Фосфатазная активность чернозёма выщелоченного и режим фосфатов в стационарном опыте

Фосфатазная активность чернозёма выщелоченного и режим фосфатов в стационарном опыте

К.Е. Стекольников, д.с.-х.н., профессор, А.В. Комова,

магистрант, ФГБОУ ВО Воронежский ГАУ

Одним из необходимых для растений макроэлементов является фосфор, но в отличие от азота и калия он гораздо меньше используется ими из почвы и удобрений. Коэффициент использования фосфора варьирует в очень узком диапазоне и составляет для разных растений 7—21%. В науке и практике давно утвердилось мнение, что дефицит азота определяет уровень плодородия чернозёмов. Вместе с тем ещё в первой половине XX в. академик Д.Н. Прянишников отмечал, что в чернозёмах имеется «... большой запас азота, пока хватит и калия: нужно добавить только один элемент — фосфор, чтобы обновить чернозём, истощённый многовековой культурой без удобрений». Стоит вспомнить и мнение академика А.Е. Ферсмана: «Фосфор — «элемент жизни и мысли» — он будет нужен человечеству всегда, и это необходимо иметь в виду, как сегодня, так и особенно в будущем». Однако запасы фосфорного сырья исчерпаемы в отличие от углеводородов, новые месторождения которых открывают и в настоящее время. Ситуация с мировой потребностью в фосфоре определяется сейчас двумя фактами: потребностью в фосфоре любого человеческого организма и его фактическим уровнем использования в современном сельском хозяйстве.

Материал и методы исследования. Фосфатазы относятся к группе ферментов, катализирующих гидролиз ортофосфорных эфиров различных спиртов и фенолов, фосфорорганических соединений, составляющих 20—80% всех запасов фосфора почвы. Фосфатазы осуществляют биохимическую мобили-

зацию органического фосфора — он переводится в доступные для растений формы. Гидролиз идёт по фосфорно-эфирным связям с отщеплением остатков ортофосфорной кислоты. В почве присутствуют кислые (оптимум рН 4,5—5,5) и щелочные (оптимум рН 8,9—9,6) фосфатазы, гидролизующие моноэфиры с образованием минерального фосфора и органического радикала субстрата.

Исследование выполнено в 2012—2016 гг. на стационаре кафедры агрохимии, заложенном в 1987 г. на опытной станции Воронежского ГАУ. Основная характеристика почвы стационара и схема опыта описаны подробно в ранее опубликованных работах [1]. Опыт включал 15 вариантов. Размещение делянок двухъярусное систематизированное. Все культуры севооборота выращивались с учётом агротехнических требований их возделывания в условиях Воронежской области. Минеральные удобрения вносились ежегодно под культуры севооборота. Применялась аммиачная селитра, двойной суперфосфат, хлористый калий. Навоз и дефекат вносили один раз за ротацию севооборота под сахарную свёклу.

Дефекат в дозе 28 т/га был внесён в чёрном пару под озимую пшеницу в 1987 г. и повторно в дозе 20 т/га в 1999 г. (начало третьей ротации севооборота) на 13 и 15 вариантах. В 2005 г. (начало четвёртой ротации севооборота) было внесено по 22 т/га дефеката на тех же вариантах. В 2011 г. в паровом поле были внесены только навоз — 40 т/га и минеральные удобрения по схеме опыта. Дефекат не вносился. Поэтому новая ротация севооборота началась без внесения дефеката, что, несомненно, сказалось на динамике почвенных процессов.

Как и в предыдущие годы, для проведения исследования были выбраны шесть вариантов: 1 — контроль абсолютный, 2 — контроль фон (40 т/га навоза), 3 — фон + ^„Р^К^, 5 — фон + ^20Р120К120, 13 — фон + 21 т/га дефеката, 15 — фон + дефекат + :К60Р60К60-

Образцы почвы отбирали в июле послойно с шагом 20 см до глубины 1 м. В образцах почвы определяли водорастворимый фосфор по методу Шахтшабеля, подвижные и обменные формы фосфора — по методу Брейя — Куртца, активность фосфатазы, нейтральной, кислой и щелочной [2]. Водорастворимый фосфор является самой доступной его формой, но на практике его определяют достаточно редко. Методом Брейя — Куртца извлекаются подвижные и обменные фосфаты при достаточно низком соотношении почва:раствор, равном 1:7. В методах определения подвижных форм это соотношение достигает 1:20 и более. При этом используются достаточно жёсткие экстрагенты, что, по нашему мнению, приводит к завышенным результатам. Метод Брейя — Куртца рекомендован для анализа кислых, нейтральных и карбонатных почв, что обусловило его использование в исследовании. Ведь изучаемая почва в исходном состоянии имела повышенную кислотность, а в ходе опыта она смещалась как в более кислый диапазон на вариантах абсолютного контроля и с удобрениями, так и в подщелачивание — на вариантах с дефекатом.

Результаты исследования. В своё время на основе анализа многочисленных данных по соотношению С^:Р в почвах и по зависимости фосфатазной активности почв от концентрации минерального ортофосфата была предложена концепция биохимической минерализации фосфора [3]. Согласно

этой концепции фосфорорганические соединения могут минерализоваться независимо от углерода и азота в результате действия фосфатаз корневых систем растений, активность которых контролируется концентрацией лабильных минеральных фосфатов. Фосфатазы продуцируются при недостатке фосфора и ингибируются при повышении его доступности. Из представленной ранее классической схемы выделяют несколько факторов и составляющих процесса поглощения фосфора почвами [4], для нас интересен последний — поглощение фосфат ионов глинистыми и неглинистыми алюмо-железосиликатами на внешней и внутренней поверхности минералов. Эту возможную связь мы можем косвенно подтвердить коэффициентами корреляции.

В таблице 1 приведены данные определений активности фосфатазы по вариантам опыта за ротацию 6-польного севооборота.

Как уже было отмечено выше, фосфатазы продуцируются при недостатке фосфора и инги-бируются при повышении его доступности. Нами получены результаты, вполне согласующиеся с вышеуказанной закономерностью. Для наглядности выявленных закономерностей мы активность на варианте абсолютного контроля принимаем за 100%, а активность фосфатазы на других вариантах выражаем в относительных процентах к абсолютному контролю.

В паровом поле 2011 г. были внесены удобрения по схеме опыта, а дефекат не вносился. Так как эта работа была выполнена осенью, а образцы почвы отбирали в июле, это сказалось на активности нейтральной фосфатазы. Варианты абсолютного контроля и с минеральными удобрениями ока-

1. Активность нейтральной фосфатазы, Р2О5, мг/кг

Вариант Год

2011 2012 2013 2014 2015 2016

Р2О5 % Р2О5 % Р2О5 % Р2О5 % Р2О5 % Р2О5 %

Контроль абсолютный 75 1оо 83 100 92 100 51 100 50 100 68 100

Фон, 40 т/га навоза 79 Ю5 79 95 62 67 12 23 37 74 60 88

Фон + К6оР6оК6о 75 1оо 75 90 84 91 44 86 57 115 68 100

Фон + КШРШКШ 75 1оо 75 90 84 91 66 129 53 106 68 100

Фон + дефекат 81 Ю8 82 99 92 100 64 125 70 140 81 119

Дефекат + К^оК» 88 117 93 112 101 110 86 169 78 156 72 106

НСРо„ 11,37

2011

2012

2013 2014

Годы

2015

^Контроль абсолютный >:'.Фон, 40 т/га навоза

:Фон + N,oP6oK6o

Рис. 1 - Активность нейтральной фосфатазы, Р2О5, мг/кг

2016

зались одинаковыми по активности нейтральной фосфатазы, а на органическом фоне и вариантах с дефекатом она была выше, т.к. ни навоз, ни дефекат и одинарная доза не были ещё внесены. Следует отметить, что активность нейтральной фосфатазы варьировала по вариантам опыта в довольно широких пределах: 50-90, 12-79, 44-84, 53-84, 64-92 и 72-101 мг Р2О5 соответственно. Минимальный дефицит доступного фосфора наблюдался на варианте с органической системой удобрения в 2013-2016 гг. Варианты органо-минеральной системы удобрения по всем годам наблюдений практически не различались, и это при том, что применены были одинарная и двойная дозы минеральных удобрений. Несколько нелогичен результат на вариантах с дефекатом, ведь дефицит доступного фосфора был выше на варианте с дефекатом совместно с одинарной дозой минеральных удобрений. Хотя этому есть и логичное объяснение: скорее всего, на варианте с дефекатом по органическому фону дефицит доступного фосфора в какой-то мере покрывался навозом.

Все закономерности, выявленные нами, хорошо подтверждаются рисунком 1. Отметим, что в

первые три года варианты опыта были мало контрастны по активности нейтральной фосфатазы, а в последующие три года различия проявились довольно резко. Это обусловлено помимо внесения удобрений условиями вегетационных периодов, а они заметно различались.

В таблице 2 приведены данные, характеризующие гидротермические условия за изучаемый период.

Если вегетационный период 2011 г. был резко засушлив, то в последующие 2012 и 2013 гг. - избыточно увлажнён, и с дефицитом увлажнения в 2014 и 2015 гг. Ротация севооборота закончилась в 2016 г. нормальным увлажнением. Именно в годы с засушливым вегетационным периодом мы наблюдаем наибольшую контрастность в активности нейтральной фосфатазы. Дефицит влаги влияет на активность фосфатазы.

Несколько иные закономерности наблюдаются по активности кислой фосфатазы (табл. 3, рис. 2).

Отметим, что максимальные различия активности кислой фосфатазы по вариантам опыта наблюдались в первые три года, а не в последние, как по нейтральной фосфатазе, что хорошо видно

2. Гидротермические условия по годам исследования

X t>10°C X осадков ГТК

Год вегетац. V VI VII VIII вегетац. V VI VII VIII вегетац. V VI VII VIII

период период период

2011 2929 530 615 735 629 85 9 22 17 32 0,29 0,17 0,36 0,23 0,51

2012 3518 570 603 623 635 495 22 116 64 185 1,41 0,38 1,93 1,03 1,01

2013 2844 604 636 623 632 506 41 18 83 86 1,78 0,68 0,28 1,34 1,36

2014 2509 564 558 691 676 227 42 99 2 47 0,90 0,74 1,77 0,03 0,69

2015 3037 621 654 612 528 204 51 35 30 29 0,67 0,82 0,53 0,49 0,55

2016 2601 456 546 623 583 289 44 69 67 53 1,11 0,96 1,26 1,07 0,91

3. Активность кислой фосфатазы (рН 5.3), Р2О5, мг/кг

Вариант Год

2011 2012 2013 2014 2015 2016

Р2О5 % Р2О5 % Р2О5 % Р2О5 % Р2О5 % Р2О5 %

Контроль абсолютный 66 100 67 100 81 100 82 100 107 100 108 100

Фон, 40 т/га навоза 64 97 56 84 55 58 104 127 112 105 104 96

Фон + N6,^60 58 88 61 91 57 70 102 124 115 107 83 77

Фон + ^20Р120К120 57 86 47 70 79 97 115 140 114 106 104 96

Фон + дефекат 89 135 95 142 96 118 121 148 100 93 119 110

Дефекат + ^„Рб0К;0 85 129 99 148 88 109 95 116 111 108 127 118

НСР0„ 14,44

] Контроль абсолютный H Фон, 40 т/га навоза иФон + N60P60K6C

Рис. 2 - Активность кислой фосфатазы (рН 5.3), Р2О5, мг/кг

на рисунке 2. Но проявилась и общая закономерность — максимальная активность кислой фосфатазы наблюдалась на вариантах с дефекатом. Дефицит доступных форм фосфора на вариантах с дефекатом в первые три года был выражен очень резко. В последующие три года возрос дефицит доступного фосфора и на варианте с органической системой удобрения, что связано с разложением навоза.

Совершенно иные закономерности наблюдались в активности щелочной фосфатазы (табл. 4; рис. 3).

Сразу же отметим, что самая низкая активность щелочной фосфатазы наблюдалась на вариантах с дефекатом. Это вполне логично, ведь на этих вариантах наблюдалась и самая низкая кислотность. Практически по всем годам наблюдений максимальный дефицит доступных форм фосфора был отмечен на варианте органо-минеральной системы удобрения, что обусловлено самым интенсивным подкислением. Наиболее изменчивой активность щелочной фосфатазы была в первые три года (рис. 3), что, скорее всего, связано с засушливостью в начале вегетационного периода: в 2011, 2013 и 2013 гг. ГТК в мае составлял соответственно 0,17; 0,38 и 0,68 В условиях относительно нормального увлажнения 2014—2016 гг. различия активности по вариантам опыта были несущественны.

Представляет интерес и диапазон изменения активности фосфатазы на вариантах опыта и амплитуда колебаний (табл. 5).

На удобренных вариантах активность кислой фосфатазы варьировала в широких пределах с максимальной амплитудой, что обусловлено влия-

нием удобрений. Пределы изменений активности нейтральной и щелочной фосфатазы различаются в несколько раз, однако амплитуда остаётся примерно одинаковой. Следует отметить, что на варианте абсолютного контроля амплитуда колебаний активности всех форм фосфатазы была практически одинаковая, и это вполне объяснимо: удобрения на этом варианте не применялись. Только на вариантах с дефекатом амплитуда колебаний всех форм фосфатазы была в 1,5—2 раза ниже, чем на остальных вариантах опыта.

Уровень активности всех форм фосфатазы определяется содержанием доступного фосфора, и прежде всего самого динамичного во времени — водорастворимого (табл. 6). Содержание водорастворимого фосфора было неодинаковым как по вариантам опыта, так и по годам наблюдений. При резких колебаниях содержания водорастворимого фосфора на варианте абсолютного контроля проявилась явно выраженная тенденция к снижению его в пахотном слое. Внесение органических и минеральных удобрений существенно повышает содержание водорастворимого фосфора. Содержание этой формы фосфора на вариантах с дефекатом было ниже, чем на удобренных вариантах, но поддерживалось на более высоком уровне по отношению к абсолютному контролю. Как уже отмечалось, водорастворимый фосфор является самой его доступной формой. Это убедительно доказывает и корреляционный анализ (табл. 7).

Связь активности кислой фосфатазы с содержанием водорастворимого фосфора была средняя отрицательная. Наиболее тесная связь выявлена

4. Активность щелочной фосфатазы (рН 9.0), Р2О5, мг/кг

Вариант Год

2011 2012 2013 2014 2015 2016

Р2О5 % Р2О5 % Р2О5 % Р2О5 % Р2О5 % Р2О5 %

Контроль абсолютный 34 100 42 100 45 100 64 100 69 100 74 100

Фон, 4о т/га навоза 35 103 52 124 50 111 73 114 67 97 75 101

Фон + КбоРбоКбо 49 144 73 174 88 195 64 100 91 132 75 101

Фон + КШРШКШ 63 185 79 188 93 207 76 119 72 104 84 113

Фон + дефекат 39 115 38 90 36 80 75 117 78 113 74 100

Дефекат + К^оК» 43 126 54 129 48 107 71 111 76 110 73 99

НСРо 95 12,41

Контроль абсолютный  Фон, 40 т/га навоза  Фон + NœP60K60

Фон + N120P120K120 !Фон + дефекат Дефекат + N60P60K60

Рис. 3 - Активность щелочной фосфатазы (рН 9.0), Р2О5, мг/кг

на варианте абсолютного контроля, внесение удобрений и особенно дефеката ослаблили её. Связь нейтральной фосфатазы с содержанием водорастворимого фосфора была средняя, а щелочной — средняя отрицательная. На варианте абсолютного контроля установлен максимальный дефицит водорастворимого фосфора, тесная связь всех форм фосфатазы.

В таблице 8 приведены данные по определению подвижного и обменного фосфора. Профиль изучаемой почвы на всех вариантах опыта был резко дифференцирован по содержанию подвиж-

ных и обменных форм фосфора и соответствовал прогрессивно убывающему типу распределения.

Максимальное содержание этих форм фосфора в пахотном слое наблюдалось на вариантах с органической и органо-минеральной системой удобрения. Для этих вариантов было характерно и высокое содержание подвижного и обменного фосфора в подпахотном слое. На этих же вариантах наблюдалась максимальная нисходящая миграция подвижных форм фосфора, а на вариантах с дефека-том она была существенно ниже. Следует отметить и то, что на вариантах с дефекатом содержание

5. Пределы варьирования и амплитуды колебаний активности фосфатазы по вариантам опыта

Кислая Нейтральная Щелочная

Вариант пределы амплитуда пределы амплитуда пределы амплитуда

варьирования колебаний варьирования колебаний варьирования колебаний

Контроль абс. 66-108 42 50-92 42 34-74 40

Фон, 40 т/га навоза 55-112 57 12-79 67 35-75 40

Фон + №К60 57-115 58 44-84 40 49-91 42

Фон + №КШ 47-115 68 53-84 41 63-93 30

Фон + дефекат 89-121 32 64-92 28 36-78 42

Дефекат + №К60 85-127 42 72-102 29 43-76 33

6. Водорастворимый фосфор по Шахтшабелю

Вариант Слой, см Год

2011 2012 2013 2014 2015 2016

Контроль абс. 0-20 20-40 34 16 42 20 42 26 23 22 10 8 20 25

40-60 14 18 14 18 9 16

Фон, 40 т/га навоза 0-20 28 49 35 41 11 34

20-40 40-60 21 10 35 14 27 15 26 21 33 7 36 21

0-20 30 80 72 38 24 84

Фон + №К60 20-40 28 33 35 24 10 61

40-60 11 17 17 23 6 21

0-20 63 84 97 43 16 44

Фон + №К120 20-40 52 25 44 28 22 29

40-60 16 18 21 23 12 26

0-20 38 33 38 30 15 32

Фон + дефекат 20-40 26 22 22 27 11 58

40-60 13 12 18 15 4 57

0-20 42 60 43 34 14 32

Дефекат + №К60 20-40 20 23 17 28 9 34

40-60 13 12 12 17 8 49

НСР095 14,1

7. Коэффициенты корреляции активности фосфатазы с водорастворимым фосфором

Вариант Водорастворимый Р2О5

кислая нейтральная щелочная

Контроль абсолютный -0,82 0,90 -0,84

Фон, 40 т/га навоза -0,49 0,20 -0,06

Фон + К60Р60К60 -0,50 0,52 0,24

Фон + КШРШКШ -0,75 0,96 0,48

Фон + дефекат -0,21 0,65 -0,73

Дефекат + М60р60К60 -0,46 0,65 -0,71

И , Г+, г- 0,54; -0,54 0,65; 0,65 0,51; 0,36; -0,58

Примечание: И — средний коэффициент корреляции; г+ — средний положительный коэффициент корреляции, г— средний отрицательный коэффициент корреляции

8. Подвижный и обменный фосфор по Брейя и Куртцу

Вариант Слой, см Год

2011 2012 2013 2014 2015 2016

Контроль абс. 0-20 20-40 113 76 103 59 116 85 137 79 94 51 53 24

40-60 53 64 70 31 22 3

Фон, 40 т/га навоза 0-20 163 135 156 167 103 59

20-40 40-60 109 47 100 84 104 51 115 63 283 58 36 21

0-20 179 172 168 171 230 88

Фон + №К60 20-40 131 52 133 127 125 19

40-60 42 71 60 73 98 2

0-20 189 205 181 188 117 147

Фон + №К120 20-40 118 71 143 143 178 69

40-60 59 72 51 56 107 2

0-20 139 110 138 160 107 88

Фон + дефекат 20-40 75 83 51 81 73 34

40-60 35 45 31 36 15 2

0-20 159 60 158 186 114 82

Дефекат + №К60 20-40 97 76 79 86 88 23

40-60 47 48 48 73 12 5

9. Коэффициенты корреляции активности фосфатазы с подвижным и обменным фосфором

Вариант Р2О5 по Брейя - Куртцу

кислая нейтральная щелочная

Контроль абсолютный Фон, 40 т/га навоза Фон + Кб0Рб0Кб0 Фон + НШРШКШ Фон + дефекат Дефекат + Кб0?б0Кб0 г , г+, г- -0,64 -0,53 0,30 -0,70 -0,04 -0,64 0,37; 0,30; -0,46 -0,01 -0,07 -0,20 0,75 -0,22 0,31 0,26; 0,65; -0,12 -0,48 -0,53 0,19 0,03 -0,22 -0,19 0,27; 0,11; -0,35

подвижного и обменного фосфора было выше, чем на абсолютном контроле, и сравнимо с таковым на варианте с органической системой удобрения.

Активность фосфатазы определяется содержанием доступных форм фосфора, поэтому мы определили коэффициенты корреляции активности фосфатазы с подвижными и обменными формами фосфора (табл. 9).

Связь активности фосфатазы с содержанием подвижного и обменного фосфора средняя отрицательная у кислой фосфатазы, средняя у нейтральной и средняя отрицательная у щелочной. Только на варианте с двойной дозой минеральных удобрений наблюдается тесная отрицательная связь активности нейтральной фосфатазы с содержанием подвижного и обменного фосфора.

Выводы. Выявлена средняя связь различных форм фосфатазы с содержанием водорастворимого,

подвижного и обменного фосфора. Органическая и органо-минеральная системы удобрения повышают содержание доступных форм фосфора. На дефека-тированных вариантах содержание доступных форм фосфора выше, чем на абсолютном контроле, и находится на одном уровне с органической системой удобрения. Определение активности фосфатазы позволяет оперативно выявлять дефицит доступных форм фосфора, и её можно использовать для диагностики фосфатного режима почв.

Литература

1. Стекольников К.Е., Ярцева С.С., Комова А.В. Влияние систем применения удобрений на режим фосфатов чернозёма выщелоченного // Вестник Воронежского государственного аграрного университета. 2015. № 4 (47). Ч. 2. С. 34—41.

2. Практикум по агрохимии / Под ред. В.Г. Минеева. М.: Изд-во МГУ, 2001. 387 с.

3. Горбунов Н.И. Минералогия и физическая химия почв. М.: Наука. 1978. 294 с.

4. Макаров М.И. Фосфор органического вещества почв. М.: ГЕОС. 2009. 397 с.