Особенности ферментативных процессов почв лесных питомников Красноярского края

УДК 630.232.32 Н.В. Фомина

ОСОБЕННОСТИ ФЕРМЕНТАТИВНЫХ ПРОЦЕССОВ ПОЧВ ЛЕСНЫХ ПИТОМНИКОВ КРАСНОЯРСКОГО КРАЯ

В статье приведены показатели ферментативной активности почв лесных питомников Красноярского края. Установлены особенности протекания ферментативных процессов в данных почвах. Определены средние уровни активности окислительных и гидролитических ферментов. Результаты исследования входят в систему интегральной эколого-микробиологической оценки почв лесопитомников Средней Сибири.

Введение. В настоящее время установлено, что биологическая активность является важным фактором плодородия почв и чувствительным агрономическим и экологическим индикатором. В результате исследование биологической активности почв является одним из возможных и достоверных способов оценки состояния, как естественных, так и агрогенно преобразованных почв. До сих пор одной из актуальных задач в области биохимических и микробиологических исследований остается поиск новых методов и путей, позволяющих более детально изучить все многообразие процессов, протекающих в почве. Основным показателем устойчивости почвы к неблагоприятным воздействиям является почвенная биота. Однако определение лишь общей численности микроорганизмов и соотношения, представленных в ней эколого-трофических групп, недостаточно для понимания функций, выполняемых микроорганизмами в почве и направленности почвообразовательного процесса [3; 6; 11].

Согласно исследованиям Галстяна (1974), Хазиева (1990) и других, ферментативная активность находится в функциональной зависимости от биологического состояния почвы, поэтому правомерно использовать активность некоторых ферментов (чаще оксидоредуктаз и гидролаз) в качестве индикаторов состояния различных типов почв. Химическая и биологическая обработка почв, проводимая в лесных питомниках (внесение удобрений, химических и биологических фунгицидов), а также агротехнические мероприятия, существенно изменяют условия развития микроорганизмов, что сразу же отражается на напряженности биодинамических процессов в почве и активности почвенных ферментов.

Лесные питомники являются поставщиками посадочного материала для лесовосстановления. В нашем регионе почвы лесных питомников Красноярского края изучены с точки зрения установления видового состава фитопатогенных микромицетов и их токсических свойств [4], влияния химических и биологических фунгицидов на численность и структуру микробных популяций сеянцев Pinus sylvestris L. [14], есть также экологическая характеристика некоторых лесных питомников, расположенных на территории Красноярского края [2]. В едином аспекте рассмотрен вопрос влияния биоконтрольных штаммов на биологическую активность и структуру микробоценоза [7]. Однако изучение широкого спектра ферментов в почвах под различными видами сеянцев хвойных в лесопитомниках, расположенных в различных биоклиматических условиях, отсутствуют, поэтому актуальность проблемы очевидна.

Объекты и методы исследования. Объектом исследования являлись образцы почвы, отобранные на полях с посевами сеянцев сосны обыкновенной (Pinus sylvestris Ledeb), ели обыкновенной (Picea obovata Ledeb) и сосны сибирской (Pinus sibirica Du Tour), выращиваемых в лесных питомниках Красноярского края. Исследования проводились с 2003 по 2006 год. Определение каталазы проводили по методу Джонсона и Темпле (1964), аскорбатоксидазы методом титрования по Галстяну и Марукяну (1973), пероксидазы (ПО) и полифенолоксидазы (ПФО) по Галстяну (1974) в модификации Чундеровой. Подсчет коэффициента накопления гумуса проводили по формуле К = (ПФО / ПО) х 100, % [13]. Активность протеазы определяли по методу Гоффманна и Тейхера (1957), уреазы по методике Щербаковой (1983), инвертазы по Гоффманну и Паллауфу (1965). Все методы определения ферментативной активности были взяты из сборника [11].

Результаты и обсуждение. На протяжении всего периода исследования активность ферментов в почвах лесных питомников, как и численность микроорганизмов, подвержена колебаниям, увеличение активности оксидаз и гидролаз происходило к июлю-августу месяцу, что сопряжено с интенсивной микробиологической деятельностью. Каталаза - это фермент, при участии которого происходит разложение перекиси водорода, накапливающейся в почве как побочный продукт биохимических процессов. Кроме того, выделя-

ясь микроорганизмами в окружающую среду, она обладает высокой устойчивостью и может накапливаться и длительное время сохраняться в почве [8; 10].

Каталазную активность почв можно рассматривать как показатель функциональной активности микрофлоры в различных экологических условиях. Наиболее высокие средние показатели активности данного фермента определены в почве под сеянцами Pinus sylvestris L., Picea obovata L. и Pinus sibirica Du Tour в Ермаковском лесопитомнике - 0,26 и 0,24 мл 0,1 н. KMnO4 /г сухой почвы. В аналогичных опытных вариантах в Мининском и Маганском лесопитомниках активность каталазы ниже и составляла в среднем 0,23, 0,21 и

0,22 мл 0,1 н. KMnO4, в первом и во втором соответственно 0,23 и 0,20 мл 0,1 н. KMnO4 /г почвы (табл.). Анализируя полученные результаты, можно отметить, что более высокая активность каталазы в почве Ермаков-ского лесопитомника, скорее всего, это обусловлено лучшими условиями водно-воздушного режима, напрямую связанного с агротехническими мероприятиями.

На протяжении всего периода вегетации сеянцев хвойных изменение активности каталазы соответствовало общей динамике активности других ферментов. Максимальные значения отмечались в июле-августе, а минимальные в основном в сентябре месяце, исключение - это вариант почвы под сеянцами Pinus sylvestris L. в Ермаковском лесопитомнике (2005-2006 гг.), где наибольшие значения активности каталазы регистрировались в июне месяце.

Активность таких ферментов, как полифенолоксидаза (ПФО) и пероксидаза (ПО), служет показателем, определяющим направленность процессов превращения гумусовых веществ почвы [13]. Поэтому при исследовании ферментативной активности почв лесных питомников изучению этих ферментов было уделено особое внимание. Фермент полифенолоксидаза играет важную роль в процессе гумификации, а именно, при окислении фенольных соединений до хинонов и воды при участии кислорода. Данный процесс очень важен при конденсации структурных единиц гумусового вещества. Пероксидаза же, в свою очередь, наоборот катализирует процесс минерализации гумуса. Как отмечают ряд авторов [1; 9; 12-13], более высокая активность фермента полифенолоксидазы характерна для высокогумусированных и высокоокультуренных почв. Это подтверждается и нашими исследованиями, так как почвы исследуемых лесных питомников хорошо обеспечены гумусом, поэтому активность полифенолоксидазы (ПФО) во всех опытных вариантах выше пероксида-зы (ПО).

Активность ПФО в почвах Мининского и Ермаковского лесопитомников достоверно не различалась и была примерно одинакова, что, вероятно, связано с одинаковым содержанием гумуса. При этом средние показатели активности ПФО для почвы Мининского лесопитомника составляли 2,5, 2,2 и 2,1 мг пурпургалли-на /г сухой почвы под сеянцами Pinus sylvestris L., Picea obovata L. и Pinus sibirica Du Tour соответственно, тогда как в почве Ермаковского лесопитомника активность данного фермента под сеянцами Pinus sylvestris L. и Pinus sibirica Du Tour была одинакова - 2,2 мг пурпургаллина /г сухой почвы, а под Picea obovata L. -2,1 мг пурпургаллина /г сухой почвы (табл.).

В свою очередь, в почве Маганского лесопитомника содержание гумуса было определено как самое низкое, в связи с этим активность полифенолоксидазы также была ниже - 1,7 и 2,0 мг пурпургаллина /г сухой почвы под сеянцами Pinus sylvestris L. и Pinus sibirica Du Tour соответственно.

Характер изменения активности пероксидазы (ПО) в опытных вариантах был аналогичным, самые высокие значения регистрировались в почве Мининского лесопитомника, несколько ниже в почве Ермаков-ского и самые низкие в почве Маганского лесопитомника.

Исследуя изменения активности ПФО и ПО в течение вегетационного периода, определим, что максимум их активности приходился в основном на июнь-июль месяц, что соответствовало в данный период и высоким значениям гумуса, а в некоторых случаях высокая активность данных ферментов регистрировалась и в сентябре месяце.

Анализируя значения коэффициента накопления гумуса (К) установим, что наиболее благоприятные условия для гумусонакопления характерны для почвы Мининского и Ермаковского лесопитомников. При этом самый высокий коэффициент гумусонакопления был определен в почве под сеянцами Pinus sylvestris L. во втором лесопитомнике - 137%, а самые низкие коэффициенты - 113 и 118% в почве под сеянцами Pinus sylvestris L. и Pinus sibirica Du Tour в Маганском лесопитомнике (см. табл.). Полученные данные позволяет утверждать, что применение несовременных способов обработки почвы, использование тяжеловесной техники в комплексе создают неблагоприятные условия для процесса гумусонакопления.

Ферментативная активность почв лесных питомников Красноярского края

Вариант опыта, посев сеянцев Гидролитические ферменты Окислительные ферменты Коэффициент накопления гумуса, %

Уреаза, мг аммонийного азота /l0 г почвы за 4 ч Протеаза, мг аминного азота /l0 г почвы за 20 ч Инвертаза, мг глюкозы /г почвы за 24 ч Каталаза, мл 0,1 н. KMnO4/ г почвы за 20 мин Аскорбатокси-даза, мг дегид-роаскорб. к-ты за 1ч/г Пероксидаза, мг пурпургаллина за 24 ч /г Полифенолок-сидаза, мг пурпургаллина за 24 ч /г

Мининский лесопитомник

Pinus 4,7 15 l0,6 0,23 21 19 25 131

sylvestris L. 3,0-5,9 0,8-2,9 7,9-15,8 0,18-0,31 1,4-З,4 1,2-2,3 1,5-3,3 105-182

Picea 4,3 21 10,1 0,21 2^ 1Z 2,2 130

obovata L. l ,9-6,2 0,8-6,0 7,6-15,3 0,13-0,29 1,4-З,4 1,1-2,1 1,1-4,2 105-172

Pinus 3,8 1,2 10,0 0,22 2,2 1,6 21 130

sibirica Du Tour 2,0-5,2 0,7-l,8 8,0-14,7 0,16-0,30 1,4-3,1 1,2-2,0 1,5-2,8 106-192

Ермаковский лесопитомник

Pinus 4l 3,4 10,3 0,26 2,9 1,6 2,2 137

sylvestris L. l ,9-6,0 l ,0-7,8 8,1-13,6 0,19-0,34 1,9-З,7 1,1-3,0 1,1-З,З 100-213

Picea 2Z 2,9 9,9 0,26 2,9 1Z 21 123

obovata L. l ,0-4,9 0,9-5,7 8,3-13,3 0,17-0,31 1,8-З,9 1,1-2,5 1,1-4,3 85-172

Pinus 33 l,8 10,1 0,24 2,9 1,7 2,2 130

sibirica Du Tour l ,9-5,0 0,9-3,0 8,2-12,6 0,20-0,28 2,0-З,9 1,1-2,9 1,4-4,0 107-160

Маганский лесопитомник

Pinus 4,5 2,7 10,0 0,23 2,0 1,5 17 113

sylvestris L. 2,7-6,3 0,8-7,8 7,6-13,2 0,18-0,28 1,1-З,1 1,1-1,9 1,4-2,3 100-146

Pinus 3,8 2,4 9,6 0,20 1,6 1Z 20 118

sibirica Du Tour 2,5-5,8 0,9-5,0 7,3-12,8 0,16-0,24 1,0-2,5 1,3-2,4 1,4-2,6 102-145

Примечание. Над чертой среднее значение за 3 года, под чертой пределы колебаний (min - max) значения.

Наряду с изучением каталазы, пероксидазы и полифенолоксидазы из группы окислительных ферментов нами была изучена аскорбатоксидаза. В почве Мининского лесопитомника изменение ее активности имело следующую тенденцию: максимум приходился на июль-август и далее к сентябрю месяцу наблюдалось снижение, что, вероятно, связано с затуханием окислительных процессов. Аналогичной была динамика аскорбатоксидазы в почве под сеянцами хвойных, выращиваемых в Ермаковском лесопитомнике, за исключением варианта почвы под Pinus sibirica Du Tour (2004 г.), где самые высокие показатели активности аскор-батоксидазы отмечались в сентябре месяце. Это, вероятно, связано с поступлением дополнительного субстрата в результате отмирания различных частей корневой системы сеянцев к концу вегетационного периода. В отличие от двух предыдущих лесопитомников, в почве Маганского наблюдалась иная картина: наиболее высокие значения в основном регистрировались в начальный период вегетации сеянцев Pinus sylvestris L. и Pinus sibirica Du Tour (2004 и 2006 гг.), хотя в 2005 году довольно значительные показатели были установлены и в июле, т.е. в период интенсивного развития микроорганизмов.

Анализируя средние показатели активности аскорбатоксидазы, становится очевидным, что самые высокие значения характерны для почвы Ермаковского лесопитомника - 2,9 мг дегидроаскорбиновой кислоты /г абс. сух. почвы во всех опытных вариантах (см. табл.). Оптимальный гидротермический режим, достаточное количество органических веществ, хорошие агротехнические условия способствуют интенсивному протеканию окислительных процессов в данной почве. Ниже, но незначительно, показатели активности аскор-батоксидазы в почве Мининского лесопитомника - 2,4, 2,3 и 2,2 мг дегидроаскорбиновой кислоты /г сухой почвы под сеянцами Pinus sylvestris L., Picea obovata L. и Pinus sibirica Du Tour соответственно. Самые низкие значения отмечались в опытных вариантах Маганского лесопитомника - 2,0 и 1,6 мг дегидроаскорби-новой кислоты /г сухой почвы, что, скорее всего, обусловлено более низкими темпами окислительных процессов.

Действие фермента протеазы направлено в основном на мобилизацию органических компонентов почвы. При анализе активности протеазы установлено, что ее динамика сопоставима с изменением численности амонификаторов и в соответствии с ней самый низкий уровень протеолитической активности был определен в почве Мининского лесопитомника 1,5, 2,1 и 1,2 мг аминного азота / 10 г сухой почвы под сеянцами Pinus sylvestris L., Picea obovata L. и Pinus sibirica Du Tour. В аналогичных опытных вариантах Ермаковского лесопитомника активность протеазы была несколько выше - 3,4, 2,9 и 1,8 мг аминного азота / 10 г сухой почвы. По сравнению с почвой предыдущих лесопитомников под сеянцами Pinus sylvestris L. в Маганском активность протеазы была ниже, чем в почве Ермаковского, но выше, чем в Мининском - 2,7 мг аминного азота / 10 г сухой почвы. В свою очередь, под сеянцами Pinus sibirica Du Tour по сравнению с тем же вариантом в двух других лесопитомниках активность протеазы была самой высокой - 2,4 мг аминного азота / 10 г сухой почвы, что также соответствовало высокой численности аммонификаторов. Анализ динамики активности протеазы показал, что интенсивность протеолитических процессов в почве Ермаковского лесопитомника имеет тенденцию увеличения в начальный период вегетации сеянцев хвойных - это почва под посевами сеянцев Picea obovata L. (2005 г.), Pinus sylvestris L. и Pinus sibirica Du Tour (2006 г.), за исключением варианта почвы под сеянцами Pinus sylvestris L (2004-2005 гг.), тогда как в Мининском и Маганском пик активности приходится в основном на июль месяц (рис. 1-3). Недостаток азота в эти периоды способствовал интенсификации процессов реутилизации азота и, как следствие, приводил к увеличению активности протеазы.

Из группы гидролитических ферментов в почвах лесопитомников также была изучена уреаза, активность которой связана с азотным обменом. Наиболее высокие значения данного фермента были определены в почве Мининского и Маганского лесопитомников. При этом средние показатели в почве под сеянцами Pinus sylvestris L., Picea obovata L. и Pinus sibirica Du Tour в первом лесопитомнике составили 4,7, 4,3 и 3,8 мг аммонийного азота / 10 г сухой почвы и 4,5 и 3,8 мг аммонийного азота / 10 г сухой почвы во втором питомнике под сеянцами Pinus sylvestris L. и Pinus sibirica Du Tour соответственно. По сравнению с ними активность уреазы в аналогичных опытных вариантах в Ермаковском лесопитомнике ниже - 4,1, 2,7 и 3,3 мг аммонийного азота / 10 г сухой почвы.

В течение вегетационного периода ее активность увеличивалась преимущественно в июле-августе месяце и лишь под сеянцами Pinus sibirica Du Tour (2006 г.) - Маганский лесопитомник - и под Pinus sylves-tris L. (2005г.) - Ермаковский лесопитомник - активность была довольно высокой в июне и в сентябре месяце. Согласно шкале [5], исследуемые почвы относятся к группе бедных, очевидно, гидротермические и трофические условия данных почв не благоприятствуют активности данного фермента.

А

20

18

1б

14

12

10

8

б

4

2

0

m, н п

VI VII VIII IX VI VII VIII IX VI VII VIII IX

2004 г. 2005 г. 200б г.

- 45

- 40 -- 35

- 30 25 20 15 10 5 0

45

40

З5

З0

25

20

15

10

5

0

=11

М2

^3 — 4 ---5

Б

Рис. 1. Динамика гидролаз в почве Мининского лесного питомника: А - посевы сеянцев Pinus sylvestris L.;

Б - посевы сеянцев Picea obovata L.; В - посевы сеянцев Pinus sibirica Du Tour; 1 - инвертаза, мг глюкозы I г почвы за 24 ч; 2 - протеаза, мг аминного азота I10 г почвы за 20 ч; 3 - уреаза, мг аммонийного азота I10 г почвы за 4 ч; 4 - температура почвы, 0С; 5 - влажность почвы, %

А

40

З0 1=11

20 ^2

10

^З

0

- — . 4

♦ 5

Б

40

20

15

10

5

0

1 2  З

- 4 5

В

Рис. 2. Динамика гидролаз в почве Ермаковского лесного питомника: А - посевы сеянцев Pinus sylvestris L.; Б - посевы сеянцев Picea obovata L.; В - посевы сеянцев Pinus sibirica Du Tour; 1 - инвертаза, мг глюкозы г почвы за 24 ч; 2 - протеаза, мг аминного азота I10 г почвы за 20 ч; 3 - уреаза, мг аммонийного азота I10 г почвы за 4 ч; 4 - температура почвы, 0С; 5 - влажность почвы, %

А

35

30

25

20

15

10

5

0

=11 = 2 3

- 4 ---5

25

20

15

10

5

0

Рис. 3. Динамика гидролаз в почве Маганского лесного питомника: А - посевы сеянцев Pinus sylvestris L.; Б - посевы сеянцев Pinus sibirica Du Tour; 1 - инвертаза, мг глюкозы /г почвы за 24 ч; 2 - протеаза, мг аминного азота /10 г почвы за 20 ч; 3 - уреаза, мг аммонийного азота /10 г почвы за 4 ч; 4 - температура

почвы, 0С; 5 - влажность почвы, %

Инвертаза является гидролитическим ферментом, определяющим мобилизацию легкогидролизуемого углевода сахарозы, расщепляя ее на эквимолярные количества глюкозы и фруктозы. Ее активность считают характерным показателем генетической принадлежности и биологической активности почв [10]. Средняя активность инвертазы, а также характер ее сезонного и годового изменения в вариантах исследования почв лесных питомников, достоверно не различался и был примерно одинаковым. В Мининском лесопитомнике в почве под сеянцами Pinus sylvestris L., Picea obovata L. и Pinus sibirica Du Tour средние показатели активности инвертазы составляли 10,6, 10,1 и 10,0 мг глюкозы /г сухой почвы соответственно. Однако в Ермаков-ском лесопитомнике в вариантах под сеянцами Pinus sylvestris L. и Picea obovata L. активность инвертазы была ниже - 10,3 и 9,9 мг глюкозы /г сухой почвы, а под сеянцами Pinus sibirica Du Tour выше - 10,1 мг глюкозы /г сухой почвы.

Показатели активности данного фермента в почве под сеянцами Pinus sylvestris L и Pinus sibirica Du Tour, выращиваемых в Маганском лесопитомнике, была ниже, чем в соответствующих вариантах в Мининском лесопитомнике, - 10,4 и 9,8 мг глюкозы /г сухой почвы, но выше чем под сеянцами Pinus sylvestris L., выращиваемых в Ермаковском лесопитомнике (см. табл.). Динамика инвертазы в течение вегетационного периода сеянцев хвойных в почве трех лесопитомников была аналогичной: высокие показатели регистрировались в июне-июле и далее наблюдалось снижение к сентябрю месяцу (см. рис. 1-3).

В течение трехлетнего периода исследования отмечалась отчетливая динамика снижения активности инвертазы от 2004 к 2006 году, которая соответствовала среднегодовому изменению содержания гумуса в исследуемых вариантах почв. Такие показатели в данном случае, вероятно, определяют наличие достаточного количества легкогидролизуемых углеводов и оптимальные показатели влажности, что в комплексе создает благоприятные условия для протекания гидролитических процессов. Резюмируя, можно отметить, что напряженность биологических процессов в почвах лесных питомников Красноярского края зависит как от особенностей самих почв, так и от температуры и содержания отдельных питательных элементов.

Литература

1. Андреева, Е.К. Фермент пероксидаза / Е.К. Андреева. - М.: Наука, 1986. - 176 с.

2. Воробьева, Т.Н. Экологическое состояние почв лесных питомников Красноярского края: автореф.

дис. ... канд. биол. наук / Т.Н. Воробьева. - Красноярск, 2000. - 19 с.

3. Галстян, А.Ш. Ферментативная активность почв Армении / А.Ш. Галстян. - Ереван-Айастан, 1974. - 275 с.

4. Громовых, Т.И. Биологический контроль болезней сеянцев хвойных в лесных питомниках Средней Сибири / Т.И. Громовых, Ю.А. Литовка, О.Н. Андреева. - Красноярск: Изд-во СибГТУ, 2005. - 264 с.

5. Звягинцев, Д.Г. Биологическая активность почв и шкалы для оценки некоторых ее показателей

/ Д.Г. Звягинцев // Почвоведение. - 1978. - № 6. - С. 48-54.

6. Козлов, К.А. Биологическая активность почвы / К.А. Козлов // Изв. АН СССР. Сер. биол. - 1966. - № 5. -С. 719-733.

7. Литовка, Ю.А. Влияние биоконтрольных штаммов Trichoderma asperellum, Bacillus subtilis и Pseudomonas fluorescens на биологическую активность и структуру микробоценоза почвы / Ю.А. Литовка,

Т.И. Громовых, В.М. Гукасян // Сиб. экол. журн. - 2002. - № 3. - С. 371-376.

8. Петерсон, Н.В. Определение активности каталазы почв / Н.В. Петерсон, Е.К. Курыляк, Е.К. Франчук // Микробиол. журн. - 1984. - Т.46. - № 2. - С. 85-87.

9. Полонская, Д.Е. Микробиологические процессы и эффективное плодородие почв в агроценозах

Красноярской лесостепи / Д.Е. Полонская. - Красноярск: Изд-во КрасГАУ, 2002. - 102 с.

10. Славнина, Т.П. Биологическая активность почв Томской области / Т.П. Славнина, Л.И. Инишева. -Томск: Изд-во ТГУ, 1987. - 212 с.

11. Хазиев, Ф.Х. Некоторые свойства гумус-пероксидазного комплекса / Ф.Х. Хазиев, А.Е. Гулько // Почвоведение. - 1990. - № 2. - С. 30-36.

12. Хазиев, Ф.Х. Методы почвенной энзимологии / Ф.Х. Хазиев. - М.: Наука, 1990. - 188 с.

13. Чундерова, А.И. Активность полифенолоксидазы и пероксидазы в дерново-подзолистых почвах / А.И. Чундерова // Почвоведение. - 1970. - № 1. - С. 22-28.

14. Шилкина, Е.А. Эколого-биологическое обоснование использования фунгицидов в защите сеянцев Pinus sylvestris L. от фитопатогенных микромицетов: автореф. дис. ... канд. биол. наук / Е.А. Шилкина. -Красноярск, 2004. - 18 с.

---------♦'----------

УДК 634.948:582.475 Ю.В. Горбунова

БАЛАНС УГЛЕРОДА В КУЛЬТУРАХ СОСНЫ ТЕХНОГЕННЫХ ЛАНДШАФТОВ

В статье показано, что культуры сосны на хаотичных смесях отвалов к 20-летнему возрасту накапливают значительные количества углерода в основных блоках экосистем, способны выполнять биосферные и средообразующие функции.

Лесным экосистемам принадлежит ведущее место в стабилизации природной среды. До недавнего времени потоки углерода в системе атмосферно-биосферных связей беспрепятственно регулировались растительным покровом. Но трансформация растительного покрова вследствие пожаров, рубок леса, эрозионных процессов, а также отчуждение естественных земель под промышленные объекты, угольные разрезы и