CC BY
9Ежеквартальный
научно-практический
журнал
УДК 631.461:631.445.4(470.630)
Фаизова В. И.
Faizova V. I.
ФЕРМЕНТАТИВНАЯ АКТИВНОСТЬ ЧЕРНОЗЕМОВ ЦЕНТРАЛЬНОГО ПРЕДКАВКАЗЬЯ
ENZYMATIC ACTIVITY OF BLACK EARTHS OF CENTRAL NORTH-CAUCASUS REGION
В работе подробно рассмотрены особенности ферментативной активности черноземов Центрального Предкавказья. Выявлено, что биологическая активность черноземов подчиняется основным географическим закономерностям распространения почв в пределах изученного региона. Показатели ферментативной активности черноземов отражают динамичные свойства среды жиз-необитания микроорганизмов и являются индикаторами её антропогенной деградации. Распашка черноземов и их активное использование в сельскохозяйственном производстве сопровождается значительным изменением их ферментативной активности.
Ключевые слова: целина, пашня, ферменты, микроорганизмы, чернозем, уреаза, инвертаза, каталаза, фос-фатаза, дегидрогеназа.
It this article considers specifics of the enzymatic activity of black earths of Central North Caucasus regions. It finds that the biological activity of the black earths follows the basic geographic regularities of soil distribution in the studied regions. Indicators of the enzymatic activity of the black earths reflect dynamic properties of the microorganisms' environment, and show the degree of the environment's anthropogenic degradation. Plowing of the black earths and their active usage in agriculture is accompanied by a significant change in their enzymatic activity.
Key words: virgin land, arable land, enzymes, microorganisms, black earth, уреаза, UHBepTa3a, KaTa.a3a, 0oc^aTa3a.
Фаизова Вера Ивановна -
кандидат сельскохозяйственных наук, доцент кафедры почвоведения Ставропольский государственный аграрный университет, г. Ставрополь Тел.: (8652) 71-60-56
Е-таМ: verafaizova@gmail.com_
Интенсивность и направленностьоснов-ных биохимических процессов, происходящих в черноземах Центрального Предкавказья отражается в их ферментативной активности. Ферментативный пул почвы характеризует процессы образования, минерализации гумусовых веществ, преобразования органических соединений, разрушения минеральной основы почв, фиксации минерального азота, трансформации углеводов и др. Определение ферментативной активности почв необходимо для целенаправленного регулирования процессов жизнедеятельности микроорганизмов почвы в целях создания оптимальных почвенных условий для культурных растений, так как почвенная микробиота играет ключевую роль в процессах формирования почвенного плодородия [6].
Активность ферментов более достоверный и чувствительный показатель биогенности почв, чем показатели численности и состава микробиоты.
На уровень и интенсивность ферментативной активности почв огромное влияние оказывает антропогенное воздействие, а именно распашка целины, внесение удобрений, пестицидов, различные виды обработки и мелиорации почвы, биология возделываемых культур. Источником почвенных ферментов является живая фаза почв: растения, животные и микроорганизмы.
Faizova Vera Ivanovna -
Ph.D. in Agriculture,
Docent of Department of Soil Science,
Stavropol State Agrarian University,
Stavropol
Tel.: (8652) 71-60-56 E-mail: verafaizova@gmail.com
В почве функционируют системы ферментов, которые последовательно осуществляют биохимические реакции, приводящие к синтезу и деструкции веществ. Под действием ферментов органические вещества почвы распадаются на промежуточные конечные продукты минерализации. В результате чего образуются доступные микроорганизмам и растениям питательные вещества и высвобождается энергия [5].
Объектами наших исследований являлись почвы черноземного ряда Центрального Предкавказья, относящиеся к следующим подтипам: южные, выщелоченные, обыкновенные, солонцеватые и солонцевато-слитые. Исследования проводились на целинных и пахотных угодьях. Целинный травостой представлен разнотравно-злаковой ассоциацией. Участки пашни засевались во все годы исследований озимой пшеницей.
Основной комплекс полевых и лабораторных исследований проводился в сезонной динамике по основным фазам вегетации озимой пшеницы: весенние кущение, цветение, молочно-восковая спелость и после уборки культуры. На целинных участках исследования проводились в те же сроки, что и на пашне.
Для определения ферментативной активности образцы почв отбирали, усредняли, доводили до воздушно-сухого состояния, просеивали
в
: № 3(15), 2014
Науки о земле
155
их через сито (5 мм) и хранили в полиэтиленовых пакетах при комнатной температуре (20°С) до лабораторных исследований. Перед непосредственным анализом образцы просеивали через сито (1 мм), усредняли и определяли активность ферментов используя различные методы: для определения фосфотазы - метод Гал-стяна и Арутюнян, инвертазы - метод Ромейко и Малиновской, уреазы - метод Щербаковой, каталазы - метод Джонсона и Темпле [1].
Исследование ферментативной активности черноземов свидетельствует об увеличении активности всех изученных ферментов в ряду начиная от черноземов южных к солонцеватым, солонцевато-слитым, обыкновенным и выщелоченным [2].
Максимальная активность окислительно-восстановительных и гидролитических ферментов зависит от многих факторов.
Из ферментов азотного обмена уреазаи-зучена лучше других. Она обнаруживается во всех почвах и является существенным фактором азотного обмена, поскольку ее активность коррелирует с активностью всех ведущих ферментов азотного метаболизма.
Уреаза катализирует гидролиз мочевины до аммиака и углекислоты. Хотя сама мочевина частично используется растениями, однако в результате активного действия уреаз она не может долго сохраняться в почве.
Активность уреазы в различных почвах не одинакова в зависимости от содержания гумуса, степени окультуренности и от характера растительности.
Дегидрогеназа участвует в процессах дыхания. Она катализирует дегидрирование органических веществ и играет роль промежуточного переносчика водорода. При этом субстратами дегидрирования могут быть различные углеводы, органические кислоты, аминокислоты, гу-миновые кислоты и т. д. Активность дегидроге-
наз является показателем жизнедеятельности микроорганизмов и количества гумусовых веществ, поддающихся разложению микробами.
Фосфатаза выделяется корнями растений и микроорганизмами. Фосфатазная активность почвы определяется ее генетическими особенностями, физико-химическими свойствами и уровнем культуры земледелия. Среди физико-химических свойств почвы для фосфатазной активности особенно важна кислотность. В зависимости от кислотности различные группы фосфатаз работают по-разному. Суммарная фосфатазная активность почвы зависит также от содержания гумуса и органического фосфора.
Активность фосфатазы динамична в течение вегетационного периода. В активные фазы роста растений при высокой температуре почвы и достаточной влажности в летние месяцы фосфатазная активность максимальная.
Условия питания растений сказываются на фосфатазной активности почвы. Внесение удобрений влияет на процессы ферментативного распада фосфорорганических соединений вследствие более мощного развития растений и усиления жизнедеятельности почвенных микроорганизмов.
Инвертаза - катализирует реакции гидролитического расщепления сахарозы на экви-молярные количества глюкозы и фруктозы, воздействует также на другие углеводы с образованием молекул фруктозы - энергетического продукта для жизни микроорганизмов, катализирует фруктозотрансферазные реакции. Исследования многих авторов показали, что активность инвертазы лучше других ферментов отражает уровень плодородия и биологической активности почв.
Пахотные почвы существенно уступают целинным по уровню ферментативной активности, хотя по разным ферментам изменения не одинаковы (таблица 1).
Таблица 1 - Ферментативная активность дернинного и пахотного горизонтов черноземов,
на 1 г почвы за 24часа
Подтип чернозема Протеаза, мг N-N1-^ Уреаза, мг N1-1.5 Инвертаза, мг глюкозы Каталаза,мл О2 за 1 минуту
целина пашня целина пашня целина пашня целина пашня
южный 0,32 0,24 0,41 0,32 18,35 11,14 1,08 1,32
выщелоченный 0,52 0,34 0,58 0,36 31,31 17,52 2,75 2,39
обыкновенный 0,34 0,21 0,47 0,23 23,12 9,31 1,69 1,58
солонцеватый 0,27 0,21 0,43 0,21 20,97 11,32 2,17 1,81
солонцевато-слитой 0,16 0,12 0,45 0,18 19,43 7,12 1,96 1,55
Так, активность фермента каталазы на пашне практически не снизилась, а на черноземе южном даже усилилась.По другим подтипам черноземов различия в активности каталазы между целиной и пашней составляют: для чернозема выщелоченного 0,36 мл О2 за 1 минуту, для чернозема обыкновенного всего 0,11 мл О2 за 1 минуту, для солонцеватых и солонцевато-слитых соответственно 0,36 и 0,44 мл О2 за 1 минуту. Для остальных изученных ферментов
разница в показателях между целиной м пашней более существенна. В то же время активность уреазы и особенно инвертазы на пашне значительно угнетена, что справедливо для всех изучаемых подтипов черноземов. Так, разница в показателях активности инвертазы на различных подтипах черноземных почв на целинных и пахотных участках составляет от 1,63 раза на черноземе южном до 2,73 раз на черноземе солонцевато-слитом.
156
,,„ „„„„, Jj Ставрополья
научно-практическии журнал
Для сравнительной оценки биологической активности обследованных почв используем шкалу [3]. Таблица 2 -Шкала сравнительной оценки биологической активности почв
Активность Каталаза см3 О2 на г за 1 мин Дегидрогеназа, мг ТФФ/10 г почвы за 24 ч Фосфатаза мг P2O5/ 10 г почвы за 24 ч. Уреаза, мг NH3 /10 г почвы за 24 ч. Инвертаза мг глюкозы на 1 г почвы за 24 ч.
Очень слабая <1 0-3 <0,5 <3 <5
Слабая 1-3 3-7 0,5-1,5 3-10 5-15
Средняя 3-10 7-15 1,5-5,0 10-30 15-50
Высокая 10-30 15-22 5-15 30-100 50-150
Очень высокая >30 >22 >15 >100 >150
Используя представленную шкалу можно констатировать, что уреазная активность почв целины классифицируется как слабая, а пашни как очень слабая за исключением чернозема выщелоченного, где уровень активности уреа-зы составляет 0,58 мг N4^
По инвертазе на целинных участках активность средняя. А на пахотных - слабая, за исключением чернозема выщелоченного с показателем активности данного фермента - 17,52 мг глюкозы.
Каталазная активность как пахотных, так и целинных почв слабая и не превышает 2,75 мл О2 за 1 минуту.
Показатели ферментативной активности имеют ярко выраженную сезонную динамику. При этом динамика может быть различной как по направлению, так и по амплитудам колебания во времени.
Динамика ферментативной активности зависит от сочетания температуры и влажности и вида ферментов. Динамика активности инвер-тазы помимо гидротермических параметров определяется также уровнем содержания органического вещества в почвах.
Показатели ферментативной активности имеют ярко выраженную сезонную динамику (таблица 3). При этом динамика может быть различной как по направлению, так и по амплитудам колебания во времени.
Динамика ферментативной активности зависит от сочетания температуры и влажности и вида ферментов. Динамика активности инвер-тазы помимо гидротермических параметров определяется также уровнем содержания органического вещества в почвах [4].
Таблица 3 - Сезонные изменения активности ферментов на черноземе обыкновенном
Угодье Всходы Весеннее кущение Цветение После уборки
уреаза
целина 0,72 0,38 0,46 0,40
пашня 0,43 0,25 0,38 0,35
каталаза
целина 2,06 1,89 1,66 1,21
пашня 1,50 1,53 1,45 1,15
Активность каталазы имеет высокие значения ранней весной, несмотря на то, что температуры еще достаточно низкие (рис. 4). Затем активность фермента плавно снижается. Исключение составляет раннеосеннийпериод когда наблюдается скачек активности. При повышении температуры адсорбированные ферменты могут частично де-сорбироваться, изменять конфигурацию молекул, освобождая или обнажая при этом заблокированные активные центры. Все это приводит к повышению скорости ферментативных реакций в почве за счет активации иммобилизированных ферментов в температурных интервалах 20-40 °С. Аналогичная динамика присуща и уреазе.
Таким образом, ферментативная активность основных почвенных разностей Центрального Предкавказья имеет ряд различий, что в первую очередь связано с генезисом почв, физико-химическими свойствами, а также их сельскохозяйственным использованием. Ферменты, являясь органическими веществами белкового происхождения, регулируют и значительно ускоряют все биохимические процессы, протекающие в почве. По показателям ферментативной активности, возможно проводить сравнительный анализ различных подтипов почв, диагностировать степень их окультуренности и деградации.
Литература
1. Деркачева Л. Ю., Цховребов В. С., Никифорова А. М. Содержание микроэлементов в системе целина - лес и целина - пашня в почвах Центрального Предкавказья // Вестник АПК Ставрополья. № 3 (11). 2013. С. 135-138.
References
1. DercachevaL.Y.,TshovrebovV.S. NikiforovaA. M. Main methods of processing on the structure of the southern black soil and crop yields of different varieties // Agriculture Bulletin of Stavropol Region. 2013. V. 11. Number 3. P. 135-138.
в
: № 3(15), 2014
Науки о земле
157
2. Ефремов Ю. Е., Калугин Д. В., Никифорова А. М. Влияние основных способов обработки черноземов южных на структуру урожая и урожайность различных сортов озимой пшеницы // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. 2012. № 77 (3).
3. Казеев К. Ш., Колесников С. И., Вальков В. Ф. Биологическая диагностика и индикация почв: методология и методы исследования. Ростов н/Д : Изд-во Рост. ун-та, 2003. 204 с.
4. Калугин Д. В. Реминерализация чернозема выщелоченного Ставропольского плато различными горными породами : ав-тореф. дис. ... канд. с.-х. наук. Краснодар, 2009. 50 с.
5. Цховребов В. С. Изменения в составе живого вещества черноземов солонцеватых при сельскохозяйственном использовании // Вестник Ставропольского государственного университета. 2004. № 37. С. 137-139.
6. Цховребов В. С., Фаизова В. И., Калугин Д. В., Никифорова А. М., Новиков А. А. Эволюция и деградация черноземов Центрального Предкавказья // Вестник АПК Ставрополья. 2012. № 3 (7). С. 123125.
7. Земельные ресурсы Ставропольского края / В. И. Трухачев, П. В. Клюшин, А. С. Цыганков, В. Н. Чернышев. Ставропольский государственный аграрный университет. Ставрополь, 2001. 158 с.
2. Efremov Yu. E., Kalugin D. V., Nikiforova A. M. Influence main methods of processing on the structure of the southern black soil and crop yields of different varieties of winter wheat // Polythematic Network electronic scientific journal of the Kuban State Agrarian University. 2012. № 77 (3).
3. Kazeev K. Sh., Kolesnicov C. I., Valcov V. F. Biolodhi main methods of processing on the structure of the southern black soil and crop expert. 2003. 204 p.
4. Kalugin D. V. Remineralization leached chernozem Stavropol Plateau various rocks: Author. for the degree of candidate of agricultural Science. Krasnodar, 2009. 50 p.
5. Tshovrebov V. S. Changes in the living matter in agricultural alkaline chernozemsispol-zovanii // Vestnik Stavropol State University. 2004. Number 37. P. 137-139.
6. Tshovrebov V. S., Faizova V. I., Kalugin D. V., Nikiforov A. M., Novikov A. A. Evolution and degradation of black soil of the Central Caucasus // Agriculture Bulletin of Stavropol Region. 2012. V. 7. Number 3. P. 123-125.
7. Land resources of the Stavropol Territory / V. I. Trukhachev, P. V. Klyushin, A.S. Tsygank-ov, V. N. Chernyshev. Stavropol State Agrarian University. Stavropol, 2001. 158 p.
