ВЛИЯНИЕ ВОЗРАСТА ЗАЛЕЖЕЙ НА БИОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОСТАГРОГЕННЫХ ПОЧВ РОСТОВСКОЙ ОБЛАСТИ

Влияние сельскохозяйственного использования черноземов Ростовской области на их биологические свойства

Нормальное функционирование почвы возможно, когда ее биологические, биохимические, физические и химические свойства взаимосвязаны друг с другом и способствуют поддержанию всех процессов протекающих в ней. Среди этих свойств фундаментальную роль играет ферментативная активность почв. Ферменты почвы участвуют и контролируют протекание всех важнейших для сельскохозяйственного производства процессов и, таким образом, они могут быть использованы в качестве информативных показателей здоровья и качества почвы.

Ферментативная активность почв предложена как потенциальный индикатор качества почвы из-за их связи с почвенной биотой, легкости определения, и быстрого ответа на изменения, вызванные сельскохозяйственным освоением (Bergstrom et al, 1998; Гончарова и др., 1990, 1991; Казеев и др., 2004; Даденко, 2004; Вальков и др., 2008, 2009; Даденко и др., 2013, 2014 и др.).

Содержание гумуса, его состав и свойства гуминовых веществ, их распределение по почвенному профилю необходимо отнести к числу важнейших почвенных признаков, отражающих, как современную историю почвообразования, так и историю развития почвенного покрова. Это важнейший признак определяющий устойчивость почв к антропогенному воздействию и выполнение почвой ее экологических функций (Деградация и охрана..., 2002, Вальков и др., 2006).

Численность почвенных микроорганизмов является информативными и чувствительными показателями состояния почв, определяющим интенсивность круговорота веществ в экосистеме и направления почвообразовательного процесса. Уменьшение процентного содержания микроорганизмов в структуре органического вещества пахотных почв отражает нарушение сложившегося в экосистеме равновесия, изменение структуры органического вещества почвы и его потери (Полякова, Редькина, 2007). Количественные и качественные показатели состояния почвенной микрофлоры, которые могут служить ранними индикаторами

Раздел написан Е.В. Даденко

изменения состояния почв (Звягинцев, 1978; Казеев, 2004; Стахурлова, 2007).

Основная цель работы - изучение влияния сельскохозяйственного освоения - распашки на ферментативную активность, содержание гумуса и численность бактерий чернозема обыкновенного.

Исследованы пахотные варианты чернозема обыкновенного в сравнении с почвами целинной и многолетне-залежной степи памятников природы «Персиановская степь», находящегося на территории учхоза «Донское» ДонГАУ Октябрьского района, Ростовской области и «Степь приазовская», находящегося на территории учхоза ЮФУ «Недвиговка» Мясниковского района, Ростовской области. Пахотные варианты черноземов находятся в непосредственной близости от их целинных аналогов. На пашнях применяется система основной обработки (отвальный вариант) со стандартным набором агроприемов.

Лабораторно-аналитические исследования выполнены с использованием общепринятых в почвоведении, экологии и биологии методов (Галстян, 1978; Хазиев, 1990; Практикум..., 1989; Казеев, Колесников, 2012).

Изучена активность ферментов двух классов: оксидоредуктаз (каталаза, дегидрогеназа (ДГ), пероксидаза (ПО) и полифенолоксидаза (ПФО) и гидролаз (Р~ фруктофуранозид аза, или инвертаза и фосфатаза). Активность каталазы и дегидрогеназы определяли по А.Ш. Галстяну (1978), инвертазы - по А.Ш. Галстяну с фотоколориметрическим окончанием по Ф.Х. Хазиеву (1990). Активность пероксидазы и полифенолоксидазы - по методике Л.А. Карягиной и Н.А. Михайловой (1986). Активность фосфатазы - методом А.Ш. Галстяна и Э.А. Арутюняна (1966). Содержание органического вещества - общий гумус определяли по методу И.В. Тюрина в модификации Никитина (1992). Численность бактерий определена методом прямого счета - люминесцентный метод в модификации Звягинцева и Кожевина (Методы почвенной ...,1991).

Проблема деградации пахотных черноземов в значительной степени обусловлена потерей органического вещества и ухудшением структурного состояния (Когут и др., 2012). В черноземах гумусообразование и гумусо-накопление достигают максимальной интенсивности и совершенства. Однако в связи с интенсивным сельскохозяйственным использованием в этих почвах заметно ухудшаются качественно-количественные характеристики гумуса (Русанов, 1999). Снижение содержания гумуса в почвах при их распашке, как правило, влечет за собой снижение их биологической активности (Казеев и др., 2004; Даденко, 2004; Вальков и др., 2008, 2009; Даденко и др., 2013, 2014 и др.). Устойчивость биологических процессов в почве к антропогенному воздействию зависит от ее генетических свойств, таких как емкость ППК, содержание органического вещества, окислительных условий, pH и др. (Казеев и др., 2004).

Целинный чернозем характеризуется более высоким содержанием гумуса, по сравнению, с многолетнезалежным (рис. 3,4).

Содержание гумуса в пахотном и целинном черноземе учхоза «Донское» ДоиГАУ, %

Рис. 3. Содержание гумуса в пахотном и целинном черноземе учхоза «Донское» ДоиГАУ, %

Согласно показателям гумусного состояния почв, разработанным Л.А. Гришиной и Д.С. Орловым (1978), содержание гумуса в верхних горизонтах и запасы гумуса в слое 0-20 см оценены как высокие для целинного чернозема и средние для многолетне-залежного чернозема. В их пахотных аналогах данные показатели охарактеризованы, как средние для учхоза ДонГАУ и низкие для учхоза ЮФУ.Содержание органического вещества на целинном и многолетне-залежном вариантах чернозема обыкновенного учхоза ДонГАУ и учхоза ЮФУ выше, чем на пашне. Различия составили на 43 и 58% соответственно (рис. 3,4). Основные отличия отмечены в верхних горизонтах, подвергающихся непосредственному воздействию при распашке. Но па глубине 40-50 см различия все еще существенны и составляют 37 и 27%.

Значения содержания органического вещества в пахотном варианте чернозема составляет 3,72 и 2,34%, что немного ниже, чем характерные значения для аналогичных пахотных черноземов Ростовской области. О.С.

Безуглова (1995, 2001) проанализировала данные гумусированности черноземов за 50-60е годы. Сравнение этих данных с полученными нами результатами свидетельствуют о наличие дегумификации в этих почвах. По данным Валькова В.Ф. (2012) с соавторами содержание гумуса в пахотном горизонте чернозема в начале 60-х годов составляло 6,76%.

Содержание гумуса черноземах УОХ ЮФУ, %

Рис. 4. Содержание гумуса черноземах УОХ ЮФУ, %

Распашка почв приводит к значительным изменениям в количественных и качественных характеристиках поступающего в почву растительного субстрата, а также в режиме его поступления и вызывает усиление процессов микробиологического окисления органического вещества а почвах. Потери легкоразлагаемых органических веществ усиливают процессы выпахивания и приводят к ухудшению структуры, физических и воднофизических свойств, ухудшению питательного режима почв.

В целинных почвах стабильно равновесие: поступление органических остатков - гумификация - минерализация гумуса. Это устоявшееся веками равновесие сохранялось до распашки почв. Резкое нарушение равновесия связано с сокращением притока органических веществ с пожнивными и корневыми остатками культурной растительности. Это неизбежно вызывает процессы дегумификации. В силу нелинейности процесса в начальные периоды воздействия, в первые 5-10 лет, наблюдается резкое снижение запасов гумуса. Далее процесс замедляется, и содержание гумуса стабилизируется, и при постоянном способе использования почва переходит более низкое равновесное состояние содержания гумуса, когда она находится в относительном равновесии с вновь сложившимися агроэкологическими ус ловиями (Шарков, 1987; Орлов , 1996; Когут, 2011, 2012). Это подтверждают и наши многолетние данные по изучению содержания гумуса в черноземе учхоза ДонГАУ (Даденко и др., 2014). За десятилетний период исследования содержание гумуса на пашне не изменилось и колеблется в пределах 3,8 - 4,6 %. Годовая и многолетняя динамика показателя содержания гумуса пахотного чернозема характеризуется незначительным варьированием (CV= 5,8 и 4,8 соответственно). Это связано с ежегодным перемешиванием пахотного горизонта при обработке почвы, выравненностью условий, большей однородностью распределения возделываемых культур по сравнению с естественной степной растительностью.

Распашка и сельскохозяйственное использование почв оказывает серьезное влияние на физические параметры, такие как плотность, водоудерживающая способность, пористость, структурно-агрегатный состав. Физические характеристики почвы, в значительной степени контролируют ее биологическую активность, прежде всего, через звено поступления ферментов в почву и их иммобилизацию (Галстян, 1974).

Определение, является Дополнительной характеристикой процессов синтеза и распада гумусовых веществ является изучение активности окислительных ферментов полифенолоксидазы и пероксидазы, участвующих в процессах гумусообразования. Полифенолоксидаза катализирует окисление полифенолов в хиноны в присутствии свободного кислорода воздуха и играет ключевую роль в круговороте ароматических соединений. Пероксидаза же катализирует окисление полифенолов в присутствии перекиси водорода или органических перекисей. При этом ее роль состоит в активировании перекисей, поскольку они обладают слабым окисляющим действием на фенолы (Кононова, 1963; Хазиев, 2005).

Активность пероксидазы и полифенолоксидазы на пашне выше, чем на нераспахиваемом участке на 21% и 34% соответственно. При этом содержание органического вещества наоборот выше на почвах под степной растительностью. Следовательно, процессы новообразования гумуса и его разложения в почвах пашни протекают намного интенсивнее, чем в почвах под естественными сообществами. Что может приводить к еще большим потерям органического вещества.

Потеря органического вещества при распашке, приводит к повышению интенсивности окислительных процессов в почве и, следовательно может вызывать повышение активности пероксидазы и полифенолоксидазы. Причем в аридных экосистемах высокая температура и низкая влажность приводят к окислительному стрессу, который интенсифицирует выработку фе-нолоксидаз (Sinsabaugh, 2010).

В наших исследованиях корреляционный анализ показал, достоверную отрицательную зависимость активности пероксидазы и полифенолоксида-зы от влажности (коэффициенты корреляции соответственно равны - 0,64 и - 0,62). Зависимость от содержания гумуса составила - 0,55 и - 0,60.

Если сравнивать между собой степной и залежный участок, то можно сказать, что целинный чернозем по изученным показателям опережает чернозем залежи.

Активность пероксидазы и полифенолоксидазы выше в почвах пашни, но только в верхних горизонтах, подвергающихся непосредственному воздействию. На глубине 40-50 см активность этих ферментов в черноземе пахотного и целинного участка, а также пахотного и залежного практически не отличается (рис. 3-6). Хотя различия в содержании гумуса на этой глубине еще значительны.

Направленность процессов гумусообразования и разложения органических веществ и их интенсивность определяется сочетанием почвенных и климатических факторов. Действие климатических факторов с глубиной выравнивается, что возможно и объясняет схожесть в уровнях активности изучаемых ферментов на глубине 40-50 см.

Каталаза - одна из самых распространенных почвенных оксидоредуктаз участвующий в детоксикации токсичной для живых организмов перекиси водорода. В исследованиях Е.В. Даденко (2004) показана зависимость активности каталазы от воздушного режима и влажности почв. Многолетние исследования ферментативной активности почв юга России не выявили прямой связи активности каталазы с общим содержанием гумуса.

Как демонстрируют рис. 5,6, активность каталазы при сельскохозяйственном использовании меняется незначительно. При профильном рассмотрении биологических свойств черноземов обыкновенных активность каталазы также является малоинформативным показателем. Ее активность в нижележащих горизонтах, как и в верхних горизонтах, несколько ниже в пахотных вариантах, чем в целинном и многолетнезалежном черноземе. Различия в активности ферментов между целинным и пахотным, залежным и пахотным вариантами чернозема на глубине 40-50 см не отмечены.

Активность каталазы в пахотном и целинном черноземе учхоза «Донское» ДонГАУ, мл Оэ/г почвы/ мин

Рис. 5. Активность каталазы в пахотном и целинном черноземе учхоза «Донское» ДонГАУ, мл Оэ/г почвы/ мин

Активность каталазы в пахотном и залежном черноземе УОХ ЮФУ, мл О?/г почвы/ мин

Рис.6. Активность каталазы в пахотном и залежном черноземе УОХ ЮФУ, мл О?/г почвы/ мин

Дегидрогеназы являются внутриклеточными ферментами и используются в качестве индикатора общей микробиологической активности почвы (Burns, 1982; Bandick et al., 1999). Именно происхождение дегидрогеназ и их связь с живыми организмами является причиной широкого использования этого фермента в качестве диагностического показателя.

Как демонстрирует рис. 7,8, активность дегидрогеназы при сельскохозяйственном использовании снижается значительно (28% и 52%). Что связано в первую очередь со снижением содержания гумуса. Наши многолетние исследования показали связь активности дегидрогеназы с содержанием органического вещества (Даденко, 2004; Даденко, Прудникова и др., 2013;

Даденко, 2014; Прудникова, Даденко и др., 2013 и др.). Максимальные отличия в пахотных, целинных и залежных вариантах отмечены в верхних, подвергающихся наибольшему воздействию горизонтах. Причем уже на глубине 20 см активность дегидрогеназы ниже более чем на 30%, по сравнению с верхним горизонтом. Различия в активности ферментов между целинным, залежным и пахотным вариантом чернозема сохраняются вплоть до глубины 30-40 см. Ниже достоверно значимых отличий не отмечено.

Активность дегидрогеназы в пахотном и целинном черноземе учхоза «Донское» ДонГАУ, мг ТФФ/10г почвы/24 часа

Рис. 7. Активность дегидрогеназы в пахотном и целинном черноземе учхоза «Донское» ДонГАУ, мг ТФФ/10г почвы/24 часа

Активность дегидрогеназы в пахотном и залежном черноземе У ОХ ЮФУ, мг ТФФ/10г почвы/24 часа

Рис. 8. Активность дегидрогеназы в пахотном и залежном черноземе У ОХ ЮФУ, мг ТФФ/10г почвы/24 часа

Снижение активности дегидрогеназы при распашке связано также и с изменениями, происходящими с живым населением почвы, а именно с микроорганизмами. Распашка приводит к снижению содержания органиче ского вещества и его распределения в почве, изменениям в доступности питательных веществ и пула С, N, Р, S. Изменение физических и химических параметров почв при сельскохозяйственном освоении создает новые условия для почвенных микроорганизмов, и приводят к изменению структуры их сообществ (Звягинцев, 1978; Хазиев, 1982; Звягинцев, 1987; Bandick, 1999; Balota, 2004).

В результате исследований не установлено значимых отличий (р>0,05) численности бактерий в верхних горизонтах пахотных вариантов черноземов, в сравнении с целинными аналогами, хотя снижение и составило 15 и 19% соответственно в черноземе учхоза ЮФУ и черноземе учхоза ДонГАУ (рис. 9-10).

Численность бактерий в пахотном и целинном черноземе учхоза «Донское» ДонГАУ, млрд/г

Рис. 9. Численность бактерий в пахотном и целинном черноземе учхоза «Донское» ДонГАУ, млрд/г

Многолетние исследования выявили различия в численности бактерий между целинными и пахотными почвами исследуемых участков (Репях, Казеев, 2007). Распределение активности дегидрогеназы в почвенном профиле связано с распределением микроорганизмов. Численность бактерий максимально в верхнем горизонте и характеризуется резким снижением вниз по профилю.

Численность бактерий в пахотном и залежном черноземе УОХ ЮФУ, млрд/г

Рис. 10. Численность бактерий в пахотном и залежном черноземе УОХ ЮФУ, млрд/г

Инвертаза катализирует гидролиз дисахаридов до моносахаридов и играет важную роль в освобождении сахаров с низкой молекулярной массой - важнейшего источника энергии для микроорганизмов. Благодаря своей роли в почве, инвертазы являются достаточно изученным ферментом.

Активность инвертазы снижается при распашке почв (рис. 11).

Активность инвертазы в пахотном и целинном черноземе учхоза «Донское» ДонГАУ, мг глюкозы/г почвы/24 часа

Рис. 11. Активность инвертазы в пахотном и целинном черноземе учхоза «Донское» ДонГАУ, мг глюкозы/г почвы/24 часа

Снижение активности фермента составляет 38 и 58%. Наши многолетние исследования показали высокую положительную корреляционную связь активности инвертазы с содержанием органического вещества (Даденко, 2004; Даденко, Прудникова и др., 2013; Даденко, 2014; Прудникова, Даденко и др., 2013 и др.). Для изученных черноземов коэффициент корреляции активности инвертазы и содержания гумуса равен 0,89. Также показана отрицательная зависимость между инвертазной активностью и активностью пероксидазы и полифенолоксидазы.

Характер снижения активности фермента вниз по почвенному профилю довольно резкий. Разница в активности фермента на глубине 20 см, по сравнению с верхним горизонтом составляет 30% и более. На глубине 40-50 см пашня целина и залежь по инвертазной активности друг от друга практически не отличаются.

В наших исследованиях активность фосфатазы на пашне превышает таковую на целинном и залежном участке. Степень отличий составила 44 и 17% соответственно. Таким образом, уровень активности фермента не зависел от содержания гумуса, значительно снижающегося при распашке.

С другой стороны, профильное распределение активности фермента, повторяет распределение органического вещества и демонстрирует закономерное снижение вниз по почвенному профилю. Очевидно, что для активности фосфатазы в верхних горизонтах, и особенно в подвергающемся непосредственному воздействию при распашке, пахотном горизонте определяющим является наличие фосфора, а также аэрация, и влажность.

Таким образом, сельскохозяйственное использование черноземов приводит к изменению их биологических показателей. Изученные биологические показатели значительно различаются по степени устойчивости к сельскохозяйственному использованию.

При распашке в наибольшей степени изменяется активность инвертазы, дегидрогеназы и содержание гумуса. Активность каталазы снижается незначительно. Активность пероксидазы, полифенолоксидазы и дегидрогеназы, наоборот, увеличиваются. Что также может служить диагностическим показателем для изучения последствий распашки на черноземы. Но степень их изменения не столь значительна как для активности инвертазы и дегидрогеназы.

Изменение ферментативной активности при сельскохозяйственном использовании черноземов, может приводить к изменению направленности и интенсивности протекания процессов, важнейших для функционирования не только почвы, но и экосистем в целом, так как ферменты выступают в роли посредников многочисленных химических реакций, осуществляемых в почве.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >