CC BY
2
Научная статья/Research Article УДК 631.416.1
DOI: 10.36718/1819-4036-2022-12-3-9
Александр Анатольевич Белоусов1, Елена Николаевна Белоусова213
^Красноярский государственный аграрный университет, Красноярск, Россия 1svoboda57130@mail.ru 2svobodalist571301858@mail.ru
АКТИВНОСТЬ ФЕРМЕНТОВ АЗОТНОГО ЦИКЛА АГРОЧЕРНОЗЕМОВ В УСЛОВИЯХ ПЕРЕХОДА НА МИНИМАЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ОБРАБОТКИ
Цель исследований - выявить воздействие бесплужного рыхления почвы на характер превращения фракционного состава легкогидролизуемых соединений азота. Наблюдения осуществлялись на стационарном участке ООО «ОПХ «Дары Малиновки» Сухобузимского района в Красноярской лесостепи. Объектом исследований был чернозем обыкновенный среднегумусный среднемощный тяжелосуглинистый на красно-бурой глине. В течение вегетационного сезона три раза отбирались почвенные образцы из слоев 0-10, 10-20 см методом рандомизации. Изучались следующие варианты опыта: 1) отвальная вспашка(st); 2) минимальная обработка (дискование); 3) плоскорезная культивация. В 2017 г. земельный массив обрабатывался по типу раннего пара, а в 2018 г. на опытном стационаре высевалась яровая пшеница сорта Новосибирская -31, в 2019 г. - ячмень сорта Ача. Уровень протеазной активности почвы исследуемых вариантов оценивался как высокий. Величина протеолитической активности была максимальна на почве, обрабатываемой отвальным плугом. Поверхностная обработка почвы дисковыми орудиями определила достоверное снижение активности протеазы в слое 0-10 см к концу жизненного цикла яровой пшеницы. С другой стороны, рыхление плоскорезом способствовало существенному повышению активности протеазы в слое 0-10 см. Плоскорезный способ рыхления обусловил также существенное повышение уровня активности уреазы относительно отвальной вспашки и поверхностного дискования. Применение плоскорезной культивации сопровождалось увеличением активности уреазы преимущественно в подсеменном слое. Применение дисковых орудий значимо ослабляло уровень гидролиза мочевины и смещало ее максимум на слой 10-20 см.
Ключевые слова: технологии основной обработки почвы, ферментативная активность почвы, уреаза, протеаза, азотсодержащие соединения
Для цитирования: Белоусов А.А., Белоусова Е.Н. Активность ферментов азотного цикла агро-черноземов в условиях перехода на минимальные технологии обработки // Вестник КрасГАУ. 2022. № 12. С. 3-9. DOI: 10.36718/1819-4036-2022-12-3-9.
Alexander Anatolievich Belousov1, Elena Nikolaevna Belousova2H
1 ^Krasnoyarsk State Agrarian University, Krasnoyarsk, Russia 1svoboda57130@mail.ru 2svobodalist571301858@mail.ru
© Белоусов А.А., Белоусова Е.Н., 2022 Вестник КрасГАУ. 2022. № 12. С. 3-9. Bulliten KrasSAU. 2022;(12):3-9.
ENZYME ACTIVITY OF THE NITROGEN CYCLE OF AGRICHERNOZEM IN CONDITIONS OF TRANSITION TO MINIMUM PROCESSING TECHNOLOGIES
The purpose of research is to reveal the effect of plowless soil loosening on the nature of the transformation of the fractional composition of easily hydrolysable nitrogen compounds. Observations were carried out at the stationary site of LLC "OPKh "Dary Malinovki" of the Sukhobuzimsky District in the Krasnoyarsk forest-steppe. The object of research was ordinary chernozem, medium-humus, medium-thick, heavy loamy on red-brown clay. During the growing season, soil samples were taken three times from layers 0-10, 10-20 cm by randomization. The following variants of experience were studied: 1) dump (st); 2) minimal (disking); 3) flat-cut cultivation. In 2017, the land was cultivated according to the type of early fallow, and in 2018, spring wheat of the Novosibirskaya-31 variety was sown at the experimental station, and in 2019, barley of the Acha variety was sown. The level of protease activity of the soil of the studied variants was assessed as high. The value of proteolytic activity was maximum on the soil cultivated with a mouldboard plow. Surface tillage with disc implements determined a significant decrease in protease activity in the 0-10 cm layer by the end of the life cycle of spring wheat. On the other hand, loosening with a flat cutter contributed to a significant increase in protease activity in the 0-10 cm layer. The use of flat-cut cultivation was accompanied by an increase in urease activity, mainly in the subseed layer. The use of disk tools significantly weakened the level of urea hydrolysis and shifted its maximum by a layer of 10-20 cm.
Keywords: basic tillage technologies, soil enzymatic activity, urease, protease, nitrogen-containing compounds
For citation: Belousov A.A., Belousova E.N. Enzyme activity of the nitrogen cycle of agrichernozem in conditions of transition to minimum processing technologies // Bulliten KrasSAU. 2022;(12): 3-9. (In Russ.). DOI: 10.36718/1819-4036-2022-12-3-9.
Введение. Ферментативная активность почв отражает общую биогенность, указывает на специфику превращения азота и характер пищевого режима в почвах. Для почв черноземного ряда энзимом, обусловливающим интенсивность всей последовательности превращения азоторганических соединений, в том числе до формирования минеральных форм, является протеаза [1-3]. Активность ферментов обусловливает процессы разложения поступающих в почву растительных остатков, сосредоточение микроорганизмов и обеспечение растений доступными источниками азота, а также отвечает за азотно-белковый обмен и протекторную функцию в клетках [4]. Различные варианты обработки почвы существенно изменяют условия функционирования почвенных ферментов. Выбор оптимального способа должен соотноситься не только с выяснением благоприятных физико-химических свойств почвенной системы, но и с определением своеобразного сбалансированного интервала активности почвенной биоты, в т.ч. и активности ферментов [5, 6].
Цель исследований - оценить влияние минимальных технологий на активность протеоли-за и уреазы агрочернозема и их роль в превращении азотосодержащих органических и минеральных соединений азота.
Объекты и методы. Наблюдения осуществлялись на стационарном участке ООО «ОПХ «Дары Малиновки» Сухобузимского района в Красноярской лесостепи. Объект исследований -чернозем обыкновенный среднегумусный сред-немощный тяжелосуглинистый на красно-бурой глине. В структуре производственного поля были выделены участки прямоугольной формы общей площадью 1200 м2 и учетной - 600 м2. В каждом из них размещались три делянки - повторности площадью 200 м2. Объем выборочной совокупности п = 12. В течение вегетационного сезона три раза отбирались почвенные образцы из слоев 0-10, 10-20 см методом рандомизации. Изучались следующие варианты опыта: 1) отвальная вспашка ф); 2) минимальная обработка (дискование); 3) плоскорезная культивация.
Отвальную вспашку проводили плугом Gregoire Besson SPLM В9 на глубину 25-27 см, поверхностное дискование (минимальную обработку) - дискатором БДМ-Агро БДМ 6х4П и плоскорезную культивацию - культиватором «Яросла-вич» КБМ-10,8 ПС-4 на глубину 10-12 см. В 2017 г. участок (почвенный массив) обрабатывался по типу раннего пара, а в 2018 г. на опытном стационаре высевалась яровая пшеница сорта Новоси-бирская-31, в 2019 г. - ячмень сорта Ача. Агрометеорологические условия 2017-2019 гг. складывались по-разному (табл. 1).
Таблица 1
Метеорологические показатели в годы наблюдений
Год Май Июнь Июль Август Сентябрь Сумма показателей
Средняя температура воздуха, °С Температура > 10 °С
2017 11,0 20,3 19,5 16,8 8,5 2074
2018 8,1 20,5 18,6 18,3 10,1 2061
2019 9,0 18,7 19,5 18,8 9,9 2047
Норма (1980-2010 гг.) 8,7 15,2 17,6 14,8 8,8 1833
Осадки, мм Осадки, мм
2017 28,0 30,0 79,0 81,0 81,0 299,0
2018 29,0 29,0 33,0 21,0 58,0 170,0
2019 8,3 106,1 45,4 68,9 54,0 274,4
Норма (1980-2010 гг.) 50,0 61,0 95,0 78,0 48,0 332,0
Таким образом, нарастание суммы активных температур было значительно выше нормы, а количество осадков, напротив, существенно уступало средним многолетним значениям. Это указывало на аридность условий, складывающихся в годы наблюдений. Начало и середина вегетационного сезона 2018 г. по агрометеорологическим условиям складывались неблагоприятно. По количеству выпавших осадков анализируемый период существенно уступал норме, тогда как температура воздуха превышала средние многолетние значения. В июне 2019 г. осадков выпало на 65 % больше нормы.
Химические и физико-химические показатели получены по методикам, изложенным в [7]. Уре-азная активность - колориметрическим методом с реактивом Несслера в мг N-N44 на 1 кг почвы
Амплитуда колебаний показателя в слое 0-10 см почвы, обрабатываемой отвальным плугом, была существенно выше, чем на минимальных фонах. Понижение активности протеа-зы найдено в конце вегетационного сезона и обусловлено дефицитом легкоминерализуемых азотосодержащих органических соединений.
за сутки, протеазная активность - методом Гоффманна и Тейхера (1957), в мг аминного азота на 1 г почвы за 20 ч. Результаты статистического анализа данных проводили используя пакет программ MS Excel.
Результаты и их обсуждение. Оценку полученных данных по протеолитической активности исследуемой почвы проводили по шкале сравнительной характеристики биохимической активности [8]. Очевидно, высокий уровень гу-мусированности агрочерноземов Красноярской лесостепи обусловливает значительную активность биохимических процессов, связанных с метаболизмом азота. Характер внутрисезонной изменчивости протеолитической активности в течение 2017 г. на изучаемых фонах обработки почвы был идентичным (табл. 2).
Вероятно, глубокая обработка агрочерноземов в парующем поле формировала более мощный пахотный слой, обеспечивала лучшую аэрацию толщи в результате дробления почвенных от-дельностей.
Существенно меньшая активность протеоли-за наблюдается в условиях применения диско-
Таблица 2
Активность почвенной протеазы пахотного слоя обыкновенного, мг аминного азота / 10 г почвы за 20 ч (2017 г.)
Вариант Июль Сентябрь
0-10 см 10-20 см 0-10 см 10-20 см
1. Отвальная вспашка (б1) 21,4 23,6 17,6 21,1
2. Минимальная обработка (дискование) 19,2 16,8 13,5 17,6
3. Плоскорезная обработка (культивация) 18,6 18,3 16,6 18,5
НСР05 Fф < Fт 4,1 2,7 Fф < Fт
вых орудий обработки почвы. В сентябре, когда ния. Слой почвы 0-10 см отличался наимень-снижались температура и уровень влажности шей биохимической активностью. почвы (табл. 3), возрастала плотность сложе-
Таблица 3
Активность почвенной протеазы пахотного слоя чернозема обыкновенного, мг аминного азота / 10 г почвы за 20 ч (2018 г.)
Вариант Июнь (фон) Июль Сентябрь
0-10 см 10-20 см 0-10 см 10-20 см 0-10 см 10-20 см
1. Отвальная вспашка ф) 18,4 18,6 19,4 21,0 17,4 19,5
2. Минимальная обработка(дискование) 19,0 19,2 19,1 19,8 16,1 15,9
3. Плоскорезная обработка (культивация) 20,5 19,9 19,1 20,8 19,2 17,8
НСР05 Fф < Fт Fф < Fт Fф < Fт Fф < Fт 2,0 Fф < Fт
Под посевами яровой пшеницы, следовавшей после парового поля, протеазная активность характеризовалась равноценными значениями во всех вариантах. Поверхностная обработка почвы дисковыми орудиями определила достоверное снижение активности протеазы в слое 0-10 см к концу жизненного цикла яровой пшеницы (табл. 3). Рыхление плоскорезом на
глубину 10-12 см способствовало существенному повышению ферментативной активности в слое 0-10 см. В течение последующего вегетационного сезона (табл. 4) в целом активность гидролитических процессов в почве снижалась при использовании безотвальных способов обработки.
Активность почвенной протеазы пахотного слоя чернозема обыкновенного, мг аминного азота / 10 г почвы за 20 ч (2019 г.)
Таблица 4
Вариант Июнь (фон) Июль Сентябрь
0-10 см 10-20 см 0-10 см 10-20 см 0-10см 10-20 см
1. Отвальная вспашка ф) 18,8 19,3 19,4 23,0 20,0 20,2
2. Минимальная обработка (дискование) 20,9 18,0 18,8 16,9 15,6 15,9
3. Плоскорезная обработка (культивация) 18,3 16,1 17,3 16,2 19,5 19,4
НСР05 1,6 Fф < Fт Fф < Fт 1,8 1,4 0,9
Величина протеолитической активности была максимальна на почве, обрабатываемой отвальным плугом. Оптимальные условия для осуществления гидролитических и окислительно-восстановительных протеолитических процессов складывались на фоне вспашки и плоскорезного рыхления.
Применение дискатора под посевами ячменя сопровождалось постепенным падением активности протеазы с летнего по осенний период. По мнению В.И. Кирюшина [9], снижение ферментативной активности по мере минимизации обработки почвы обусловлено сокращением поступления ферментных белков из растительных остатков и микробных клеток. Замедление
данных процессов при ограничении глубины и числа обработок почвы, вероятно, связано и с уменьшением механического заражения почвы микробными клетками, которое происходит при перемешивании ее плугом, а также с обеднением свежим органическим веществом нижней части пахотного слоя. Деятельность корневой системы злаковых культур не оказывала существенного ризосферного эффекта на активность гидролиза пептидных связей белковых веществ. Сохранение стабильной протеазной активности свидетельствует о создании условий для обеспечения почвенной биоты доступными источниками азота [10].
Дальнейший этап трансформации органических соединений азота вызван влиянием уреа-зы, которая способствует гидролитическому распаду связи между углеродом и азотом в молекулах. Аммоний, сформированный в результате данной реакции, пополнит резервный фонд питания растений и почвенных микроорганиз-
мов. На рассматриваемых фонах обработки аг-рочерноземов уровень уреазной активности соответствовал очень высокой напряженности биохимических процессов согласно шкале [10] с последующим ее снижением в сентябре до очень бедной (табл. 5).
Таблица 5
Динамика активности уреазы пахотного слоя чернозема обыкновенного, мг мочевины / 10 г почвы за 24 ч (2017 г.)
Вариант Июль Сентябрь
0-10 см 10-20 см 0-10 см 10-20 см
1. Отвальная вспашка (б1) 119 150 1,5 0
2. Минимальная обработка (дискование) 92 84 0,5 2
3. Плоскорезная обработка (культивация) 76 3 0,5 17
НСР05 17 26 0,6 5
В условиях отвальной обработки обнаружена максимальная активность уреазы. Это указывает на высокую обогащенность почвы варианта мочевиной. Вероятно, к концу вегетационного сезона запас этого легкодоступного субстрата исчерпывался. Сокращение механического перемешивания почвы приводило к изменениям в метаболизме азотсодержащих органических
соединений, замедляя их трансформацию в почвенной толще.
В период исследований 2018 г. наибольшее замедление процесса разложения мочевины выявили в почве, обрабатываемой отвальным плугом на протяжении всей вегетации яровой пшеницы (табл. 6).
Динамика активности уреазы пахотного слоя чернозема обыкновенного, мг мочевины / 10 г почвы за 24 ч (2018 г.)
Таблица 6
Вариант Июнь (фон) Июль Сентябрь
0-10 см 10-20 см 0-10см 10-20 см 0-10 см 10-20см
1. Отвальная вспашка (б1) 5 3 1 2 0 1
2. Минимальная обработка (дискование) 8 11 14 5 4 19
3. Плоскорезная обработка (культивация) 6 10 4 2 6 27
НСР05 Fф < Fт 4 3 2 2 8
Замена отвальной вспашки дисковыми орудиями обнаружила заметное увеличение уреаз-ной активности в слое 0-10 см в фазе цветения яровой пшеницы. Исследования [11] свидетельствуют об участии корнеопада однолетних растений и азота этой их части, доступности его микроорганизмам еще при жизни пшеницы, что объясняет максимум активности фермента в слое 10-20 см. Здесь концентрировалась существенная часть корневой системы, определяющая генезис в почве легкодоступных микроорганизмам соединений, источником которых яв-
ляются корневые экссудаты. Применение плоскорезной культивации сопровождалось увеличением активности уреазы преимущественно на глубине 10-20 см. Одним из факторов, обусловливающих такое изменение, по мнению [12], является сосредоточение в слое 10-20 см почвы корневых систем растений, обогащающих его биологически активными веществами и стимулирующими развитие микрофлоры. Под посевами ячменя уреазная активность была существенно выше при внедрении плоскорезной обработки (табл. 7).
Таблица 7
Динамика активности уреазы пахотного слоя чернозема обыкновенного, мг мочевины / 10 г почвы за 24 ч (2019 г.)
Вариант Июнь (фон) Июль Сентябрь
0-10 см 10-20 см 0-10 см 10-20 см 0-10 см 10-20 см
1. Отвальная вспашка ф) 23 9 8 8 18 13
2. Минимальная обработка (дискование) 8 16 9 22 13 13
3. Плоскорезная обработка (культивация) 33 14 39 50 25 31
НСР05 9 Fф < Fт 8 7 5 5
В свою очередь, применение дисковых орудий значимо ослабляло уровень гидролиза мочевины и смещало ее максимум на глубину 10-20 см. Таким образом, плоскорезный способ рыхления обусловил повышение уровня активности уреазы относительно отвальной вспашки и поверхностного дискования. Полученные закономерности согласуются с результатами [13]. Данные исследования свидетельствуют, что исключение отвального плуга влечет за собой депрессию накопления нитратного азота в почве, что связано с замедлением процессов, стимулирующих минерализацию азота.
Заключение
1. Уровень протеазной активности почвы исследуемых вариантов оценивался как высокий.
2. Величина протеолитической активности была максимальна на почве, обрабатываемой отвальным плугом.
3. Плоскорезный способ рыхления обусловил существенное повышение уровня активности уреазы относительно отвальной вспашки и поверхностного дискования.
Список источников
1. Хазиев Ф.Х. Активность ферментов азотного обмена и динамика азота в черноземах // Азотный фонд и биохимические свойства почв Башкирии: сб. ст. Уфа: АН СССР, 1977. С. 41-69.
2. Оценка ферментативной активности почв Зауралья Республики Башкортостан при различных системах обработки почв / Г.Р. Иль-булова [и др.] // Экологический вестник Северного Кавказа. 2021. Т. 17, № 2. С. 10-15.
3. Марковская Г.К. Влияние минимализации обработки почвы на ферментативную ак-
тивность чернозема обыкновенного в лесостепи Среднего Поволжья // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2017. № 5 (67). С. 195-197.
4. Самедова А.Д. Динамика активности протеазной системы растений при длительном воздействии свинца в условиях засоления // Новые и нетрадиционные растения и перспективы их использования. 2015. № 11. С. 154-157.
5. Белоусова Е.Н., Белоусов А.А. Оценка протеазной активности чернозема выщелоченного при минимализации обработки // Проблемы современной аграрной науки: мат-лы междунар. заоч. науч. конф. Красноярск, 2015. С. 3-5.
6. Белоусова Е.Н., Белоусов А.А. Влияние почвозащитных технологий на содержание подвижного органического вещества и ферментативную активность почвы // Агрохимия. 2022. № 5. С. 30-37.
7. Воробьева Л.А. Теория и практика химического анализа почв. M.: ГЕОС, 2006. 400 с.
8. Титова В.И., Козлов А.В. Методы оценки функционирования микробоценоза почвы, участвующего в трансформации органического вещества: науч.-метод. пособие. Н. Новгород: Нижегород. гос. с.-х. акад., 2012. 63 с.
9. Кирюшин В.И. Проблема минимизации обработки почвы: перспективы развития и задачи исследований // Земледелие. 2013. № 3. C. 3-6.
10. Звягинцев Д.Г. Биологическая активность почв и шкалы для оценки некоторых ее показателей // Почвоведение. 1978. № 6. С. 48-54.
11. Стаканов Н.З. Корневая система полевых культур. М.: Наука, 1964. 280 с.
12. Зинченко С.И., Бучкина Н.П. Влияние приемов основной обработки серой лесной
почвы на эмиссию азота // Владимирский земледелец. 2018. № 4 (86). С. 7-11.
13. Данилова А.А. Сочетание естественных и антропогенных факторов в формировании свойств выщелоченного чернозема при почвозащитной обработке // Агрохимия. 2013. № 8. С. 45-53.
References
1. Haziev F.H. Aktivnost' fermentov azotnogo obmena i dinamika azota v chernozemah // Azotnyj fond i biohimicheskie svojstva pochv Bashkirii: sb. st. Ufa: AN SSSR, 1977. S. 41-69.
2. Ocenka fermentativnoj aktivnosti pochv Zaural'ya Respubliki Bashkortostan pri razlich-nyh sistemah obrabotki pochv / G.R. Il'bulova [I dr.] // Ekologicheskij vestnik Severnogo Kavkaza. 2021. T. 17, № 2. S. 10-15.
3. Markovskaya G.K. Vliyanie minimalizacii obra-botki pochvy na fermentativnuyu aktivnost' chernozema obyknovennogo v lesostepi Sred-nego Povolzh'ya // Izvestiya Orenburgskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. 2017. № 5 (67). S. 195-197.
4. Samedova A.D. Dinamika aktivnosti proteaz-noj sistemy rastenij pri dlitel'nom vozdejstvii svinca v usloviyah zasoleniya // Novye i netradicionnye rasteniya i perspektivy ih ispol'zovaniya. 2015. № 11. S. 154-157.
5. Belousova E.N., Belousov A.A. Ocenka pro-teaznoj aktivnosti chernozema vyschelochen-nogo pri minimalizacii obrabotki // Problemy
sovremennoj agrarnoj nauki: mat-ly mezhdu-nar. zaoch. nauch. konf. Krasnoyarsk, 2015. S. 3-5.
6. Belousova E.N., Belousov A.A. Vliyanie poch-vozaschitnyh tehnologij na soderzhanie podvizhnogo organicheskogo veschestva i fermentativnuyu aktivnost' pochvy // Agrohi-miya. 2022. № 5. S. 30-37.
7. Vorob'eva L.A. Teoriya i praktika himiches-kogo analiza pochv. M.: GEOS, 2006. 400 s.
8. Titova V.I., KozlovA.V. Metody ocenki funkcio-nirovaniya mikrobocenoza pochvy, uchastvuyu-schego v transformacii organicheskogo veschestva: nauch.-metod. posobie. N. Novgorod: Nizhegorod. gos. s.-h. akad., 2012. 63 s.
9. Kiryushin V.I. Problema minimizacii obrabotki pochvy: perspektivy razvitiya i zadachi issledovanij // Zemledelie. 2013. № 3. C. 3-6.
10. Zvyagincev D.G. Biologicheskaya aktivnost' pochv i shkaly dlya ocenki nekotoryh ee pokazatelej // Pochvovedenie. 1978. № 6. S. 48-54.
11. Stakanov N.Z. Kornevaya sistema polevyh kul'tur. M.: Nauka, 1964. 280 s.
12. Zinchenko S.I., Buchkina N.P. Vliyanie prie-mov osnovnoj obrabotki seroj lesnoj pochvy na 'emissiyu azota // Vladimirskij zemledelec. 2018. № 4 (86). S. 7-11.
13. Danilova A.A. Sochetanie estestvennyh i antropogennyh faktorov v formirovanii svojstv vyschelochennogo chernozema pri pochvoza-schitnoj obrabotke // Agrohimiya. 2013. № 8. S. 45-53.
Статья принята к публикации 22.09.2022 / The article accepted for publication 22.09.2022. Информация об авторах:
Александр Анатольевич Белоусов1, доцент кафедры почвоведения и агрохимии, кандидат биологических наук, доцент
Елена Николаевна Белоусова2, доцент кафедры почвоведения и агрохимии, кандидат биологических наук, доцент
Information about the authors:
Alexander Anatolievich Belousov1, Associate Professor, Department of Soil Science and Agrochemistry, Candidate of Biological Sciences, Associate Professor
Elena Nikolaevna Belousova2, Associate Professor, Department of Soil Science and Agrochemistry, Candidate of Biological Sciences, Associate Professor
