Influence of resource-saving technologies of basic cultivation on the enzymatic activity of chernozem in the Krasnoyarsk forest-steppe

Full Text

Введение

В настоящее время под влиянием антропогенного воздействия происходит значительное усиление техногенной деградации агрогенных экосистем. Ухудшение экологического состояния пахотных почв сопровождается негативными изменениями и приводит к снижению комплексной функции плодородия [1].

Обработка почв – важнейший элемент технологии возделывания культурных видов растений, от которого зависят факторы почвенного плодородия [2].

Применение классической системы обработки с оборотом пласта сопровождается агрофизической деградацией и значительным снижением содержания органического вещества почвы, что приводит к снижению почвенного плодородия и урожайности выращиваемых культур [3].

В настоящее время большое внимание уделяется современным сельскохозяйственным методам, которые способствуют улучшению качества агрогенных почв и приводят к устойчивому развитию сельского хозяйства. При разработке новых систем земледелия необходимо учитывать их влияние на биологические свойства почвы, характеризующие состояние почвенного плодородия [4; 5].

Благодаря высокой чувствительности к любым внешним неблагоприятным изменениям, биологические параметры являются основными индикаторами экологического состояния почвы. По показателям биологической активности, почвенные ферменты быстрее реагируют на незначительные изменения окружающей среды и отражают изменения, происходящие в состоянии агрогенных почв [6].

Ферменты образуются живыми организмами и являются биологическими катализаторами белковой природы. Определяя направленность и интенсивность биохимических процессов в почве, ферментативная активность является важнейшим биологическим показателем, определяющим почвенное плодородие [7; 8].

В настоящее время для экологических исследований нет единого решения в выборе почвенных ферментов и методов их определения. Некоторые авторы предлагают при оценке общей биологической активности определять инвертазу, амилазу, уреазу, фосфатазу, каталазу, дегидрогеназу [9], другие рекомендуют использовать инвертазу, уреазу, дегидрогеназу и каталазу [10]. Ряд зарубежных авторов для оценки качества почвы используют деятельность дегидрогеназы и уреазы [11; 12].

Для оценки биологического состояния агрогенных почв при проведении комплексных экологических исследований рекомендуется анализировать динамику нескольких групп ферментов [5; 13]. В наших исследованиях для оценки влияния ресурсосберегающих способов основной обработки чернозема обыкновенного определяли активность ферментов класса гидролаз – инвертазу, урезу и фосфатазу, класса оксидоредуктаз – каталазу и дегидрогеназу.

Цель и объекты исследования

Цель наших исследований заключалась в оценке влияния ресурсосберегающих технологий основной обработки почвы на ферментативную активность чернозема обыкновенного в условиях Красноярской лесостепи.

Исследования проведены в период 2015–2017 гг. на территории опытно-производственного хозяйства «Минино», расположенного в 4 км от г. Красноярск. Почвы стационарного полевого опыта представлены среднемощными среднесуглинистыми обыкновенными черноземами. При исследовании уровня и характера динамики биологической активности почв в качестве эталона принят соответствующий почвенный аналог целины.

В работе рассмотрены три способа основной обработки почвы: «классическая» зяблевая вспашка на глубину 20–22 см и предпосевная культивация весной; «минимальная», состоящая из осеннего и весеннего дискования тяжелой бороной на 8–10 см, и «нулевая» (технология no-till) без механической обработки.

Исследования проведены на вариантах с посевами пшеницы (Новосибирская 29), овса (Саян), ячменя (Буян). Перед посевом культур производилось внесение 1 ц/га аммиачной селитры.

Для изучения динамики ферментативной активности почвенные образцы отбирались в разные периоды развития полевых культур – фазу кущения, трубкования и перед уборкой яровых зерновых. Отбор образцов на опытных вариантах и целинном аналоге производились одномоментно на глубину 0–20 см.

Определение ферментативной активности почв проводилось на основе учета количества переработанного в процессе реакции субстрата или образования продукта реакции в оптимальных условиях реакции среды, температуры, концентрации субстрата и навески почвы. Активность каталазы, уреазы и фосфатазы измеряли по методикам Галстяна, инвертазы и дегидрогеназы – по методам Галстяна в модификации Хазиева [14].

Результаты исследований и их обсуждение

Климатические условия являются наиболее важными из факторов, регулирующих почвенные процессы. Оказывая влияние на деятельность почвенных организмов и растений, гидротермический режим в значительной степени определяет интенсивность биохимических процессов в почве [13].

Агрометеорологические условия в годы проведения исследований получены с метеорологической станции пос. Минино. В 2015 г. погодные условия вегетационного периода характеризовались как недостаточно влажные, а в 2016–2017 гг. как избыточно влажные и теплые, с превышением среднемесячных температур многолетних показателей. Распределение среднесуточных температур и осадков за вегетационный период АМС «Минино» по годам исследования представлены в таблице 1.

 

Таблица 1 – Гидротермические условия за вегетационный период на территории опытно-производственного хозяйства «Минино»

Год	Месяц				Май-август	Процент к норме
	май	июнь	июль	август
Среднесуточная температура воздуха, °С
2015	11,4	17,4	20,1	17,2	16,5	110,0
2016	8,7	19,3	20,6	16,7	16,3	108,6
2017	11,2	19,8	18,8	16,4	16,5	110,0
Среднемноголетние	10,0	15,0	19,0	16,0	15,0	–
Осадки, мм
2015	24,8	70,5	52,7	42,2	190,2	95,6
2016	51,6	38,3	147,4	56,1	293,4	147,4
2017	36,0	48,0	61,0	154,0	299,0	150,2
Среднемноголетние	29,0	43,0	66,0	61,0	199,0	–

 

На целинном аналоге активность ферментов в течение вегетационного периода превышала данные, полученные с опытного поля, независимо от варианта обработки и возделываемой культуры. Эти данные неоднократно отмечены как в целом для почв России [5; 13], так и для лесостепи Средней Сибири [15].

В пахотных почвах сокращается поступление растительных остатков, вследствие механической обработки почвы происходит усиление процессов минерализации, эрозии и дефляции. Совокупность этих факторов приводит к уменьшению запасов гумуса и снижению биологической активности агрогенных почв [16; 17].

Обработка чернозема обыкновенного опытно-производственного хозяйства «Минино» привела к снижению активности почвенных ферментов. Активность каталазы уменьшилась на 9,88%, активность уреазы на 28,78%, активность фосфатазы на 30,30% и активность дегидрогеназы на 29,95%. Наиболее значимые различия отмечены для инвертазной активности – 39,94%. Такая зависимость объясняется связью активности инвертазы с содержанием гумуса, значительно снижающимся при распашке.

Каталазная активность практически не зависела от изучаемых факторов. В среднем за годы исследований наиболее высокая активность каталазы наблюдалась в 3-й срок наблюдения, а наименьшая в 1-й срок определения. Весной каталазная активность почвы на вариантах опытного поля составила в среднем: по вспашке – 3,67, дискованию – 3,32 и прямом посеве – 3,26 О₂ см³/г за 1 мин. Разница между вариантами составила 11%.

В середине вегетационного периода средняя активность каталазы изменялась незначительно от 4,00 до 4,31 О₂ см³/г за 1 мин., разница между вариантами составила 7%. Наиболее выраженные изменения наблюдались осенью перед уборкой зерновых культур. При вспашке активность этого фермента достигла 5,08, при дисковании 4,66 и прямом посеве 4,17 О₂ см³/г за 1 мин. Разница между вариантами 18%. Средняя динамика каталазной активности в зависимости от основной обработки почвы представлена на рисунке 1.

 

Рисунок 1 – Средняя динамика каталазной активности в зависимости от основной обработки почвы, 2015–2017 гг.

 

На варианте с прямым посевом наблюдается небольшое снижение каталазной активности, что, возможно, связано с уплотнением почвы и ухудшением условий для развития аэробной микрофлоры. Наибольшая интенсивность каталазной активности отмечается в 2016 и 2017 гг. Более высокая активность по сравнению с предшествующим 2015 годом исследований обусловлена переувлажнением почвы на фоне повышенной среднемесячной температурой. В среднем в годы с достаточным увлажнением активность каталазы повышалась на 15,6% на варианте с прямым посевом, 16,0% с дискованием и 20,1% на варианте прямого посева. Стоит отметить, что наименьшие изменения отмечены на целинном аналоге – изменения составили 10,5%. Каталазная активность на вариантах опытного поля в зависимости от основной обработки представлена в таблице 2.

Таким образом, наибольшие значения каталазной активности в начале вегетации отмечались в варианте с отвальной вспашкой, наименьшие – при прямом посеве. В конце вегетации, при общем увеличении ферментативной активности, влияние способов основной обработки почвы было более существенным.

Наиболее высокое содержание уреазы в течение вегетационного периода зерновых культур наблюдается весной. На варианте с дискованием ее активность составила в среднем 19,32 мг NH₄ на 10 г за 24 ч., на варианте с вспашкой и прямым посевом активность этого фермента почти не различалась и составила 17,71 и 18,05 мг NH₄ на 10 г за 24 ч. соответственно.

В середине вегетационного период уреазная активность снижается по всем вариантам обработки. К 3-му сроку отбора отмечается увеличение уреазной активности почвы. В конце вегетационного периода активность этого фермента максимальна на варианте прямого посева и достигает 17,68 мг NH₄ на 10 г за 24 ч. Средняя динамика уреазной активности в зависимости от основной обработки почвы представлена на рисунке 2.

 

Таблица 2 – Средняя каталазная активность почв в посевах зерновых культур в зависимости от основной обработки почвы, О₂ см³/г за 1 минуту

Культура	Система обработки почвы	Год определения			Среднее значение
		2015	2016	2017
Пшеница	Зяблевая вспашка	3,60	4,71	4,28	4,20
	Минимальная обработка	4,04	4,45	4,20	4,23
	Прямой посев	3,72	4,09	4,21	4,01
Овес	Зяблевая вспашка	3,96	4,80	4,46	4,41
	Минимальная обработка	3,10	4,59	4,32	4,01
	Прямой посев	2,93	4,23	3,99	3,72
Ячмень	Зяблевая вспашка	4,00	4,75	4,43	4,39
	Минимальная обработка	3,74	4,38	4,05	4,06
	Прямой посев	3,15	4,07	3,93	3,71
Целинный аналог		4,20	4,69	4,70	4,53
HCP₀₅		0,90	0,60	0,31	0,46

 

Рисунок 2 – Средняя динамика уреазной активности в зависимости от основной обработки почвы, 2015–2017 гг.

 

При снижении механической нагрузки на почву происходит повышение активности уреазы. Такое распределение может свидетельствовать о высоком уровне азотного обмена почвы. Уровень уреазной активности тесно связан с численностью микроорганизмов [15]. Поэтому повышение уреазной активности чернозема обыкновенного при минимизации обработки может быть также связано с увеличением на этих вариантах доли общей биогенности [18].

При анализе уреазной активности в годы с разными гидротермическими условиями следует отметить увеличение активности фермента в более благоприятные 2015 и 2016 гг. В 2016 и 2016 годах на фоне повышенного температурного режима и достаточного увлажнения в активность уреазы увеличилась в среднем на 15,7%. Уреазная активность на вариантах опытного поля в зависимости от основной обработки почвы представлена в таблице 3.

Активность дегидрогеназы в течение сезона динамична, с минимумом в середине и максимумом в конце вегетации зерновых. Наименьшая активность фермента наблюдается в срок, соответствующий фазе трубкования зерновых культур, и составляет 16,56 мг ТТФ на 10 г за 24 ч. на варианте с вспашкой, 18,77 на варианте с дискованием и 17,62 на варианте с прямым посевом. В весенний и осенний период наблюдается возрастание дегидрогеназы. Осенью этот показатель значительно возрастает и достигает максимума на варианте с дискованием до 25,99 мг ТТФ на 10 г. Средняя динамика дегидрогеназной активности в зависимости от основной обработки почвы представлена на рисунке 3.

Анализ активности фермента пахотного горизонта почвы показал положительное влияние минимизации обработки почвы на активность дегидрогеназы. Более высокая активность дегидрогеназы отмечается на варианте с дискованием, независимо от выращиваемой культуры. В конце вегетационного периода активность фермента составляет 22,73 мг ТТФ на 10 г за 24 ч. на варианте с вспашкой, 24,14 на варианте с прямым посевом и 25,99 мг ТТФ на 10 г за 24 ч. на варианте с дискованием.

 

Таблица 3 – Средняя уреазная активность почв в посевах зерновых культур в зависимости от основной обработки почвы, мг NH₄ на 10 г за 24 ч.

Культура	Система обработки почвы	Год определения			Среднее значение
		2015	2016	2017
Пшеница	Зяблевая вспашка	13,68	15,58	16,23	15,16
	Минимальная обработка	15,29	17,16	16,64	16,36
	Прямой посев	14,51	18,30	15,94	16,25
Овес	Зяблевая вспашка	13,55	15,93	15,86	15,11
	Минимальная обработка	15,04	17,60	17,45	16,69
	Прямой посев	14,40	17,92	17,67	16,66
Ячмень	Зяблевая вспашка	13,44	15,32	16,29	15,02
	Минимальная обработка	15,12	18,10	16,87	16,70
	Прямой посев	14,16	17,64	16,53	16,11
Целинный аналог		20,41	23,86	23,06	22,44
HCP₀₅		1,24	2,62	2,23	1,49

 

Рисунок 3 – Средняя динамика дегидрогеназной активности в зависимости от основной обработки почвы, 2015–2017 гг.

 

В 2016 и 2017 годах с достаточным увлажнением дегидрогеназная активность увеличилась в среднем на 14,9% на всех вариантах опытного поля. Наибольшие изменения до 16,0% отмечены на варианте с зяблевой вспашкой. Динамика дегидрогеназной активности в зависимости от основной обработки почвы представлена в таблице 4.

 

Таблица 4 – Средняя дегидрогеназная активность почв в посевах зерновых культур в зависимости от основной обработки почвы, мг ТТФ на 10 г за 24 ч.

Культура	Система обработки почвы	Год определения			Среднее значение
		2015	2016	2017
Пшеница	Зяблевая вспашка	17,79	20,16	20,57	19,51
	Минимальная обработка	19,53	22,02	22,87	21,48
	Прямой посев	19,18	20,70	22,03	20,64
Овес	Зяблевая вспашка	16,63	20,78	19,34	18,91
	Минимальная обработка	19,14	23,08	22,17	21,46
	Прямой посев	17,81	22,08	21,63	20,51
Ячмень	Зяблевая вспашка	16,78	19,91	19,80	18,83
	Минимальная обработка	18,92	22,55	21,78	21,08
	Прямой посев	18,69	20,22	21,29	20,07
Целинный аналог		25,72	30,04	30,65	28,80
HCP₀₅		1,91	2,18	1,48	1,50

 

Максимум активности инвертазы наблюдался весной и осенью, а минимум в середине вегетационного периода. Значения активности инвертазы в весенний период находились в интервале 19,36–20,71 мг глюкозы на 1 г за 24 ч. Летом происходило понижение ее уровня в 1,4 раза до 13,10–15,10 мг глюкозы на 1 г за 24 ч. Средняя динамика инвертазной активности в зависимости от основной обработки почвы представлена на рисунке 4.

 

Рисунок 4 – Средняя динамика инвертазной активности в зависимости от основной обработки почвы, 2015–2017 гг.

 

Повышение активности инвертазы весной и осенью свидетельствует об усилении в эти периоды гидролитических процессов. Это подтверждают литературные данные о повышении интенсивности гидролитических процессов с увеличением влажности [19].

Наиболее низкие показатели инвертазной активности наблюдались на поле с традиционной технологией обработки почвы по всем исследованным культурам. В вариантах с дискованием и прямым посевом происходит увеличение активности инвертазы.

В недостаточно влажном и жарком 2015 году в целом активность инвертазы снижается, особенно в летний период. В 2016 и 2017 годах с благоприятными гидротермическими условиями активность инвертазы увеличилась в среднем на 20,6%. Инвертазная активность на вариантах опытного поля в зависимости от основной обработки почвы представлена в таблице 5.

 

Таблица 5 – Средняя активность инвертазы в посевах зерновых культур в зависимости от основной обработки почвы, мг глюкозы на 1 г за 24 ч.

Культура	Система обработки почвы	Год определения			Среднее значение
		2015	2016	2017
Пшеница	Зяблевая вспашка	13,22	16,69	18,25	16,05
	Минимальная обработка	15,02	17,93	19,89	17,61
	Прямой посев	15,04	16,83	18,61	16,83
Овес	Зяблевая вспашка	13,05	16,11	18,00	15,72
	Минимальная обработка	14,32	17,96	19,76	17,34
	Прямой посев	15,49	16,34	18,96	16,93
Ячмень	Зяблевая вспашка	12,73	15,37	17,07	15,05
	Минимальная обработка	14,33	18,81	19,50	17,55
	Прямой посев	14,82	17,91	19,23	17,32
Целинный аналог		22,73	30,07	30,56	27,78
HCP₀₅		1,30	1,68	1,29	0,94

 

Сезонная изменчивость фосфатазной активности проявляется в снижении этого показателя в середине вегетационного периода. Значения активности фосфатазы в весенний период значительно не отличались по вариантам опыта и находились в интервале 4,62–4,84 мг P₂O₅ на 10 г за 1 ч. Средняя динамика фосфатазной активности в зависимости от основной обработки почвы представлена на рисунке 5.

 

Рисунок 5 – Средняя динамика фосфатазной активности в зависимости от основной обработки почвы, 2015–2017 гг.

 

Интенсивность фосфатазной активности в летний период снижалась до 3,94–4,31 мг P₂O₅ на 10 г за 1 ч. В конце вегетационного периода активность фермента составляет 5,55 мг P₂O₅ на 10 г за 1 ч. на варианте с зяблевой вспашкой, 6,17 на варианте с прямым посевом и 6,69 мг P₂O₅ на 10 г за 1 ч. на варианте с дискованием.

В наших исследованиях наиболее низкие показатели фосфатазной активности наблюдаются на вариантах с зяблевой вспашкой по всем исследованным культурам. На вариантах с минимальной обработкой и прямым посевом более высокая активность объясняется большим поступлением растительных остатков, являющихся субстратами почвенных фосфатаз, и повышенной микробиологической активностью [20].

В 2016 и 2017 годах с благоприятными гидротермическими условиями в период вегетации зерновых культур активность фосфатазы превышала данные, полученные в 2015 г., в среднем на 13,9% на всех вариантах опытного поля. Наименьшие изменения отмечены на целинном аналоге 5,7%. Фосфатазная активность на вариантах опытного поля в зависимости от основной обработки почвы представлена в табл. 6.

 

Таблица 6 – Средняя активность фосфатазы в посевах зерновых культур в зависимости от основной обработки почвы, мг P₂O₅ на 10 г за 1 ч.

Культура	Система обработки почвы	Год определения			Среднее значение
		2015	2016	2017
Пшеница	Зяблевая вспашка	4,34	4,78	4,80	4,64
	Минимальная обработка	4,79	5,70	5,44	5,31
	Прямой посев	4,64	5,21	5,28	5,04
Овес	Зяблевая вспашка	4,38	4,83	5,11	4,77
	Минимальная обработка	4,38	5,63	5,56	5,19
	Прямой посев	4,32	5,21	5,26	4,93
Ячмень	Зяблевая вспашка	4,36	4,80	4,91	4,69
	Минимальная обработка	4,80	5,70	5,43	5,31
	Прямой посев	4,85	5,48	5,56	5,30
Целинный аналог		6,90	7,26	7,37	7,18
HCP₀₅		0,44	0,45	0,59	0,46

 

Минимализация и отсутствие обработки позволили накопить на поверхности почвы мульчирующий слой из растительных остатков и измельченной соломы. Образование мульчирующего слоя, при применении ресурсосберегающих технологий обработки, активизируют почвенную микрофлору и синтез почвенных ферментов.

Культурные виды растений по-разному стимулируют активность почвенных ферментов. Высокая активность ферментов в ризосфере различных культур свидетельствует об интенсивности биохимических процессов, содействующих образованию легкоусвояемых растениями питательных веществ [21].

В наших исследованиях активность ферментов в большей степени повышалась под овсом и ячменем. Высокая ферментативная активность под этими культурами определяется большей кустистостью, фитомассой и более мощной корневой системой. В целом активность ферментов практически не зависела от возделываемой культуры.

В связи с высокой динамичностью биохимических процессов, протекающих в почве, показатели биологической активности отличаются высокой изменчивостью [13]. Для оценки взаимосвязи между изучаемыми показателями был проведен линейный корреляционный анализ по средним значениям биохимических показателей по вариантам каждого срока отбора проб.

Высокая положительная корреляционная зависимость наблюдается между активностью уреазы и инвертазой (r = 0,807), дегидрогеназой и фосфатазой (r = 0,946), а также активностью дегидрогеназы и инвертазы (r = 0,716). Активность каталазы находится в отрицательной зависимости от инвертазной активности (r = –0,739).

Сопоставляя результаты корреляционного анализа, отметили тесную связь между содержанием органического вещества и изучаемыми показателями биологической активности. Содержание гумуса в наибольшей степени коррелировало с содержанием инвертазы (r = 0,841), дегидрогеназы (r = 0,790) и фосфатазы (r = 0,719). Следует отметить высокую отрицательную связь между содержанием органического вещества и активностью каталазы (r = –0,892).

Найденная зависимость между активностью инвертазы и содержанием гумуса (r = 0,841) объясняется приуроченностью фермента к органическому веществу почвы. Инвертазная активность характеризует наличие в почве подвижного гумуса, поэтому активность этого фермента рекомендуется использовать как дополнительный показатель плодородия почвы.

При изучении связи биологических показателей с урожайностью зерновых культур не установлено четких закономерностей. Можно проследить положительную связь урожайности культур с активностью инвертазы (r = 0,557) и содержанием гумуса (r = 0,510), отрицательную с активностью каталазы (r = –0,517).

Для оценки влияния фактора обработки почвы и фактора полевой культуры на показатели ферментативной активности проведен двухфакторный дисперсионный анализ (таблица 7).

 

Таблица 7 – Двухфакторный дисперсионный анализ для оценки влияния систем обработки почвы и полевой культуры на показатели биологической активности почв

Показатель	Влияние, %
	фактор А полевой культуры	фактор В обработки почвы
Активность каталазы	0,556	12,711
Активность уреазы	0,180	6,831
Активность дегидрогеназы	0,512	8,851
Активность инвертазы	0,198	8,910
Активность фосфатазы	0,423	7,136

 

Значительное влияние фактор обработки почвы оказывает на активность каталазы 12,71%, дегидрогеназы 8,85% и инвертазы 8,91%. Фактор полевой культуры не оказывает значительного влияния на биохимические показатели. Самое большое влияние зерновые культуры оказывают на активность каталазы – 0,556%.

Выводы

1. Обработка чернозема обыкновенного опытно-производственного хозяйства «Минино» привела к снижению активности почвенных ферментов. Активность каталазы уменьшилась на 9,88%, активность уреазы на 28,78%, активность дегидрогеназы на 29,95%, активность фосфатазы на 30,30%. Наиболее сильные различия отмечены для активности инвертазы – 39,94%.
2. Применение ресурсосберегающих систем обработки повышает активность почвенных ферментов, за исключением каталазы. Более высокая активность дегидрогеназы, уреазы, фосфатазы и инвертазы установлена на вариантах с минимальной обработкой. Возделываемые культуры не оказали существенного влияния на активность ферментов.
3. Значительное влияние на почвенные ферменты оказали гидротермические условия. В годы с благоприятными гидротермическими условиями активность ферментов превышала данные, полученные в 2015 г., на всех вариантах опытного поля. Повышенная влажность в 2017 году привела к снижению ферментативной активности почвы.

About the authors

Nikolay Vladimirovich Kozhevnikov

Kemerovo State University

Email: koghevnikov_nv@mail.ru

postgraduate student of Botany Department

Russian Federation, Kemerovo

Alexandra Vasilyevna Zaushintsena

Kemerovo State University

Email: alexaz58@yandex.ru

doctor of biological sciences, professor of Botany Department

Russian Federation, Kemerovo

Vasily Nikolaevich Romanov

Krasnoyarsk Research Institute of Agriculture, Federal Research Center «Krasnoyarsk Science Center SB RAS»

Author for correspondence.
Email: romanov1948@yandex.ru

doctor of agricultural sciences, leading researcher of Agrotechnology Department

Russian Federation, Krasnoyarsk

References

Supplementary files