Гумусное состояние и биологическая активность чернозёмов обыкновенных (североприазовских) при длительном сельскохозяйственном использовании

Гумусное состояние и биологическая активность чернозёмов обыкновенных (североприазовских) при длительном сельскохозяйственном использовании

О.И. Наими, к.б.н., ФГБНУДонской зональный НИИСХ

Чернозёмные почвы обладают высоким потенциальным плодородием, основой которого является высокое содержание гумуса в этих почвах. Содержание гумуса и его распределение по профилю почв — характерный генетический и диагностический признак. Количественный и качественный состав гумуса тесно коррелирует со многими физическими свойствами и режимами почвы и в значительной степени определяет

её биологическую и биохимическую активность, являясь показателем экологической устойчивости агроэкосистем [1—3].

В структуре почвенного покрова Ростовской области чернозёмы занимают 57,9% территории. В настоящее время практически все они вовлечены в сельскохозяйственное производство [4]. Возрастающая антропогенная нагрузка на чернозёмы приводит к качественным изменениям их плодородия [2, 3, 5]. Потоки веществ, попадая в почву в результате антропогенной деятельно -

сти, включаются в естественные циклы, нарушая нормальное функционирование всей почвенной системы. Изменение свойств почв при сельскохозяйственном освоении начинается с верхнего, пахотного горизонта, постепенно переходя и на глубжележащие слои. Характер и направленность трансформации определяется как первоначальными свойствами почвы, так и уровнем интенсификации земледелия: структурой посевных площадей, уровнем применения минеральных и органических удобрений, удельным весом многолетних трав в севообороте и др.

С гумусным состоянием почв тесно связана их биологическая активность. Почвенные ферменты играют существенную роль в процессах трансформации органического вещества, а ферментативная активность почв может служить индикатором интенсивности процессов гумусообразования.

Цель исследования — изучить особенности гу-мусного состояния и ферментативную активность естественных и агрогенных чернозёмов обыкновенных карбонатных (североприазовских).

Объекты и методы исследования. Исследования проходили на одном из полей Донского зонального НИИСХа площадью около 100 га. В исследуемых почвах определяли: содержание общего углерода по Тюрину в модификации Никитина, качественный состав гумуса по схеме Тюрина в модификации Пономарёвой и Плотниковой [6], рН и содержание NPK общепринятыми методами, активность каталазы газометрическим методом, активность ин-вертазы колориметрическим методом Хазиева [7].

Статистическую обработку экспериментальных данных проводили на ПК с использованием программы Excel.

Результаты и исследования. Земледелие, являясь самым масштабным и длительным во времени фактором антропогенной эволюции почв, стало причиной многих деградационных процессов в чернозёмах, одним из которых является снижение запасов гумуса. Наличие этой проблемы отмечалась ещё В.В. Докучаевым, в настоящее время она по-прежнему актуальна [5].

Чернозёмы, сформированные под естественными растительными ассоциациями, находятся в динамичном равновесии со всеми другими компонентами биогеоценоза. В условиях возросшей

антропогенной нагрузки на чернозёмы происходит нарушение складывающегося веками равновесия и развитие деградационных процессов.

Чернозёмы характеризуются равномерно-аккумулятивным типом внутрипрофильного распределения органического углерода. Как видно по полученным результатам (табл. 1), в пахотных почвах наблюдается снижение общего содержания гумуса по сравнению с целинными аналогами, прослеживается чёткая тенденция увеличения рН в пахотном горизонте. Повышенное по сравнению с целиной содержание нитратного азота и подвижных форм фосфора связано, вероятно, с внесением удобрений на пахотных почвах.

Гумус — динамичная система, в почве одновременно с процессом гумусообразования происходит минерализация гумуса с участием микроорганизмов. После распашки целины в пахотном слое резко уменьшается количество гумуса, но с увеличением периода использования пашни темпы потерь обычно снижаются. Основными причинами дегумификации чернозёмов являются: усиленная минерализация гумуса вследствие интенсивной обработки и применения минеральных удобрений, сокращение поступления органического вещества в пахотные почвы как в виде корневых и пожнивных остатков, так и органических удобрений, расход органического вещества на формирование урожая и др.

В исследованных чернозёмах снижение общего содержания гумуса не сопровождается уменьшением мощности гумусовых горизонтов. Для сохранения высокого плодородия чернозёмов и положительного баланса гумуса в них требуется регулярное ежегодное поступление органического вещества.

Изменение общего содержания гумуса сопровождается изменением структуры и качества гумусовых веществ. Анализ фракционно-группового состава гумуса предусматривает разделение гумуса на группы гуминовых кислот (ГК), фульвокислот (ФК) и негидролизуемого остатка с последующим разделением ГК и ФК на фракции по формам их связи с минеральной частью почвы [6].

Изучение фракционно-группового состава гумуса показало, что как для целинных, так и для пахотных чернозёмов характерен гуматный

1. Агрохимические свойства чернозёмов обыкновенных карбонатных

Глубина, см рН Гумус, % N - NO3, мг/кг N-NH4, мг/кг P2O5, мг/кг K2O, мг/кг

Целина

0-20 6,5 6,4 14 - 22 420

20-40 7,2 4,5 18 - 14 310

Пашня

0-20 7,3 4,0 31 2,7 26,3 411

20-40 7,6 3,7 23 2,5 15,1 346

40-60 7,9 2,8 15 2,1 6,0 283

2. Групповой и фракционный состав гумуса чернозёмов обыкновенных карбонатных

Глубина, Собщ., Гуминовые кислоты Фульвокислоты Сгк

см % 1 2 3 Е 1а 1 2 3 Е Сфк

Целина [2]

0-20 3,8 0,9 22,9 14,7 38,5 1,0 1,1 12,1 6,5 20,7 1,9 40,8

20-40 2,6 1,2 24,1 9,4 34,7 2,1 0,6 13,3 5,9 21,9 1,6 43,4

40-60 2,7 27,1 7,2 30,0 3,1 3,4 16,2 7,4 30,1 1,2 35,4

Пашня

0-20 2,26 2,3 30,5 13,6 46,4 1,9 5,7 6,7 4,1 18,4 2,52 35,2

20-40 2,11 1,8 29,9 12,2 43,9 2,2 3,6 8,2 4,6 18,6 2,36 37,5

40-60 1,56 2,4 32.4 13,4 48,2 2,9 4,0 8,1 5,3 20,3 2,37 31,5

3. Биологическая активность пахотных чернозёмов обыкновенных карбонатных

Глубина, см Каталаза, мл О2/ мин Инвертаза, мг глюкозы /1 г /24 ч

т 8 V т 8 V

0-20 20-40 40-60 11,7 11,2 9,4 2,1 1,9 1,8 38,8% 32,3% 32,5% 18,84 15,81 9,54 1,02 1,51 3,02 5,5% 9,5% 31,7%

Примечание: т — среднее значение; 8 — среднее квадратическое отклонение; V — вариабельность признака

тип гумуса, отношение Сгк: Сфк в верхних слоях пахотной почвы составляет 2,44—2,55, немного уменьшаясь в слое 40—60 см: 2,16—2,48 (в таблице 2 приведены средние значения). По сравнению с целинными аналогами в пахотных почвах на фоне потери запасов углерода наблюдается повышение содержания гуминовых и уменьшение содержания фульвокислот, как следствие — расширение соотношения Сгк: Сфк.

Степень гумификации органического вещества исследованных почв очень высокая, что характерно для всех чернозёмов. Следует отметить высокое содержание негидролизуемого остатка. Возможно, это связано с климатическими условиями, при которых низкая влажность воздуха и высокие летние температуры обусловливают глубокую дегидратацию твёрдой фазы почвы и соответственно повышение прочности связи гуминовых веществ с минеральными компонентами. Помимо высокого содержания негидролизуемого остатка это объясняет и пониженное количество фульвокислот. Для всех фракций фульвокислот характерно увеличение их содержания с глубиной, что говорит об их высокой миграционной способности. При длительном сельскохозяйственном использовании почв отмечается снижение величины негидролизуемого остатка: 35,4—43,4% в целинных почвах, 31,5—37,5% — на пашне.

Гуминовые кислоты являются наиболее устойчивой фракцией гумуса. В их составе преобладает фракция, связанная с кальцием, что, естественно, объясняется насыщенностью почв этим элементом в связи с наличием карбонатов. Количество органических веществ, переходящих в кислую и непосредственно щелочную вытяжки (без предварительного декальцирования) невелико, хотя и

имеет тенденцию к увеличению в пахотных почвах по сравнению с целиной. Это свидетельствует об увеличении миграционной способности гумусовых веществ при распашке.

Таким образом, при распашке чернозёмов происходит снижение содержания гумуса и его частичная трансформация из прочносвязанного состояния в более активные формы.

Почвенные ферменты катализируют процессы синтеза и минерализации органического вещества. Нами было проведено исследование уровня ферментативной активности каталазы и инвертазы как наиболее чувствительных и в то же время наименее варьирующих показателей биологической активности почв [7]. Каталаза разрушает перекись водорода, образующуюся в процессе дыхания растений и в результате биохимических реакций окисления органических веществ, её активность косвенно свидетельствует об интенсивности окислительной деструкции органического вещества почвы. Инвертаза осуществляет гидролитическое расщепление сахарозы и её производных, содержащихся в органическом веществе почв.

Как видно по таблице 3, интенсивность действия ферментов вниз по профилю закономерно снижается. Активность инвертазы в слое 0—20 см по шкале сравнительной оценки биологической активности почв [8] характеризуется как высокая, пределы колебания находятся в интервале от 17,7 до 20,3 мг глюкозы / 1 г почвы за 24 часа. В слое 40—60 см активность инвертазы по этой шкале варьирует от слабой до средней (4,7—12,2 мг глюкозы / 1 г / 24 часа).

Активность каталазы в пахотном горизонте изменяется от средней до высокой, показатели

каталазной активности в слое 0—20 см варьируют от 9,0 до 16,0 мл О2 за 1 минуту.

Проведённый корреляционный анализ выявил довольно сильную положительную связь между содержанием гумуса и активностью инвертазы (г = 0,88). Между содержанием гумуса и активностью каталазы связь гораздо слабее (г = 0,54).

Выводы. Антропогенное воздействие приводит к существенным изменениям в гумусном режиме почвы. Так, при длительном сельскохозяйственном использовании почв происходит снижение содержания гумуса, что, в свою очередь, сказывается на его качественном составе.

Фракционно-групповой состав гумуса исследованных чернозёмов обыкновенных (североприазовских) характеризуется высоким содержанием гумусовых веществ, связанных с кальцием, низким процентом органических веществ, переходящих в кислую вытяжку, и высокими значениями углерода негидролизуемого остатка.

При сельскохозяйственном использовании чернозёмов происходит частичная трансформация

гумуса из прочносвязанного состояния в более активные формы.

Пахотный горизонт характеризуется высокой активностью инвертазы и каталазы, вниз по профилю активность ферментов снижается до средней и слабой. Сильная положительная связь выявлена между содержанием гумуса и активностью инвер-тазы (r = 0,88).

Литература

1. Александрова Л.Н. Органическое вещество почвы и процессы его трансформации. Л., 1980. 288 с.

2. Безуглова О.С. Гумусное состояние почв юга России. Ростов-на-Дону, 2001. 228 с.

3. Орлов Д.С. Гумусовые кислоты почв и общая теория гумификации. М.: Изд-во Московского университета, 1990. 326 с.

4. Зональные системы земледелия Ростовской области на 2013-2020 гг. Ростов-на-Дону, 2013. Ч. 1. 240 с.

5. Орлов Д.С. Органическое вещество почв России // Почвоведение. 1998. № 9. С. 1049-1057.

6. Орлов Д.С., Гришина Л.А. Практикум по химии гумуса. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1981. 272 с.

7. Галстян А.Ш. Ферментативная активность почв Армении. Ереван, 1974. Вып. 8. 275 с.

8. Звягинцев Д.Г. Биологическая активность почв и шкалы для оценки некоторых её показателей // Почвоведение. 1978. № 6. С. 48-54.