Влияние агротехнической нагрузки на ферментативную активность серой лесной почвы со вторым гумусовым горизонтом

DOI: 10.24411/0235-2451-2018-11015 УДК 631.465/631.445.25

Влияние агротехнической нагрузки на ферментативную активность серой лесной почвы со вторым гумусовым горизонтом

М. К. ЗИНЧЕНКО, кандидат биологических наук, ведущий научный сотрудник

С. И. ЗИНЧЕНКО, доктор сельскохозяйственных наук, профессор

Верхневолжский федеральный аграрный научный центр, ул. Центральная, 3, пос. Новый, Суздальский р-н, Владимирская обл., 60126, Российская Федерация

Резюме. В многолетнем полевом стационарном опыте на серой лесной почве со вторым гумусовым горизонтом в 2014-2016гг. изучали влияние различных приемов основной обработки и систем удобрения на активность уреазы (цикл азота), инвер-тазы и каталазы (цикл углерода), фосфатазы (цикл фосфора). На опытном участке второй гумусовый горизонт мощностью

19. ..24 см расположен на глубине 20. ..21 см. Анализировали почвенные образцы в звене (ячмень - овес + клевер с тимофеевкой - клевер 1-го года) 6-и польного зернотравяного севооборота (озимая рожь - яровая пшеница - ячмень - овес + клевер с тимофеевкой - клевер 1-го года - клевер 2-го года) на нормальном и интенсивном фоне применения удобрений в вариантах с ежегодной обработкой плоскорезом на глубину 6.8 см, отвальным плугом - на 20.22 см, плоскорезом - на 20.22 см, контроль - залежь. Сельскохозяйственное использование снижало ферментативную активность почвы агросистем. Наиболее выражена эта тенденция при ежегодной отвальной обработке на

20. 22 см: на нормальном фоне - на 20 %, на интенсивном - на 15 %, по сравнению с контролем (100 %). Ферментативный пул, близкий к почве залежи (активность - 99 %), сформировался на интенсивном фоне по ежегодной плоскорезной обработке на 6.8 см. На интенсивных фонах применения удобрений в слое 0.20 см по всем приемам основной обработки сформировался более высокий ферментативный пул, по сравнению с нормальными, что обусловлено ростом активности гидролитических ферментов инвертазы (44,8.51,7 и 37,0.41,9 мг глюкозы/10 г почвы соответственно) и фосфатазы (0,70.0,87и 0,64... 0,74 мг Р2О/1гпочвы соответственно). Результаты исследований могут бы2 т5ь использованы при экологобиологическом нормировании агротехнического воздействия на агросистемы. Ключевые слова: агротехническая нагрузка, ферментативный пул, серая лесная почва со вторым гумусовым горизонтом, плодородие почвы, фон интенсификации, приемы основной обработки почвы.

Для цитирования: Зинченко М. К., Зинченко С. И. Влияние агротехнической нагрузки на ферментативную активность серой лесной почвы со вторым гумусовым горизонтом // Достижения науки и техникиАПК. 2018. Т. 32. № 10. С. 66-68. 001: 10.24411/0235-2451-2018-11015.

Биологическое состояние почвы - один из основных критериев оценки изменений плодородия, вызываемых антропогенной деятельностью [1, 2, 3]. Оно характеризует направленность и скорость протекания процессов трансформации органического вещества почвы и позволяет определять экологически обоснованные уровни агротехнической нагрузки, сохраняющие плодородие и обеспечивающие высокую урожайность.

Для оценки биологического состояния почв применяют широкий спектр показателей, что обусловлено многообразием функций почвенной биоты. В качестве чувствительного индикатора биохимической деятельности микробных сообществ почвы используют их ферментативную активность. Преимущество такой диагностики, по сравнению с другими подходами, - более высокая

стабильность [4]. Результаты исследований ферментативной активности во Владимирском ополье в основном приурочены к изучению серой лесной слабооподзоленной почвы [5, 6, 7]. Их актуальность обусловлена недостатком информации по этой проблеме и необходимостью оценки агротехнологий на почвенных разностях.

Цель исследований - установить влияние агротехнического воздействия на активность ферментативных процессов в серой лесной почве со вторым гумусовым горизонтом.

Условия, материалы и методы. В длительном стационарном опыте по оценке эффективности различных систем обработки и удобрений на базе Владимирского НИИСХ с 2014 по 2016 гг. проводили биохимические исследования на серой лесной сильнооподзоленной почве со вторым гумусовым горизонтом.

В условиях полого-волнистого рельефа почвенный покров Владимирского ополья отличается выраженной пестротой слагающих его почв. Выделяют серые лесные почвы разной степени оподзоленности, остаточно-карбонатные и серые лесные почвы со вторым гумусовым горизонтом (ВГГ), приуроченные к понижениям. Их наиболее яркий признак - наличие второго гумусового горизонта с глубины 25.. .35 см в виде линз интенсивно окрашенного темно-серого или серовато-черного гуму-сированного материала мощностью 20.40 см. Верхняя часть ВГГ в агросистемах припахана. Он имеет имеет зернистую и ореховато-зернистую структуру, высокую пористость, в гумусе высока доля второй фракции гуми-новых кислот [8].

На опытном участке ВГГ имел мощность 19.24 см и располагался на глубине 20.21 см. Содержание подвижных форм Р2О5 по Кирсановау и К2О по Масловой в пахотном слое составляло 161 и 148 мг/кг почвы соответственно, рНКС| - 5,8.6,0. Содержание гумуса по Тюрину - 3,46.3,79 %, что выше, чем у сопряженных серых лесных слабооподзоленных почв (2,67.3,19 %).

Изучали влияние агротехнической нагрузки на активность ферментов в звене (ячмень - овес + клевер с тимофеевкой - клевер 1-го года) 6-и польного зернотравяного севооборота (озимая рожь - яровая пшеница - ячмень -овес + клевер с тимофеевкой - клевер 1-го года - клевер 2-го года). Исследования проводили на нормальном и интенсивном фоне применения удобрений (табл. 1) в трех вариантах основной обработки: ежегодная мелкая плоскорезная (КПС) на 6.8 см (ЕМПО); ежегодная глубокая плоскорезная (КПГ-250) на 20.22 см (ЕГПО); ежегодная отвальная вспашка (ПЛН-3-35) на 20.22 см (ЕОВ). В 2016 г. обработку почвы не осуществляли, так как возделывали травы.

Для определения активности ферментов на стационарных площадках в каждом варианте основной обработки почвы отбирали по три образца из слоев 0.10, 10.20, 20.30 см в мае, июле и сентябре.

В опыте изучали активность гидролитических ферментов - уреазы (цикл азота), инвертазы (цикл углерода), фосфатазы (цикл фосфора), а также оксиредуктазы (каталазы), участвующей в цикле углерода в почве.

Таблица 1. Схема внесения удобрений

Фон Ячмень Овес + клевер с тимофеевкой Клевер 1-го года

Нормальный ^45Р45К45 М60 Р60К60 М40 Р60К80 ИнТеНСИВНЫЙ М70Р55К70 ^60Р80К120 N60 Р80К120

Ферментативную активность определяли в воздушно-сухих почвенных образцах: каталазу - по А. Ш. Галстяну, уреазу - по Т. Б. Щербаковой, инвертазу - по И. Н. Ре-мейко и С. М. Малиновской; общую фосфатазную активность - по И. Т. Геллер и К. Е. Гинзбург [9]. В расчетный показатель общей ферментативной активности почвы включали все четыре исследованных энзиматических теста.

Таблица 2. Ферментативная активность серой лесной почвы с ВГГ в зави симости от агротехнического воздействия (среднее за 3 года

Вариант Глубина, см Каталаза, мл О2/1 г почвы в мин. Уреаза, мг Ы- ЫН/г почвы за 4 ч Инвертаза, мг глюкозы/10 г почвы за 40 ч Фосфатаза, мг Р2О/1 г почвы за 2 ч

ЕМПО 0. ..10 2,5±0,1 0,18±0,06 44,0±3,7 0,77±0,03

на 6.8 см 2,5±0,3 0,16±0,05 55,7±5,5 0,92±0,07

0 ..20 2,4±0,2 0,16±0,06 40,3±3,1 0,72±0,03

2,4±0,4 0,16±0,05 51,7±5,8 0,87±0,08

0 ..30 2,2±0,2 0,15±0,05 34,4±3,1 0,62±0,04

2,4±0,3 0,15±0,05 46,2±3,1 0,83±0,06

ЕГПО на 0 ..10 2,7±0,3 0,18±0,06 48,1±4,9 0,81±0,08

20.22 см 2,4±0,4 0,17±0,06 49,4±5,3 0,85±0,04

0 ..20 2,5±0,3 0,17±0,05 41,9±3,2 0,74±0,07

2,3±0,4 0,15±0,06 44,8±5,3 0,77±0,03

0 ..30 2,3±0,2 0,15±0,05 35,5±1,4 0,66±0,08

2,3±0,3 0,14±0,05 39,1±4,2 0,67±0,03

ЕОВ 0 ..10 2,5±0,2 0,16±0,07 41,1±4,6 0,70±0,10

на 2,2±0,3 0,17±0,06 47,1±6,6 0,71±0,08

20.22 см 0 ..20 2,5±0,3 0,15±0,06 37,0±5,1 0,64±0,11

2,2±0,3 0,17±0,06 44,9±5,4 0,70±0,07

0 ..30 2,4±0,2 0,13±0,06 32,1±6,2 0,55±0,13

2,2±0,3 0,15±0,07 41,8±5,6 0,66±0,06

Залежь 0. 10 2,8± 0,2 0,21±0,05 60,7± 5,17 0,98±0,09

(контроль) 0. 20 2,7± 0,3 0,20±0,04 56,2± 5,42 0,91± 0,11

НСР05 0. 20 0,20 0,07 0,47 0,06

*в числителе - нормальный фон, в знаменателе - интенсивный.

Для анализа и сравнения данных использовали метод Д. Ж. Ацци [10], который позволяет выразить изучаемые характеристики в процентах по отношению к контролю. В качестве контроля использовали аналогичную почвенную разность, расположенную на залежном участке и более 25 лет не используемую в сельскохозяйственном производстве. Активность ферментов залежи принимали за 100 %. Степень влияния агротехнической нагрузки (удобрений, обработки и др.) на различные группы ферментов выражали отношением показателей их активности в вариантах опыта к контролю (залежи) в процентах. Величины активности всех ферментов, выраженные в процентах по каждому варианту опыта в слое 0...20 см, суммировали и находили средний показатель ферментативной активности почвы.

Результаты и обсуждение. Пахотный слой почвы на интенсивном и нормальном фоне внесения удобрений характеризовался близкими агрохимическими свойствами. Содержание подвижного фосфора в почве при нормальном уровне интенсификации было равно 142.156 мг/кг, на интенсивном - 186.194 мг/кг, подвижного калия -159.186 и 166.200 мг/кг соответственно. Содержание нитратного азота в слое 0.20 см в варианте ЕМПО изменялось от 40,7 до 72,3 мг/кг почвы, ЕГПО - 54,2.85,3, ЕОВ - 59,4.107,0 мг/ кг почвы. Величина рН составляла 5,97; 5,81; 5,64 соответственно.

Различия агрохимических свойств, в зависимости от уровня интенсивности внесения удобрений, не оказали значительного влияния на ферментативную активность серой лесной почвы с ВГГ (табл. 2).

Каталаза играет определяющую роль в биохимических процессах гумификации поступающих в почву растительных остатков. Ее активность по вариантам опыта была стабильной и составляла 2,2.2,7 мл О2/1 г в мин. Это свидетельствует о высокой стабильности окислительно-восстановительных процессов в почве изучаемых агросистем.

Аналогичную закономерность наблюдали и в отношении уреазы, катализирующей разложение мочевины на угольную кислоту и аммоний. Следовательно, высвобождение неорганического азота в форме аммония

протекало с одинаковой интенсивностью в различных вариантах опыта. Однако вариабельность уреазной активности по годам исследования была самой высокой (48,8 %), так как этот фермент очень лабилен.

Инвертаза осуществляет катализ гидролитического разложения сахарозы и играет ключевую роль в высвобождении глюкозы и фруктозы, которые микроорганизмы используют в качестве источников питания [4]. В опыте на интенсивных фонах применения удобрений ее активность возрастала, особенно в вариантах с безотвальной обработкой на глубину 6.8 см (ЕМПО) и отвальной на 20.22 см (ЕОВ). Это свидетельствует о более высоком общем уровне био-генности почвы и обогащен-ности микробной биомассой. Последнее обусловлено увеличением объема корневой системы в слое 0..30 см на интенсивных фонах при ежегодной отвальной вспашке, а при длительном ежегодном рыхлении на 6.8 см формируется пахотный слой со значительной концентрацией корнепожнивных остатков разной степени разложения, стимулирующих инвертологическую активность почвы.

Фосфорорганические соединения почвы превращаются в доступное для растений состояние при ферментативном гидролизе с отщеплением остатков фосфорной кислоты. Этот процесс осуществляет сравнительно узкая группа микроорганизмов, имеющих ферменты фосфатазы [9]. Активность фосфогидролитических ферментов (общая фосфатазная активность) была выше на интенсивном фоне применения удобрений, по сравнению с нормальным, при всех приемах обработки почвы. Общая фосфатазная активность по вариантам опыта изменялась от 0,55 до 0,92 мг Р^^ г почвы за 2 ч. Однако статистически значимый рост величины этого показателя (НСР05= 0,06) в слое 0.20 см, по отношению к другим вариантам, отмечено только на интенсивном фоне с ежегодной безотвальной обработкой на 6.8 см. Уровень активности ферментов в почве целинного аналога был выше, чем в агрогенной, на 1.20 % (см. рисунок). Особенно эта тенденция была выражена на фонах с ежегодной отвальной обработкой на 20.22 см.

обработкой. Самым высоким ее потенциалом характеризовался вариант на интенсивном фоне удобрений с ежегодной мелкой плоскорезной обработкой на 6.8 см - 99 % от уровня серой лесной почвы с ВГГ залежи. В целом на интенсивных фонах применения удобрений по всем приемам основной обработки сформировался более высокий ферментативный пул, по сравнению с нормальными.

Выводы. Таким образом, биохимическая диагностика серой лесной почвы с ВГГ по каталазной, уреазной, инвертазной и фосфатазной активности выявила, что при длительном агротехническом воздействии активность ферментативного пула почвы снижается. Среди рассмотренных вариантов обработки почвы наиболее выражен этот процесс на нормальном фоне внесения удобрений с ежегодной вспашкой на 20.22 см - на 20 %, по сравнению с залежью. На интенсивных фонах ферментативная активность почвы была выше, чем на нормальных, по всем приемам основной обработки, что обусловлено ростом активности инвертазы и фосфатазы. Ферментативный потенциал на уровне природного аналога (на 1 % ниже, чем в контроле) сформировался на интенсивном фоне при использовании ежегодной мелкой плоскорезной обработки на 6.8 см.

Результат исследований можно использовать для обоснования приемов экологически оптимального воздействия на почву и биологического нормирования агротехнического воздействия на агроэкосистемы.

Литература.

1. Кирюшин В. И. Экологические основы земледелия. М.: Колос, 1996. 368 с.

2. Кудеяров В. Н., Семенов В. М. Оценка современного вклада удобрений и агрогеохимический цикл азота, фосфора и калия// Почвоведение. 2004. № 12. С.1440-1446.

3. Васенев И.И. Антропогенные сукцессии почв и деградация почвенного покрова // Деградация почвенного покрова и проблемы агроландшафтного земледелия. Ставрополь, 2001. С. 114-115.

4.Звягинцев Д. Г., Бабьева Н. А., Зенова Г. М. Биология почв. М.: МГУ, 2005. 520 с.

5.Зинченко М. К., Зинченко С. И. Влияние приемов обработки и доз удобрений на ферментативную активность серой лесной почвы //Вестник Курской государственной сельскохозяйственной академии. 2017. № 8. С. 3-5.

б.Зинченко М. К., Зинченко С. И., Щукин И. М. Ферментативная активность агроландшафтов Владимирского ополья// Инновационные технологии в адаптивно-ландшафтном земледелии: коллективная монография. Книга 2. Иваново: ПресСто, 2015. С. 89-100.

7.Зинченко М. К., Зинченко С. И. Ферментативный потенциал агроландшафтов серой лесной почвы Владимирского ополья // Успехи современного естествознания. 2015. № 1. С. 1319-1323.

8. Корчагин А. А. Теоретические и практические основы формирования пространственно-дифференцированных технологий точного земледелия (на примере гетерогенно почвенного покрова Владимирского ополья): монография. Владимир: Владимирский НИИСХ, 2010. 146 с.

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

10. Ацци Ж. Сельскохозяйственная экология. М.: Издательство Иностранной литературы, 1959. 479 с.

Influence of Agrotechnical Load on Enzymatic Activity of Gray Forest Soil

with the Second Humic Horizon

M. K. Zinchenko, S. I. Zinchenko

Upper Volga Federal Agrarian Research Center, ul. Tsentral'naya, 3, pos. Novyi, Suzdal'skii r-n, Vladimirskaya obl., 60126, Russian Federation

Abstract. The influence of different cultivation techniques and fertilizer systems on the activity of urease (nitrogen cycle), invertase and catalase (carbon cycle), phosphatase (phosphorus cycle) was studied in a long-term stationary field experiment on gray forest soil with the second humus-accumulated horizon in 2014-2016. In the experimental plot the second humus horizon was at the depth of 20-21 cm and had the thickness of 19-24 cm. Soil samples were analyzed in the section (barley, oat + clover with timothy, first-year clover) of the six-field grain-grass crop rotation (winter rye, spring wheat, barley, oat + clover with timothy, first-year clover, second-year clover) against backgrounds of normal and intensive fertilizer application. There were four variants of tillage: subsurface cultivation at 6-8 cm; moldboard ploughing at 20-22 cm; subsurface cultivation at 20-22 cm; idle field (the control). Agricultural use decreased enzymatic activity of soils in an agricultural system. This trend is most pronounced against the backgrounds with an annual moldboard processing at 20-22 cm: against the normal background the reduction was 20%, against the intensive background it was 15%, compared to the control (100%). Enzymatic pool similar to that of idle land was formed against the intensive background with annual subsurface cultivation at 6-8; its activity was 99%. Against intensive backgrounds of fertilizer application for all tillage methods a higher enzymatic pool was formed, in comparison with the normal background, which is due to the increase in the activity of hydrolytic enzymes of invertase (44.8-51.7 and 37.0-41.9 mg glucose/10g soil, respectively) and of phosphatase (0.70-0.87 and 0.64-0.74 mg P2O5/1g soil, respectively). The data obtained can be used in ecological and biological standardizing of agronomic impacts on agricultural systems. Keywords: agrotechnical load; enzymatic pool; gray forest soil with the second humus horizon; soil fertility; intensification background; tillage techniques.

Author Details: M. K. Zinchenko, Cand. Sc. (Biol.), leading research fellow (е-mail: zinchenkosergei@. mail.ru); S. I. Zinchenko, D. Sc. (Agr.), prof.

For citation: Zinchenko M. K., Zinchenko S. I. Influence of Agrotechnical Load on Enzymatic Activity of Gray Forest Soil with the Second Humic Horizon. Dostizheniya nauki i tekhnikiAPK. 2018. Vol. 32. No. 10. Pp. 66-68 (in Russ.). DOI: 10.24411/0235-2451-2018-11015.

Рисунок. Ферментативная активность (в %) серой лесной почвы с ВГГ в зависимости от агротехнической нагрузки (||| - нормальный фон; ф - интенсивный фон).

Снижение общей ферментативной активности пашни, по отношению к контролю (почве залежи), на нормальном фоне составило 20 %, на интенсивном - 15 %.

Близкие к природным аналогам показатели ферментативной активности наблюдали в вариантах с безотвальной