Разработка технологических приемов повышения плодородия почв и продуктивности сельскохозяйственных культур в Приморье – важнейшие проблемы в обеспечении продовольственной безопасности региона. При этом первостепенное значение в решении этих проблем имеет изучение и целенаправленное регулирование биохимических процессов в почве с целью создания управляемых почвенных режимов, обеспечивающих оптимальные условия для роста и продуктивности культур [1]. Исследованиями многих ученых доказана тесная взаимозависимость между численностью, составом почвенной микробиоты и интенсивностью биологических процессов.
Одним из показателей микробиологической активности почв является её ферментативная активность, которая представляет собой многофункциональную характеристику, зависящую от свойств почвы, факторов среды, формирующих данную почву, от биологических свойств растительности и особенностей агротехники [2]. Микроорганизмы обладают мощным ферментативным аппаратом, способствующим их участию в почвообразовании, в круговороте биогенных элементов и в поддержании плодородия почв [3–5]. Выявлена взаимосвязь между биологической активностью почв, определяющейся жизнедеятельностью населяющих её микроорганизмов и продуктивностью многолетних трав [6, 7]. Комплексный показатель, характеризующий биологическую активность почв – целлюлозоразлагающая способность почвы. Скорость разложения целлюлозы влияет на скорость разложения органики в целом. При этом процесс разложения органического вещества является важным звеном мирового биогеохимического круговорота элементов и во многом определяет плодородие почв [3]. При исследовании целлюлозоразлагающей активности определяют актуальную, непосредственно в полевых условиях, и потенциальную, методом компостирования почвенных образцов в лабораторных условиях при температуре 28 °С и влажности 60 % от полной влагоёмкости. В отличие от потенциальной целлюлозоразлагающей активности, актуальная активность характеризует функционирование почвенной биоты в реальных экологических условиях [8].
При изучении процессов гумусообразования важна оценка каталазной активности, поскольку в основе синтеза гумусовых компонентов почвы лежат окислительно-восстановительные процессы и по их активности можно судить о направленности процессов разложения и синтеза органических веществ [9].
На территории Приморского края, при исследовании влияния различных систем агротехнической обработки агротемногумусовых глеевых почв с внесением удобрений в посевах козлятника восточного (Galega orientalis Lam.) на процессы гумусонакопления, основное внимание уделено активности ферментов из класса оксидоредуктаз (пероксидазы, полифенолоксидазы, каталазы), играющих важную роль в биогенезе гумуса [3].
Однако исследований по изучению целлюлозоразлагающей активности при различных системах агротехнической обработки почв с посевами Galega orientalis на территории Приморского края не проводилось. Между тем целлюлозоразрушающие микроорганизмы осуществляют не только минерализацию органических остатков, но и принимают участие в гумификации органического вещества в почвах, что определяет уровень почвенного плодородия и продуктивности биоты. В связи с этим основной целью работы была оценка ферментативной (целлюлозоразлагающей и каталазной) активности агротемногумусовых глеевых почв с посевом Calega orientalis в горизонте PU при различных способах обработки почв (боронование, дискование) с внесением минеральных удобрений.
В задачи исследований входило:
1. Исследование физико-химических и агрохимических показателей агротемногумусовых глеевых почв.
2. Изучение каталазной и целлюлозоразлагающей активности почв при разных системах агротехнической обработки.
3. Определение интегрального показателя биологического состояния почв.
Материалы и методы исследования
Объект исследований – агротемногумусовые глеевые почвы с генетическими горизонтами: PU – AU – G – Cg. Название почв приведено согласно классификации 2004 г. [10]. Исследования проведены на опытных полях ФГБНУ «ФНЦ Агробиотехнологий Дальнего Востока им. А.К. Чайки», пос. Тимирязевский Уссурийского района Приморского края. Закладка опыта осуществлялась по схеме: 1) контроль; 2) боронование; 3) дискование; 4) N45P60К60 без обработки; 5) N45P60К60 + + боронование; 6) N45P60К60 + дискование; 7) N90P120К120 без обработки; 8) N90P120К120 + боронование; 9) N90P120К120 + дискование.
Повторность опыта четырехкратная. Размер делянок: 10×10 м. Способ посева – сплошной беспокровный. Норма высева 20 кг/га всхожих семян. Глубина заделки семян 1–2 см. Сорт козлятника восточного Гале. Минеральные удобрения вносили весной до начала отрастания посевов, под боронование поперек посева, под дискование поперек рядков на глубину 8–10 см.
Агрохимические и физико-химические показатели почв определяли по общепринятым методам в почвоведении [11]. Оценка содержания и запасов гумуса проведена по градациям, предложенным Д.С. Орловым с соавт. [12], физико-химических параметров почв – по Н.М. Костенкову, В.И. Ознобихину [13].
Из показателей биологической активности почв исследована активная и потенциальная целлюлазная активность почв аппликационным методом по методу Захарченко. Целлюлозоразлагающую активность почв выражали в процентах убыли целлюлозы от исходного веса. Каталазную активность почв изучали газометрическим методом по Галстяну [9]. На основе ферментативной активности рассчитан интегральный показатель биологического состояния почв (ИПБС). Для расчета ИБПС использован подход, предложенный Р.Ф. Хасановой с соавторами [5].
Результаты исследования и их обсуждение
Для горизонта PU агротемногумусовых глеевых почв, в условиях полевого опыта с посевами козлятника, свойственна в основном слабокислая реакция среды (табл. 1). Обменная кислотность (рНс) изменялась от слабокислой до кислой. В связи с активизацией процесса гумусонакопления (табл. 2) прослеживалась закономерность к снижению параметров рНв и рНс во всех вариантах опыта. Гидролитическая кислотность (Нг) была низкой.
Для горизонта PU агротемногумусовых глеевых почв характерна повышенная и высокая обеспеченность подвижными формами фосфора и калия, что связано с применением минеральных удобрений.
Содержание гумуса в горизонте PU исследуемых почв согласно оценочным градациям Д.С. Орлова с соавт. [12] находилось на уровне ниже средних (варианты 1–6, 8 и 9) и средних (вариант 7) значений. Запасы гумуса в слое 0–20 см были средними во всех вариантах опыта. Наибольшее увеличение содержания гумуса по сравнению с контролем зафиксировано на варианте 7 (N90P120К120 без обработки), для которого свойственны и более высокие параметры активной и потенциальной целлюлозоразлагающей активности (табл. 3).
Потенциальная целлюлозоразлагающая активность была повышенной на вариантах с внесением высоких доз удобрений как без обработки почвы, так и при дисковании и бороновании, что соответствовало уровню сильной интенсивности разложения целлюлозы. Снижение этого показателя зафиксировано на варианте с дискованием, а также с внесением удобрений в дозе N45P60К60 как при бороновании, так и при дисковании.
Таблица 1
Показатели физико-химических и агрохимических свойств агротемногумусовых глеевых почв (горизонт РU) с посевами козлятника восточного при разных системах агротехнической обработки
|
Вариант |
рНв |
рНс |
Гидролитическая кислотность, мг/экв на 100 г почвы |
Р2О5 |
К2О |
|
мг/100 г почвы |
|||||
|
1. Контроль |
6,25 ± 0,09 |
5,4 ± 0,06 |
5,56 ± 0,39 |
9,74 ± 1,87 |
21,6 ± 5,66 |
|
2. Боронование |
6,42 ± 0,13 |
5,27 ± 0,22 |
4,27 ± 0,37 |
5,80 ± 0,4 |
13,33 ± 1,52 |
|
3. Дискование |
6,51 ± 0,19 |
5,3 ± 0,17 |
3,95 ± 0,20 |
7,50 ± 1,44 |
13,89 ± 0,18 |
|
4. N45P60К60 |
6,49 ± 0,22 |
5,7 ± 0,29 |
5,25 ± 0,58 |
11,62 ± 1,37 |
19,84 ± 0,66 |
|
5. N45P60К60 + боронование |
6,45 ± 0,26 |
5,53 ± 0,25 |
3,84 ± 0,88 |
12,65 ± 0,78 |
14,78 ± 0,13 |
|
6. N45P60К60 + дискование |
6,56 ± 0,15 |
5,56 ± 0,21 |
3,50 ± 0,64 |
11,55 ± 0,89 |
13,65 ± 0,61 |
|
7. N90P120К120 без обработки |
6,49 ± 0,22 |
5,70 ± 0,29 |
3,84 ± 0,88 |
15,07 ± 3,37 |
31,90 ± 6,64 |
|
8. N90P120К120 + боронование |
6,61 ± 0,12 |
5,71 ± 0,17 |
3,35 ± 0,45 |
15,53 ± 3,16 |
13,70 ± 0,75 |
|
9. N90P120К120 + дискование |
6,66 ± 0,09 |
5,71 ± 0,12 |
3,21 ± 0,20 |
15,50 ± 3,16 |
15,50 ± 0,35 |
Примечание. М – среднее значение; +m – ошибка среднего.
Таблица 2
Содержание и запасы гумуса в горизонте PU агротемногумусовых глеевых почв с посевами козлятника восточного при разных системах агротехнической обработки
|
Вариант |
Содержание гумуса, % |
Запасы гумуса, т/га в слое 20 см |
|
1. Контроль |
5,60 ± 0,20 |
130 ± 11,8 |
|
2. Боронование |
4,52 ± 0,04 |
101 ± 1,9 |
|
3. Дискование |
4,68 ± 0,16 |
114 ± 4,79 |
|
4. N45P60К60 (без обработки) |
5,75 ± 0,20 |
122 ± 2,65 |
|
5. N45P60К60 + боронование |
5,69 ± 0,05 |
122 ± 5,4 |
|
6. N45P60К60 + дискование |
5,04 ± 0,25 |
118 ± 1,55 |
|
7. N90P120К120 без обработки |
6,15 ± 0,58 |
105 ± 0,40 |
|
8. N90P120К120 + боронование |
5,31 ± 0,48 |
119 ± 10,9 |
|
9. N90P120К120 + дискование |
4,98 ± 0,06 |
108 ± 0,23 |
Таблица 3
Актуальная (A), потенциальная (П) целлюлозоразрушающая и каталазная активность (Ка) в горизонте РU агротемногумусовых глеевых почв
|
Варианты опыта |
М ± m |
||
|
А, % |
П, % |
Ка, см3О2 / г почвы за 1 мин |
|
|
1. Контроль |
13,6 ± 4,3 |
55,2 ± 6,0 |
2,55 ± 0,03 |
|
2. Боронование |
10,1 ± 2,7 |
60,5 ± 3,1 |
1,05 ± 0,03 |
|
3. Дискование |
35,0 ± 8,9 |
48,4 ± 8,3 |
3,40 ± 0,00 |
|
4. N45P60К60 без обработки |
10,8 ± 2,2 |
55,9 ± 1,1 |
2,15 ± 0,02 |
|
5. N45P60К60 + боронование |
3,4 ± 0,0 |
38,0 ± 5,2 |
2,45 ± 0,01 |
|
6. N45P60К60 + дискование |
47,9 ± 15,9 |
44,7 ± 3,0 |
2,70 ± 0,00 |
|
7. N90P120К120 без обработки |
53,1 ± 1,6 |
76,0 ± 2,1 |
2,90 ± 0,00 |
|
8. N90P120К120 + боронование |
60,4 ± 14,5 |
73,5 ± 0,4 |
3,35 ± 0,03 |
|
9. N90P120К120 + дискование |
17,3 ± 1,1 |
64,2 ± 1,1 |
3,40 ± 0,01 |
Примечание. М – среднее значение; +m – ошибка среднего.
Актуальная целлюлозоразлагающая активность, характеризующая функционирование почвенной биоты в реальных экологических условиях, была высокой на варианте с внесением высоких доз удобрений без обработки почвы и с обработкой боронованием (варианты 7, 8).
Очень слабая и слабая актуальная целлюлозоразлагающая активность зафиксирована на контроле (1), а также на варианте с боронованием без удобрений (2) и с внесением удобрений в дозе N45P60К60 (4, 5).
На наш взгляд, это связано с меньшим поступлением растительных остатков в предшествующем году, вызванным разреживанием посевов козлятника на данных вариантах опыта в связи с неблагоприятными климатическими условиями и переувлажнением почв. По мнению авторов [7, 14], целлюлозоразлагающая активность прямо пропорциональна количеству поступающего растительного материала, а положительное влияние продолжается в течение всего следующего вегетационного периода. Недостаток растительного материала – одна из причин снижения целлюлозоразлагающей активности.
Были установлены более высокие показатели вариабельности (V) для актуальной целлюлозоразлагающей активности. Наиболее высокие параметры V свойственны вариантам: 1 (54,4 %); 2 (45,9 %); 6 (57,8 %); 8 (41,6 %). Показатель V потенциальной целлюлозоразлагающей активности изменялся незначительно (от 3,0 % до 18,8 %). Исключение составил вариант 3 с дискованием (V = 29,8 %). Более низкие параметры V, на наш взгляд, связаны с создающимися более однородными условиями среды (влажностью и температурой), при определении потенциальной целлюлозоразлагающей активности в лабораторных условиях. При этом актуальная целлюлозоразлагающая активность горизонта PU агротемногумусовых глеевых почв ниже потенциальной. Это согласуется с данными других авторов, проводящих исследования на естественных дерново-подзолистых почвах [8].
Являясь отражением деструкционных и минерализационных процессов, протекание которых связано не только с гидротермическими и физико-химическими свойствами почв, целлюлозоразлагающая активность определяется и активностью ферментов, в том числе и окислительно-восстановительных. В нашей работе наряду с целлюлозоразлагающей активностью изучена каталазная активность почв. Степень обогащенности горизонта PU агротемногумусовых глеевых почв с посевами козлятника восточного оценивалась в большинстве вариантов опыта как бедная (табл. 3). Увеличение каталазной активности (до средней) установлено на вариантах 3 (дискование), 8 (N90P120К120 + боронование) 9 (N90P120К120 + дискование).
Между параметрами каталазной и актуальной целлюлозоразлагающей активности установлен высокий коэффициент корреляции (r). На вариантах с боронованием r = +0,82; с дискованием r = –0,82 Таким образом, различный характер связи между этими параметрами в агротемногумусовых глеевых почвах указывал на различия в протекании процессов трансформации органического вещества микрофлорой почв при различных системах ее обработки.
На основе параметров потенциальной, актуальной целлюлозоразлагающей активности и каталазной активности рассчитан интегральный показатель биологического состояния почв (ИПБС). Для расчета ИБПС использован метод, предложенный Р.П. Хасановой с соавт. [5]. Более высокие интегральные показатели биологического состояния почв свойственны вариантам с применением более высоких доз минеральных удобрений. ИПБС составил на варианте 7 (N90P120К120 без обработки) 91 %, 8 (N90P120К120 + боронование) – 98,4 %. Это связано с повышенной микробиологической активностью почв из-за применения удобрений и интенсификации разложения целлюлозы, что согласуется с полученными ранее данными ИПБС, рассчитанными на основе оксидоредуктазной ферментативной активности (пероксидазы, полифенолоксидазы, каталазы) [4]. Вероятно, это обусловлено усилением жизнедеятельности почвенных организмов, в том числе разлагающих клетчатку [1].
При дисковании почв ИБПС составил 73,3 %. Высокие показатели ИБПС свойственны также вариантам 6 (N45P60К60 + дискование – 72,5 %); 9 (N90P120К120 + дискование – 71 %). При бороновании почв показатели ИПБС на варианте 2 (без обработки – 42,4 %) и варианте 5 (N45P60К60 + боронование – 42,6 %) были более низкими по сравнению с контролем (57,4 %). Связано это с меньшей целлюлозоразлагающей активностью на данных вариантах опыта.
Выводы
1. Проведенными исследованиями установлено: для горизонта PU агротемногумусовых глеевых почв с посевом козлятника восточного при различных системах агротехнической обработки свойственна слабокислая реакция среды, низкая гидролитическая кислотность, высокая обеспеченность фосфором и калием. Содержание гумуса находилось в основном на уровне ниже средних значений, реже – средних (вариант без обработки с повышенной дозой удобрений). Запасы гумуса были средними во всех вариантах опыта.
2. Дискование и боронование почв оказывали неоднозначное влияние на целлюлозоразлагающую активность почв. Использование более высоких доз удобрений привело к активизации биологических процессов и возрастанию как активной, так и потенциальной целлюлозоразлагающей активности. Это вызвало увеличение интегрального показателя биологического состояния почв.
3. Степень обогащенности горизонта PU агротемногумусовых глеевых почв каталазой для большинства вариантов опыта оценивалась как низкая. Увеличение каталазной активности свойственно вариантам с дискованием почв и с применением более высоких доз минеральных удобрений при дисковании и бороновании.
4. Установлены высокие значения коэффициента корреляции (r) между параметрами целлюлозоразлагающей и каталазной активности. Различный характер связи между ними (при бороновании r = +0,82, дисковании r = -0,82) свидетельствовал о различиях в протекании процессов трансформации органического вещества микрофлорой почв при различных системах агротехнической обработки.