Ферментативная активность почв горных и равнинных провинций Восточного Кавказа Текст научной статьи по специальности «Биологические науки»

УДК 631.465 (470.67)

ФЕРМЕНТАТИВНАЯ АКТИВНОСТЬ ПОЧВ ГОРНЫХ И РАВНИННЫХ ПРОВИНЦИЙ ВОСТОЧНОГО КАВКАЗА

© З.Н. Ахмедова, Г.Н. Гасанов, Н.И. Рамазанова, Ш.К. Салихов

Ключевые слова: почва; гумус; рН; ферментативная активность; регрессионный анализ.

Установлена ферментативная активность (фосфатаза, уреаза, каталаза) каштановых почв и солончака типичного Терско-Сулакской и горно-луговой почвы северо-западной части среднегорной подпровинций Дагестана. Выявлена коррелятивная зависимость между содержанием гумуса, рН и показателями ферментативной активности почв.

Одним из важнейших свойств почвы является регуляции протекающих в ней ферментативных процессов, что связано с изменением экологических факторов среды. Изучение вопросов регуляции иммобилизации и действия внеклеточных ферментов в почве имеет важное научное и практическое значение, поскольку они целенаправленно регулируют биохимические процессы, лежащие в основе формирования эффективного плодородия.

При достаточно высокой изученности почв Дагестана на предмет содержания в них макро- и микроэлементов, гумуса, кислотности вопрос о таком важном показателе плодородия, как ферментативная активность (ФА) оставался по сегодняшний день недостаточно исследованным в то время как в других регионах активно разрабатываются достаточно активно [1-8]. Для Дагестана актуальным является вопрос ФА почв в условиях четко проявляющихся вертикальных поясов

[9-11].

Целью данного исследования является установление уровней фосфатазной, уреазной и каталазной активности основных типов почв Дагестана, их сезонной динамики, определение закономерностей проявления активности в зависимости от рН почвенного раствора и содержания органического вещества в почве.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Пробы почв отбирались в природных биоценозах, с поверхностного слоя, удалив верхний прикорневой слой, подвергались тщательной очистке, сушке до воздушно-сухого состояния и измельчению. Анализ почвенных образцов проводился по общепринятым в экологии и почвоведении методам. Активность каталазы определяли газометрическим методом, фосфатазы и уреазы методом фотокалориметрии [12]. Контролем служили стерилизованные почвы (180 °С, 3 часа). Активность почв оценивалась по шкале Гапанюк, Малахов, 1985 [12].

Корреляционные связи ФА сравнивались с показателями плодородия почв: содержанием гумуса [13] и рН водной вытяжки [14]. Статистическая обработка результатов лабораторных анализов была проведена с помощью Microsoft Excel, 2010.

Исследование проводились на территории Терско-Сулакской (Тарумовский, Хасавюртовский, Кизилюр-товский районы) и северо-западной части среднегорной (Левашинский, Гунибский районы) подпровинций Дагестана.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Анализируя полученные результаты, можно заметить, что минимальной ФА среди исследуемых нами типов обладают светло-каштановая почва и солончак типичный (табл. 1). Эти показатели на каштановой почве увеличиваются по сравнению с названными выше типами почв. Тем не менее все три типа укладываются в одну и ту же среднюю шкалу оценки по фосфа-тазе, уреазе и слабую по каталазе. Такое повышение активности ферментов происходит на фоне увеличения содержания гумуса от 1,32-1,87 % в светло-каштановой почве и солончаке до 2,40 % в каштановой почве и снижения щелочности почвенного раствора (рН), соответственно, с 8,1 и 7,8 до 7,3.

Наибольшей ФА среди исследуемых почв обладает горно-луговой тип. По сравнению с каштановой почвой она повышается по фосфатазе в 1,9 раза, и по данному показателю она может быть отнесена к высокой

Таблица 1

Ферментативная активность почв Дагестана

Почва Гумус, % рН Фосфатаза, мг Р205/10 г/ч Уреаза, мг NH3/10 г/24 ч Каталаза, мл О2/1 г /1 мин

Светло-каштановая 1,32 8,1 1,9 ± 0,1 11,0 ± 1,4 1,7 ± 0,2

Каштановая 2,40 7,3 3,4 ± 0,3 18,8 ± 0,6 3,2 ± 0,2

Солончак типичный 1,87 7,8 1,8 ± 0,4 10,4 ± 1,0 1,65 ± 0,2

Горнолуговая 6,80 6,4 6,5 ± 1,1 27,8 ± 0,5 7,2 ± 0,2

1638

Таблица 2

Математические зависимости между показателями гумуса, рН почвенного раствора и ферментативной активности различных типов почв Дагестана

Содержание гумуса (х)

рН почвенного раствора (х)

Ферментативная активность (У)

фосфатаза уреаза каталаза фосфатаза уреаза каталаза

Светло-каштановая У= -0,4342х + 2,0158; г = 0,30 У = 4,7237х + 1,9737; г = 0,86 у = 1,0542* + 0,3074; г = 0,55 У= -1, 125х + 11,025; г = 0,60 У = -5,125х + 53,292; г = 0,74 у = 0,3235* -0,9529; г = 0,52

Каштановая У = -0,4128х + 4,4714; г = 0,57 У = 1,9266х + 12,247; г = 0,63 у = 0,7892* + 1,3128; г = 0,66 У = 5,9167х -42,917; г = 0,58 У = -84,167х + 673,87; г = 0,57 у = 0,2604* + 1,331; г = 0,14

Солончак типичный У = 0,25х + 1,45; г = 0,36 У = -2,8278х + 15,158; г = 0,82 у = 0,2298* + 1,2214; г = 0,53 У = -1,0714х + 10,879; г = 0,46 У = 9,4х -68,83; г = 0,80 у = 0,07315* + 1,0765; г = 0,18

Горнолуговая У = -0,0513х + 6,7769; г = 0,57 У = 2,0513х + 15,056; г = 0,64 у = 0,7684* + 1,9741; г = 0,58 У = -0,6667х + 10,967; г = 0,57 У = 26,667х -152,38; г = 0,64 у = 0,2523* + 5,6054; г = 0,22

степени ферментативной активности. Активность уреа-зы в этой же почве хотя и повышается в 1,5 раза по сравнению с каштановой, но по шкале оценки остается в среднем диапазоне (как и на всех других исследуемых почвах). Каталазная активность горно-луговой почвы относительно каштановой выросла в 2,25 раза и перешла в среднюю шкалу биологической активности. Очевидно, из-за высокого содержания гумуса нивелируется возможное отрицательное влияние слабокислой реакции почвенного раствора горно-луговой почвы (рН = 6,4) и достигается высокий уровень фосфатазной и средний - уреазной и каталазной активности этого типа почвы.

Из приведенных в табл. 1 данных видно, что повышение ферментативной активности горно-луговой почвы происходит на фоне многократного (в 2,8-5,2 раза) увеличения содержания гумуса в почве по сравнению с каштановой, светло-каштановой почвами и солончаком типичным, что свидетельствует о наличии прямой коррелятивной зависимости между названными показателями. Эти зависимости выражаются уравнениями регрессии (табл. 2), которые указывают на направление и степень сопряженности в изменчивости признаков (коэффициент корреляции - г) и количественное изменение результативного признака при изменении фактори-ального на единицу измерения (уравнение линейной регрессии - У).

Пользуясь приведенными уравнениями, можно установить количественную связь ФА почв с данными содержания гумуса и рН почвенного раствора. Эти расчеты показывают также среднюю степень коррелятивной зависимости между показателями ферментативной активности фосфатазы и уреазы, содержанием гумуса и рН во всех четырех типах почв (г = 0,3-0,7) и высокой степени - по показателям рН на светло-каштановой почве и солончаке типичном (г = 0,740,86). Каталазная активность коррелирует с гумусом и рН в более широком интервале - 0,14-0,66, т. е. от низкой до средней степени. С показателями гумуса катала-за дает среднюю степень корреляции. С рН только светло-каштановая почва дает среднюю степень активности.

Основным фактором увеличения гумуса в почве является количество и состав поступающего в нее органического вещества. В наших исследованиях на 1 га горно-луговой почвы поступило в среднем 22,6 ц/га воздушно-сухой массы растений, в то время как на такую же площадь каштановой почвы - 16,5, светло-каштановой - 10,8, солончака типичного - 12,1ц/га. Формированию такого количества биомассы на горнолуговых почвах способствовало выпадение в среднем за год 573 мм осадков, в т. ч. за теплый период года (апрель-октябрь) 491,7 мм, что позволяло поддерживать влажность почвы в слое 0-60 см не ниже 70-75 % от наименьшей влагоемкости (НВ). Термические условия также были благоприятны для роста и развития растений (среднемесячная температура воздуха за апрель-октябрь 16,2 °С, за год 10,2 °С). Такие гидротермические показатели являются оптимальными для прохождения биологических и биохимических, а также физико-химических и окислительно-восстановительных процессов и для гумификации органического вещества фитомассы. Поэтому горно-луговые почвы, хотя и имеют слабокислую реакцию почвенного раствора, благодаря более высокому содержанию гумуса (6,8 %) и гидротермическим показателям отличаются более высокой ФА.

На территории Терско-Сулакской низменной под-провинции Дагестана за год выпадает 307-430 мм осадков, в т. ч. за апрель-октябрь - 267 мм при среднемесячной температура воздуха 17,6-18,0 °С; гидротермический коэффициент по различным пунктам колеблется от 0,5 до 1,0. Такие условия не способствуют накоплению большой вегетативной массы, прохождению физико-химических и окислительно-восстановительных процессов в благоприятном для накопления гумуса в почве направлении. Поэтому каштановая, светло-каштановая почвы и солончак типичный имеют относительно низкую, чем горно-луговая почва, ферментативную активность.

Проведенные нами исследования показали, что активность рассматриваемых ферментов мало зависит от конкретного периода года - весны или лета. Так, в среднем по исследуемым почвам этот показатель при

1639

Таблица 3

Влияние гидротермических условий на сезонную динамику ферментативной активности различных типов почв

Тип почвы Сроки Влажность Температура Активность почвенных ферментов

почвы, % НВ воздуха, °С фосфатаза уреаза каталаза

Светло-каштановая весна 73,3 18,2 1,6 ± 0,10 9,55 ± 0,22 1,7 ± 0,2

лето 64,6 26,1 1,3 ± 0,09 9,01 ± 0,10 1,6 ± 0,3

Каштановая весна 66,2 17,3 3,1 ± 0,19 17,00 ± 0,55 3,5 ± 0,2

лето 65,2 24,2 4,2 ± 0,35 17,10 ± 0,64 2,8 ± 0,4

Солончак типичный весна 75,6 18,9 1,8 ± 0,16 9,92 ± 1,14 1,7 ± 0,3

лето 54,2 28,4 2,2 ± 0,22 9,16 ± 1,58 1,5 ± 0,2

Горно-луговая весна лето 78,3 72,3 16,6 18,3 6.5 ± 0,28 6.6 ± 0,11 26,93 ± 1,42 27,64 ± 1,17 7,1 ± 0,2 7,6 ± 0,3

весеннем сроке определения фосфатазы составил 3,2 мг Р205/10 г/ч, при летнем - 3,6 мг Р205/10 г/ч, уреазы -соответственно 15,8 и 15,7 мг ЫН3 /10 г/24 ч, каталазы: весной - 3,5 мл О2/1 г /1 мин. и летом - 3,4 мл О2/1 г /1 мин. (табл. 3).

Если рассмотреть полученные показатели по каждому типу почвы, то уреазная активность светло-каштановой почвы весной (в мае) в среднем оказалась на 0,7 мг ЫН3 /10 г/24 ч выше, чем летом (в июле), а каштановой и горно-луговой почв - практически одинаковой - 22,0-22,4 мг ЫН3/10г/24 ч. Фосфатазная активность солончака типичного и каштановой почвы в летний срок повышается, соответственно, на 12,2 и 13,5 %, горно-луговой остается на том же уровне, а светло-каштановой почвы, наоборот, снижается на 23,1 % по сравнению с весенним сроком определения. Активность каталазы весной выше в светло-каштановой, солончаке типичном и каштановой почве в среднем на 16,75 %, а в горно-луговой почве наблюдается увеличение активности в летний период на 7 % относительно весеннего.

Поэтому мы считаем, что невозможно выявить определенную закономерность ферментативной активности исследуемых типов почв по сезонам года, она больше зависит от сочетания температуры воздуха и влажности почвы в каждый конкретный период года и активизации гидролитических процессов в указанные периоды.

Приведенные в статье данные по ферментативной активности почв могут быть использованы природоохранными и научными организациями в качестве отправных данных при биодиагностике и биомониторинге плодородия почв Дагестана.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Почвы Терско-Сулакской низменной и северозападной среднегорной подпровинций Дагестана по активности фосфатазы и уреазы соответствуют средней, а каталазы слабой оценочной шкале. Только горно-луговая почва Среднегорий имеет средние показатели по каталазе (7,2 мл О2/1г /1 мин.) и фосфатазе (6,5 мг Р205/10 г/ч), характерные для высокой шкалы ферментативной активности фосфатазы.

2. Минимальная активность фосфатазы (1,9-1,8 мг Р205/10 г/ч), уреазы (11,0-10,4 мг ЫН3 10 г/24 ч), каталазы (1,7-1,65 мл О2/1 г /1 мин.) наблюдается в светло-каштановой почве и солончаке типичном, где гумуса содержится 1,32-1,87 %, показатель рН равен 8,1-7,8.

В каштановой почве с содержанием гумуса 2,40 %, показателем рН 7,3 активность фосфатазы повышается в 1,8-1,9 раза, уреазы - в 1,7-1,8 раза, каталазы - в 1,88-1,94 раза.

3. Выявлена средняя степень коррелятивной зависимости между показателями ферментативной активности, содержанием гумуса и рН во всех четырех типах почв (r = 0,3-0,7) и высокой степени - по показателям рН на светло-каштановой почве и солончаке типичном (r = 0,74-0,86). Каталазная активность коррелирует с гумусом и рН в более широком интервале - 0,14-0,66, т. е. от низкой до средней степени.

4. Установить определенную закономерность ферментативной активности исследуемых типов почв по сезонам года, судя по полученным нами данным, не представляется возможным, ибо она больше зависит от сочетания температуры воздуха и влажности почвы в каждый конкретный период года.

ЛИТЕРАТУРА

1. Даденко Е.В., Мясникова М.А., Чернокалова Е.В., Казеев К.Ш., Колесников С.И. Сезонная динамика ферментативной активности чернозема обыкновенного // Современные проблемы науки и образования. 2013. № 6. С. 743.

2. Лобков В.Т., Новикова А.С., Забродкин А.А. Плодородие темно-серой лесной почвы при применении различных способов обработки почвы // Зерновое хозяйство России. 2013. № 2. С. 27-31.

3. Мухаматдинова А.Р., Сафаров А.М., Магасумова А.Т., Смирнова Т.П., Сафарова В.И. Изучение ферментативной активности почв, загрязненных нефтяными углеводородами // Естественные и технические науки. 2013. № 2. С. 99-105.

4. Наджафова С.И., Гасымова Г.С. Микробиологические и биохимические особенности почвенного покрова под парками и скверами г. Баку // Вестник Московского государственного областного университета. Серия Естественные науки. 2012. № 2. С. 28-30.

5. Русанов А.М., Мисетов И.А., Шорина Т.С. К вопросу диагностики и оценки загрязненных нефтью черноземов // Вестник Томского государственного университета. 2012. № 364. С. 219-224.

6. Улигова Т.С., Хежева Ф.В., Темботов Р.Х. Активность дегидроге-назы и уреазы равнинных и предгорных почв Эльбрусского варианта поясности центрального Кавказа // Известия Кабардино-Балкарского научного центра РАН. 2011. № 62. С. 41-48.

7. Фахрутдинов А.И., Ямпольская Т.Д. Ферментативная активность почв Хмао при длительной углеводородной провокации // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2012. Т. 14. № 1-8. С. 2077-2081.

8. Щербаков И.В. Активность фермента каталазы в пахотном слое почвы в зоне электромагнитных полей линий электропередач // Аграрный вестник Урала. 2013. № 6 (112). С. 74-75.

9. Ахмедова З.Н., Рамазанова Н.И. Диагностика состояния почв Дагестана по уровню их гидролитических процессов // Вестник Дагестанского государственного университета. 2013. № 6. С. 172175.

10. Гиреев Г.И., Луганова С.Г., Салихов Ш.К., Абдулмеджидов А.А. Влияние затопления пастбищ Дагестана водами Каспийского моря на минеральный и биохимический состав почв и растений // Растительные ресурсы. 2010. Т. 46. № 1. С. 92-100.

1640

11. Салихов Ш.К., Луганова С.Г., Гиреев Г.И. Влияние микроэлементов на активность почвенных ферментов // Фундаментальные и инновационные аспекты биогеохимии: материалы 7 биогеохимической школы / Астраханский государственный технический университет. 2011. С. 237-240.

12. Казеев К.Ш., Колесников С.И., Вальков В.Ф. Биологическая диагностика и индикация почв: методология и методы исследований. Ростов н/Д: Изд-во РГУ, 2003. 216 с.

13. Тюрин И.В. Агрохимические методы исследования почв. М.: Наука, 1975. С. 56-62.

14. ЦИНАО. Приготовление солевой вытяжки и определение ее рН по методу ЦИНАО. М.: Госком. СССР по стандартам, 1985.

Поступила в редакцию 24 июля 2014 г.

Akhmedova Z.N., Gasanov G.N., Ramazanova N.I., Salik-hov S.K. FERMENTATIVE ACTIVITY OF SOILS OF MOUNTAIN AND LOWLAND PROVINCES OF EASTERN CAUCASUS

Fermentative activity (phosphatase, urease, catalase) of chestnut soils and solonchak of typical Terek-Sulak and mountain-meadow soils north-the western part middle mountain subprovinces Dagestan is established. The correlation between the humus content, pH, and soil enzymatic activity indicators is spotted.

Key words: soil; humus; pH; enzymatic activity; regression analysis.

Ахмедова Заира Нажмутдиновна, Прикаспийский институт биологических ресурсов Дагестанского научного центра РАН, г. Махачкала, Республика Дагестан, Российская Федерация, научный сотрудник, e-mail: zaira-1945@mail.ru

Akhmedova Zaira Nazhmutdinova, Caspian Institute of Biological Resources of Dagestan Scientific Center RAS, Makhachkala, Republic of Dagestan, Russian Federation, Scientific Worker, e-mail: zaira-1945@mail.ru

Гасанов Гасан Никуевич, Прикаспийский институт биологических ресурсов Дагестанского научного центра РАН, г. Махачкала, Республика Дагестан, Российская Федерация, доктор сельскохозяйственный наук, профессор, зав. лабораторией биогеохимии, e-mail: nikyevich@mail.ru

Gasanov Gasan Nikuyevich, Caspian Institute of Biological Resources of Dagestan Scientific Center RAS, Makhachkala, Republic of Dagestan, Russian Federation, Doctor of Agriculture, Professor, Head of Bio-geochemistry Laboratory, e-mail: nikyevich@mail.ru

Рамазанова Нуржаган Идрисовна, Прикаспийский институт биологических ресурсов Дагестанского научного центра РАН, г. Махачкала, Республика Дагестан, Российская Федерация, научный сотрудник, e-mail: r-nurjagan@-mail.ru

Ramazanova Nurzhagan Idrisovna, Caspian Institute of Biological Resources of Dagestan Scientific Center RAS, Makhachkala, Republic of Dagestan, Russian Federation, Scientific Worker, e-mail: r-nurjagan@mail.ru

Салихов Шамиль Курамагомедович, Прикаспийский институт биологических ресурсов Дагестанского научного центра РАН, г. Махачкала, Республика Дагестан, Российская Федерация, научный сотрудник, e-mail: salichov72@mail.ru

Salikhov Shamil Kuramagomedovich, Caspian Institute of Biological Resources of Dagestan Scientific Center RAS, Makhachkala, Republic of Dagestan, Russian Federation, Scientific Worker, e-mail: salichov72@mail.ru

1641