВ2

красноярский научно-исследовательский институт сельского хозяйства Федерального исследовательского центра «Красноярский научный центр СО РАН», просп. Свободный, 66, Красноярск, 660041, Российская Федерация

2Кемеровский государственный университет, ул. Красная, 6, Кемерово, 650000, Российская Федерация

Резюме. Представлены результаты изучения возможности применения показателей ферментативной активности для оперативной диагностики экологического состояния почвы при различных технологиях ее обработки. Исследования проведены в 2015-2017 гг. в условиях Красноярской лесостепи Средней Сибири. Почва опытного участка - чернозем обыкновенный, среднемощный, среднесуглинистого гранулометрического состава. Годовое количество осадков 340 мм, средняя температура воздуха 0,5 °C. Активность ферментов изучали в полевом севообороте (пар - пшеница - ячмень - овес) на фонах со следующими системами основной обработки почвы: отвальная вспашка на глубину 20.. .22 см, дискование на 8.. .10 см и прямой посев по стерне без основной обработки почвы (No-till). Определяли активность ферментов класса гидролаз (инвертаза, уреаза и фосфатаза) и оксидоредуктаз (каталаза и дегидрогеназа). Систематическое сельскохозяйственное использование почвы оказывает наибольшее негативное воздействие на активность инвертазы, которая уменьшается на 40 %. Под влиянием отвальной обработки снижение активности уреазы составило 31,7 %. При минимизации обработки (дискование и прямой посев) механическая нагрузка на почву уменьшается, вследствие чего происходит увеличение ее общей биогенности и активности уреазы. Активность фосфатазы на фоне вспашки уменьшилась на 30 %. Негативного влияния антропогенного воздействия на каталазу не установлено. Активность дегидрогеназы после вспашки уменьшается на 34 %, при минимальных обработках на 25 %. Для оперативной диагностики экологического состояния и плодородия агрогенных почв целесообразно учитывать активность дегидрогеназы, фосфатазы, инвертазы и уреазы.

Ключевые слова: чернозем обыкновенный, обработка почвы, прямой посев, активность ферментов, дегидрогеназа, фосфатаза, инвертаза, уреаза.

Сведения об авторах: В. Н. Романов, доктор сельскохозяйственных наук, ведущий научный сотрудник (e-mail: romanov1948@ yandex.ru); А. В. Заушинцена, доктор биологических наук, профессор; Н. В. Кожевников, аспирант

Для цитирования: Романов В. Н., Заушинцена А. В., Кожевников Н. В. Применение показателей активности ферментов для оперативной диагностики экологического состояния агрогенных почв // Достижения науки и техники АПК. 2019. Т. 33. № 7.

C. 44-47. DOI: 10.24411/0235-2451-2019-10711.

Application of Enzyme Activity Indicators for Rapid Diagnostics of the Ecological Status of Agrogenic Soils

V. N. Romanov1, A. V. Zaushintsena2, N. V. Kozhevnikov2

'Krasnoyarsk Agricultural Research Institute, Federal Research Center «Krasnoyarsk Scientific Center of the SB of the RAS», prosp. Svobodnyi, 66, Krasnoyarsk, 660041, Russian Federation

2Kemerovo State University, ul. Krasnaya, 6, Kemerovo, 650000, Russian Federation

Abstract. This work presents the results of a study undertaken to assess the possibility of using indicators of enzymatic activity for rapid diagnostics of the ecological state of soils exposed to the action of various tillage technologies. The experiments were conducted over the 2015-2017 period under the conditions of Krasnoyarsk forest-steppe soils in Central Siberia. The experimental plot was characterised by ordinary chernozem with a medium thickness and loamy granulometric composition. In this region, the average annual precipitation and air temperature equal to 340 mm and 0.5 Celsius degrees, respectively. The activity of enzymes was studied using the following scheme of field crop rotation: fallow field, wheat, barley, oats. The soil was treated using the technologies of moldboard ploughing to a depth of 20-22 cm, disking at a depth of 8-10 cm and direct sowing without any preliminary tillage (no-till). The activity of hydrolase class enzymes (invertase, urease and phosphatase) and oxidoreductases (catalase and dehydrogenase) was determined. Permanent agricultural use of soils has the greatest negative impact on the activity of invertase, which is reduced under such conditions by 40%. Under the action of moldboard processing, a decrease in urease activity was 31.7%. Minimization of tillage (disking and direct seeding) leads to a decrease in the mechanical load on the ground, thus increasing its total biogenic level and raising the urease activity. Ploughing reduced phosphatase activity by 30%. No negative impact of anthropogenic action on catalase was found. Under the conditions of ploughing and minimum treatment, the activity of dehydrogenase reduced by 34% and 25%, respectively. Rapid diagnostics of the ecological status and fertility of agrogenic soils should involve a determination of the activity of dehydrogenase, phosphatase, invertase and urease.

Keywords: ordinary chernozem; tillage; direct seeding; enzyme activity; dehydrogenase; phosphatase; invertase; urease. Author Details: V. N. Romanov, D. Sc. (Agr.), leading research fellow (e-mail: romanov1948@yandex.ru); A. V. Zaushintsena,

D. Sc. (Biol.), prof.; N. V. Kozhevnikov, postgraduate student.

For citation: Romanov V. N., Zaushintsena A. V., Kozhevnikov N. V. Application of Enzyme Activity Indicators for Rapid Diagnostics of the Ecological Status of Agrogenic Soils. Dostizheniya naukii tekhnikiAPK. 2019. Vol. 33. No. 7. Pp. 44-47 (in Russ.). DOI: 10.24411/02352451-2019-10711.

Функция почвенного покрова в биосфере и жизни человека не ограничивается только производством продуктов питания в качестве основного средства сельскохозяйственного производства. Играя важную роль в нормальном взаимодействии всех поверхностных оболочек Земли, почвенный покров обе-

спечивает благополучие биосферы и человеческого общества [1]. Значительная деградация экологического состояния пахотных почв происходит под влиянием антропогенного воздействия и сопровождается изменениями, приводящими к снижению комплексной функции плодородия [2].

В качестве индикаторов экологического состояния используют физические и химические свойства почвы. Однако они не всегда могут соответствовать качественному состоянию почвы, особенно в случае радикальных перемен [3, 4].

С недавнего времени пристальное внимание ученых сосредоточено на биологических методах и биоиндексах [5, 6]. Выбор самых информативных показателей биологического состояния и плодородия агрогенных почв обусловлен большим количеством применяемых биохимических показателей [7, 8]. В почвенной биодинамике наибольшее значение имеют ферменты класса оксидоредуктаз и гидролаз. Они катализируют реакции, необходимые для жизненных процессов почвенных микроорганизмов, активность ферментов тесно связана с уровнем плодородия почвы, а физические и химические свойства рассматриваются как менее точные для оценки качества почвы [9, 10].

Ферменты усиливают восстановительную активность тканей и снижают заболеваемость растений, повышая иммунитет. При их недостатке возникает состояние физиологической депрессии, возрастает восприимчивость растений к паразитам и болезням. Основная роль каталазы заключается в разрушении ядовитой перекиси водорода, образующейся в процессе дыхания. Уреаза катализирует гидролиз мочевины до аммиака и углекислоты. Образующийся аммиак служит источником азотного питания растений. Инвертаза катализирует расщепление сахарозы или близких к ней углеводов на молекулы глюкозы и фруктозы, которые усваивают микроорганизмы и корни растений. Дегидрогеназы участвуют в процессе дыхания, отщепляя водород от окисляемых субстратов. Фосфатазы катализируют гидролиз фосфорорганических веществ, которые не могут быть использованы растениями без предварительного расщепления и минерализации. Использование показателей биологической активности открывает широкие возможности для сравнения в однородных условиях формирования целинных и окультуренных почв [11].

Цель исследований - изучение возможности применения показателей ферментативной активности для оперативной диагностики экологического состояния чернозема обыкновенного в условиях Красноярской лесостепи Средней Сибири при различных технологиях его обработки.

Условия, материалы и методы. Исследования проведены в 2015-2017 гг. в многолетнем (7 лет) полевом стационарном эксперименте Красноярского НИИСХ на территории опытно-производственного хозяйства «Минино», расположенного в 1 км от г. Красноярск (географические координаты: 56° 06' 44'' с.ш., 92° 69' 82'' в.д.). Схема эксперимента предусматривала изучение следующих вариантов основной обработки почвы: отвальная вспашка плугом ПН-4-35 на глубину 20...22 см (контроль); дискование тяжелой бороной БДМ-6 на глубину 8.10 см (минимальная обработка); без основной обработки - прямой посев (N0-111!, или «нулевая» обработка). Работа выполнена в севообороте пар - пшеница - ячмень - овес. Высевали сорта пшеницы Новосибирская 29, овса Саян, ячменя Буян.

Перед посевом зерновых культур общим фоном по всем полям севооборота и по всем вариантам обработки вносили аммиачную селитру из расчета сеялкой СЗ-3,6. Посев осуществляли сеялкой СЗС-2,1 на глубину 5.6 см. Повторность 3-кратная.

Почва экспериментального участка представлена среднемощным среднесуглинистым обыкновенным

черноземом. Реакция почвенного раствора варьировала от нейтральной до слабощелочной (рН 7,1.7,8). Содержание гумуса в пахотном слое в среднем составляло 3,93 %, подвижного фосфора - 30.50 мг/кг, калия -190.230 мг/кг, сумма обменных оснований - 40,0.45,2 мг-экв./100 г, предельная полевая влагоемкость в метровом слое - 323 мм.

По данным метеостанции «Минино», период вегетации в 2015 г. был недостаточно влажным, в 2016 г. - избыточно влажным, в 2017 г. - влажным (табл. 1).

Таблица 1. Гидротермический режим в годы исследования с мая по август, по данным АМС «Минино»

Годы Сумма активных температур, °С Сумма осадков, мм ГТК Характеристика вла-гообеспечен-ности

Норма 1650,0 183,0 1,11 недостаточно влажный

2015 2004,2 190,2 0,95 недостаточно влажный

2016 1845,5 293,4 1,59 избыточно влажный

2017 2029,5 299,0 1,47 влажный

При проведении исследований определяли активность ферментов класса гидролаз - инвертазы, урезы и фосфатазы, и класса оксидоредуктаз - каталазы и дегидрогеназы. Для изучения биологической активности почвы в каждом повторении каждого варианта отбирали смешанные почвенные образцы в слое 0.20 см методом конверта из 5 точек в фазы кущения, трубкования и перед уборкой яровых зерновых. Одновременно отбирали образцы из целинного аналога почвы. Всего за период исследования в лабораториях при Кемеровском ГУ проанализировано 270 почвенных проб.

Активность каталазы (АК - см3 О2 на 1 г за 1 мин), фосфатазы (АФ - мг Р205 на 10 г за 1 ч) и уреазы (АУ - мг NH4 на 10 г за 24 ч) определяли по методикам Галстяна, инвертазы (АИ - мг глюкозы на 1 г за 24 ч) и дегидрогеназы (АД - мг ТТФ на 10 г за 24 ч) - по методам Галстяна в модификации Хазиева [11].

Статистическая обработка данных, включая среднестатистические показатели и корреляционный анализ, выполнена с использованием программы БТАИБТЮА 6.0.

Результаты и обсуждение. Известно, что наибольшему воздействию при сельскохозяйственном использовании подвержены верхние горизонты агрогенных почв [12]. Результаты наших исследований показали, что систематическое сельскохозяйственное использование чернозема обыкновенного в ОПХ «Минино» привело к ухудшению биохимических параметров пахотного горизонта. Биологическая активность целинного аналога в течение вегетационного периода была выше, чем на опытном поле, независимо от варианта обработки и возделываемой культуры (табл. 2). Среднее содержание гумуса в слое 0.20 см целинного аналога составляло 6,68 %, на опытном участке - в 1,7 раза ниже. Уменьшение запасов гумуса и снижение биологической активности в пахотных почвах связано с сокращением поступления растительных остатков, а также с усилением процессов минерализации, эрозии и дефляции, вследствие механической обработки [13, 14].

В наших исследованиях в варианте с традиционной технологией обработки почвы снижение запасов гумуса составило 1,25 т/га, тогда как на фонах с минимальной обработкой и прямым посевом установлено их увеличение на 0,59 и 2,66 т/га соответственно [15].

Таблица 2. Ферментативная активность и содержание гумуса в почве под культурами в зависимости от приема обработки, 2015-2017 гг.

Культура Прием обработки Ферментативная активность Гумус, %

АК 1 АУ АД 1 АФ 1 АИ

Пшеница вспашка (контроль) 4,20 15,1 19,5 4,64 16,1 3,83

дискование (минимальная) 4,23 16,6 21,6 5,31 17,6 3,94

без обработки (no-till) 4,01 16,2 20,4 4,99 16,7 4,01

Овес вспашка (контроль) 4,41 15,0 18,7 4,77 15,7 3,83

дискование (минимальная) 4,01 16,7 21,5 5,19 17,3 3,94

без обработки (no-till) 3,72 16,7 20,2 4,87 16,9 4,01

Ячмень вспашка (контроль) 4,39 14,9 18,8 4,69 15,0 3,83

дискование (минимальная) 4,06 16,7 21,1 5,31 17,5 3,94

без обработки (no-till) 3,71 15,9 19,8 5,25 17,3 4,01

Целинный аналог 4,53 22,4 28,8 7,18 27,8 6,68

HCP05 0,46 1,5 1,5 0,46 0,9 0,23

На ферментативную активность почвы оказывают влияние фаза вегетации, способ обработки и возделываемые культуры. Систематическая обработка почвы при сельскохозяйственном использовании не привела к существенному снижению активности каталазы. Величина этого показателя в почве целинного аналога превосходила уровень в почве опытного поля не более чем на 10 %. Существенное уменьшение активности каталазы отмечено в варианте с прямым посевом, что связано с уплотнением почвы и ухудшением условий для развития аэробной микрофлоры. Как следствие - снижалась продуктивность культур. Уровень их урожайности зависел не только от содержания гумуса и активности ферментов. Более существенное влияние оказывала засоренность посевов, которая при минимизации обработки почвы увеличивалась, особенно при No-till. Подуктивность севооборота при прямом посеве была на 9,4 % ниже, чем в контроле, и на 5,8 % ниже, чем при минимальной обработке почвы.

Рассматриваемые ферменты имеют в основном микробное происхождение, поэтому при снижении механической нагрузки на почву отмечается увеличение общей биогенности и активности уреазы [16]. В наших исследованиях активность уреазы под влиянием отвальной обработки снизилась на 31,7 %.

Значительному изменению в пахотных почвах подвергается дегидрогеназа. Уменьшение ее активности, в зависимости от варианта обработки почвы, достигает 25.. .34 %. Самая низкая в опыте величина этого показателя отмечена в варианте с отвальной вспашкой.

Минимализация и отсутствие обработки позволили накопить на поверхности и в верхнем слое почвы 9.13 т/га астительных остатков и измельченной соломы. В среднем в них содержится 0,89 % азота, 0,34 % фосфора и 0,33 % калия. Для большинства микроорганизмов органическое вещество служит основным источником энергии и питательных веществ, поэтому при минимизации обработки биологическая активность почвы возрастает.

Систематическое сельскохозяйственное использование чернозема опытного поля привело к снижению активности фосфатазы в среднем на 30 %. Самая низкая в опыте величина этого показателя отмечена на фоне отвальной вспашки.

Сейчас нет универсальных показателей экологического состояния агрогенных почв. Для сравнительной оценки пригодности параметров биологической активности и содержания гумуса с целью диагностики и мониторинга экологического состояния агрогенных почв мы рассчитали чувствительность, точность и сложность анализов для их определения по десятибальной системе (чем выше балл, тем более пригоден пока-

затель). Чувствительность изученных биохимических показателей определяли по степени их снижения в почве по вариантам опыта, выраженной в процентах по отношению к целинному аналогу, точность - по величине относительной ошибки в процентах от средней, сложность - по количеству операций и вытекающему из этого возможному числу анализов в стуки.

Наиболее чувствительным биохимическим показателем была инвертазная активность (табл. 3), самыми точными - инвертазная и каталазная активность (табл.

4), наименее сложным - каталазная активность (табл.

5).

Таблица 3. Степень чувствительности активности ферментов чернозема обыкновенного, % от целинного аналога

Показатель Чувствител-ность, % от целинного аналога Оценка чувствительности, балл

Каталаза 90,12 6,0

Уреаза 71,33 8,5

Дегидрогеназа 70,39 9,0

Инвератаза 60,14 9,5

Фосфатаза 73,28 8,5

Гумус 58,78 10,0

При этом самым информативным показателем состояния агрогенных почв благодаря доступности определения и высокой чувствительности анализа признано содержание гумуса. Для изменения этого параметра требуется длительное время. Поэтому содержание и запасы гумуса пригодны для долгосрочной диагностики сельскохозяйственного использования при определении 1 раз за 5.10 лет. Для оперативной диагностики этот показатель малопригоден в силу своей большой консервативности.

Таблица 4. Точность определения биохимических показателей

Ошибка Коэффици- Точ-

определе- ент вариа- ность

Показатель ния ции опреде-

% балл % балл ления, балл

Каталаза 9,75 9 16,48 8 8,5

Уреаза 13,32 8 25,12 7 7,5

Дегидрогеназа 16,25 7 19,48 8 7,5

Инвератаза 7,34 9 13,66 8 8,5

Фосфатаза 15,80 7 19,70 8 7,5

Гумус 4,35 10 13,40 8 9,0

Активность ферментов, за исключением каталазы, -достаточно чувствительный биохимический показатель. Благодаря высокой точности, доступности и простоте определения, они могут служить важными диагностическими критериями экологического состояния агро-

Таблица 5. Сложность определения биохимических показателей

Показатель Количество операций Анализов в сутки Сложность определения, балл

кол-во балл анализов балл

Каталаза 3 10 100 10 10,0

Уреаза 6 8 40 4 6,0

Дегидрогеназа 9 6 40 4 5,0

Инвератаза 9 6 40 4 5,0

Фосфатаза 6 8 50 5 6,5

Гумус 5 9 50 5 7,0

генных почв. Наиболее чувствительный биохимический показатель для диагностики экологического состояния почв - инвертаза. Высокая информативность величины инвертазной активности связана с ее прямолинейной

корреляционной зависимостью с содержанием органического вещества (г = 0,84).

Выводы. Сельскохозяйственное использование чернозема обыкновенного ОПХ «Минино» привело к снижению параметров его ферментативной активности в пахотном слое, по сравнению с целинным аналогом, на 25.40 %. Наибольшее негативное воздействие испытывает инвертаза. Активность фосфатазы, дегидрогеназы и уреазы снизилась на 25.34 %. Уменьшения активности каталазы не отмечено. Повышению активности изучаемых ферментов способствует минимализация обработки почвы.

С учетом чувствительности, точности и сложности определения, в качестве оперативных показателей эколого-биологического состояния агрогенных почв предлагается использовать активность дегидрогеназы, инвертазы, уреазы и фосфатазы.

Литература.

1. Хазиев Ф. Х. Почва и экология // Вестник Академии наук РБ. 2017. Т. 24. № 3. С. 29-38

2. Кудеяров В. Н. Оценка питательной деградации пахотных почв России // Вестник Российской академии наук. 2015. Т. 85. № 9. С. 771-775.

3. Stockdale E. A., Watson C. A. Biological indictors of soil quality in organic farming systems // Renewable Agriculture and Food Systems. 2009. Volume 24. P. 308-318.

4. Методы биодиагностики наземных экосистем / К. Ш. Казеев, С. И. Колесников, Ю. В. Акименко и др. Ростов-на-Дону: Изд-во ЮФУ, 2016. 356 с.

5. Казеев К. Ш., Колесников С. И. Биодиагностика почв: методология и методы исследований. Ростов-на-Дону: Изд-во ЮФУ, 2012. 260 с.

6. Gianfreda L., Rao M. A. The Influence of Pesticides on Soil Enzymes // Soil Enzymology. Soil Biology. 2011. Volume 22. P. 293-312.

7. Influence of crop rotation, intermediate crops, and organic fertilizers on the soil enzymatic activity and humus content in organic farming systems/A. Marcinkeviciene, V. Boguzas, S. Balnyte and et al.// Eurasian Soil Sci. 2013. Volume 46. P. 198-203.

8. Utobo E.B., Tewari L. Soil enzymes as bioindicators of soil ecosystem status // Applied Ecology and Environmental Research. 2015. Vol. 13. № 1. Р. 147-169.

9. Micuti M. M., Badulescu L., Israel-Roming F. A review on the enzymatic indicators for monitoring soil quality// Scientific Bulletin. Series F. Biotechnologies. 2017. Vol. 21. P. 223-228.

10. Влияние распашки на биохимические свойства черноземов юга России/Е. В. Даденко, К. Ш. Казеев, С. И. Колесников и др. Ростов-на-Дону, 2015. 116 с.

11. Хазиев Ф. Х. Методы почвенной энзимологии. М.: Наука, 2005. 252 с.

12. Биологическая активность чернозема обыкновенного при длительном использовании под пашню / Е. В. Даденко, М. А. Мясникова, К. Ш. Казеев и др. // Почвоведение. 2014. № 6. С. 724-733.

13. Шарков И. Н., Самохвалова Л. М., Мишина П. В. Изменение органического вещества чернозема выщелоченного при минимизации обработки в лесостепи Западной Сибири // Почвоведение. 2016. № 7. С. 892-899.

14. Семёнов В. М., Когут Б. М. Почвенное органическое вещество. М.: ГЕОС, 2015. 233 с.

15. Заушинцена А. В., Романов В. Н., Кожевников Н. В. Влияние ресурсосберегающих способов основной обработки чернозема обыкновенного на показатели общей биологической активности и урожайность зерновых культур// Самарский научный вестник. 2018. Т. 7. № 3 (24). С. 41-48.

16. Кожевников Н. В., Заушинцена А. В., Романов В. Н. Влияние ресурсосберегающих технологий основной обработки на ферментативную активность чернозема обыкновенного Красноярской лесостепи // Самарский научный вестник. 2018. Т. 7. № 4 (25). С. 49-56.

ИНФОРМАЦИЯ

Минсельхоз представил итоги реализации в 2018 г. госпрограммы развития АПК

Статс-секретарь - заместитель Министра сельского хозяйства России Иван Лебедев выступил с докладом о результатах реализации в 2018 г. Госпрограммы развития сельского хозяйства и регулирования рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия на 2013-2020 гг. на выездном заседании комитета Совета Федерации по аграрно-продовольственной политике и природопользованию, которое состоялось в Республике Калмыкия.

По словам Ивана Лебедева, в последние годы отрасль поступательно развивается. В 2018 г. индекс производства сельхозпродукции составил 107,2 %, по отношению к 2015 г., что выше целевого показателя госпрограммы. Рентабельность сель-хозорганизаций достигла 12,5 %, а среднемесячная заработная плата работников в сельском хозяйстве на 26 % превысила плановое значение.

В прошлом году на реализацию госпрограммы было выделено 254,1 млрд рублей бюджетных ассигнований. Основная часть этих средств направлена на стимулирование инвестиционной деятельности и развитие отраслей АПК.

Важным итогом работы ведомства в 2018 г. стало выполнение основных показателей доктрины продовольственной безопасности. Достигнуты или превышены пороговые значения по таким направлениям, как зерно, сахар, растительное масло, мясо и мясопродукты.

При этом динамично развивается торговля продукцией АПК с иностранными государствами. По сравнению с 2017 г., товарооборот с ними увеличился почти на 10 %.

По материалам Пресс-службы Минсельхоза России