CC BY
19
ISSN 1026-2237 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. NATURAL SCIENCE. 2022. No. 3
Научная статья УДК 631.41
doi: 10.18522/1026-2237-2022-3-139-150
ИЗМЕНЕНИЕ СОДЕРЖАНИЯ ГУМУСА И БИОЛОГИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ АГРОТЕМНОГУМУСОВЫХ ПОДБЕЛОВ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ АГРОТЕХНИЧЕСКИХ ПРИЕМАХ ОБРАБОТКИ ПОЧВ
Л.Н. Пуртова1®, И.В. Киселева2, Я.О. Тимофеева3, А.Н. Емельянов4, Р.В. Тимошинов5
13 Федеральный научный центр биоразнообразия наземной биоты Восточной Азии ДВО РАН, Владивосток, Россия
45 Федеральный научный центр агробиотехнологий Дальнего Востока им. А.К. Чайки, Тимирязевский, Россия
' Риг1оха@Ыо$ой. ги®
2 К1$е1еха-1х@1пЪох. ги
3 timofeeva@Ъiosoil.гu
4 Emelyanov.prim@yandex.ru
5 o.zemledelia@yandex. ги
Аннотация. Установлены различия в содержании гумуса, микрофлоре и каталазной активности аг-ротемногумусовых подбелов с различным уровнем агротехнического воздействия и применением экологически чистых (фитомелиоративных) приемов повышения плодородия. В почвах залежей установлено более высокое содержание гумуса, показателей биогенности и обогащенность каталазой (Ка). В составе микрофлоры доминировали бактерии, использующие минеральный азот и олигонитрофиллы. Запасы гумуса в метровом слое характеризовались как низкие. В условиях фитомелиоративного опыта в составе микрофлоры сохранялась та же закономерность. Содержание и запасы гумуса снижались по сравнению с почвой залежи. В связи с процессом образования ортштейнов в горизонте ELnn зафиксирован высокий уровень каталазной активности (до 9,9 см3 О2/за 1 мин 1 г почвы). Это привело к увеличению средних показателей внутрипрофильного распределения каталазной активности и запасов Ка. В варианте с длительным применением органических удобрений зафиксированы низкие показатели содержания гумуса. При этом запасы гумуса в метровом слое возрастали относительно остальных вариантов опыта. В составе микрофлоры доминировали олигонитрофилы и аммонификаторы, а доля актиномицетов резко сокращалась. Значение Ка и ее запасы уменьшались. Для вариантов с внесением минеральных удобрений характерно преобладание в составе микрофлоры бактерий, использующих минеральный азот, и олиго-нитрофилов. Усиление микробиологической деятельности вызвало возрастание обогащенности почв Ка и повышение ее запасов. Отсутствие поступления свежего органического вещества привело к усилению процессов минерализации специфических органических соединений почвы. Для этого варианта свойственно наименьшее содержание гумуса и низкие его запасы.
Ключевые слова: почва, содержание гумуса, запасы гумуса, микрофлора, каталазная активность
Для цитирования: Пуртова Л.Н., Киселева И.В., Тимофеева Я.О., Емельянов А.Н., Тимошинов Р.В. Изменение содержания гумуса и биологической активности агротемногумусовых подбелов при различных агротехнических приемах обработки почв // Известия вузов. Северо-Кавказский регион. Естественные науки. 2022. № 3. С. 139-150.
Статья опубликована на условиях лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International (CC-BY4.0).
© Пуртова Л.Н., Киселева И.В., Тимофеева Я.О., Емельянов А.Н., Тимошинов Р.В., 2022
ISSN 1026-2237 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. NATURAL SCIENCE. 2022. No. 3
Original article
CHANGES IN THE HUMUS CONTENT AND BIOLOGICAL ACTIVITY OF AGRO-DARK-HUMUS PODBEL UNDER VARIOUS AGROTECHNICAL METHODS OF TILLAGE
L.N. Purtova1m, I.V. Kiseleva2, Ya.O. Timofeeva3, A.N. Emelyanov4, R.V. Timoshinov'
2•3 Federal Scientific Center of the East Asia Terrestrial Biodiversity, Far Eastern Branch of Russian Academy of Sciences, Vladivostok, Russia
4 5 Federal Scientific Center ofAgrobiotechnology of the Far East named after A.K. Chaika, Timiryazevsky, Russia
1 Purtova@biosoil.ruB
2 Kiseleva-iv@inbox.ru
3 timofeeva@biosoil.ru
4 Emelyanov.prim@yandex.ru
5 o.zemledelia@yandex. ru
Abstract. Differences in the content of humus, microflora and catalase activity in agro-dark-humus podbels soils with different levels of agrotechnical impact and the use of environmentally friendly (phytomeliorative) methods of increasing soil fertility were established. The higher content of humus, indicators of biogenicity and enrichment in catalase were established in the soils of abandoned field. Bacteria using mineral nitrogen and oligonitro-phils was dominated in composition of microflora. The reserves of humus in the meter layer of soils have been characterized as low. Ihe composition of the microflora showed the same regularity under the conditions of the phytomeliorative experiment. The content and reserves of humus decreased in comparison with the soil of abandoned field. Due to the process of nodule formation in the ELnn horizon, a high level of catalase activity was recorded (up to 9.9 cm3 O2/l min l g of soil). This led to an increase in the average intraprofile distribution of catalase activity (Ka) and ^ reserves. Low levels of humus content were recorded in the variant with long-term use of organic fertilizers. At the same time, the humus reserves in the meter layer increased relative to the other variants of the experiment. Oligonitrophils and ammonifiers was dominated in the composition of the microflora, by while the proportion of actinomycetes sharply decreased. The value of Ka and its reserves decreased. Bacteria using mineral nitrogen and oligonitrophils are predominance in variants with with long-term use of mineral fertilizers. The intensification of microbiological activity caused an increase enrichment catalase and an increase in its reserves in soil. The lack of fresh organic matter input led to increased mineralization processes of specific soil organic compounds. This variant is characterized by the lowest humus content.
Keywords: soil, humus content, humus reserves, microflora, catalase activity
For citation: Purtova L.N., Kiseleva I.V., Timofeeva Ya.О., Emelyanov A.N., Timoshinov R.V. Changes in the Humus Content and Biological Activity of Agro-Dark-Humus Podbel under Various Agrotechnical Methods of Tillage. Bulletin of Higher Educational Institutions. North Caucasus Region. Natural Science. 2022;(3):139-150. (In Russ.).
This is an open access article distributed under the terms of Creative Commons Attribution 4.0 International License (CC-BY4.0).
Введение
Оценка биологической активности почв при изучении природных и антропогенно нарушенных экосистем в настоящее время приобретает все большую актуальность. Предложены интегральные показатели, позволяющие на основе комплекса биотических и физико-химических параметров оценивать экологическое состояние почв [1]. Из параметров биологической активности, наряду с исследованием микрофлоры почв, наиболее широко используются биохимические показатели - ферментативная активность [2, 3]. Активность почвенных ферментов затрагивает циклы превращения углерода, фосфора, серы, окислительно-восстановительные процессы. К одному из таких ферментов, участвующих в этих процессах, относится каталаза (Ка). Каталазная активность широко используется в качестве диагностического показателя при оценке экологиче-
ского состояния почв и четко отражает степень воздействия антропогенеза. Ка - фермент, относящийся к классу оксидоредуктаз. Эти ферменты катализирует окислительно-восстановительные реакции и играют ведущую роль в биохимических процессах как в клетках живых организмов, так и в почве. Каталаза разлагает ядовитую для клеток перекись водорода, образующуюся в процессе дыхания живых организмов и в результате различных биохимических реакций окисления органических веществ, на воду и молекулярный кислород [4].
Активность ферментов связана с физико-химическими параметрами почв - рН, содержанием гумуса. Вопросам исследования каталазной активности почв посвящен довольно обширный ряд публикаций [5-10]. Методические вопросы определения показателей каталазной активности изложены в ряде статьях [1, 7, 11]. Значительное количество работ посвящено вопросам формирования ферментативной активности и факторам, на неё влияющим [12-15].
В географическом плане каталазная активность исследована в довольно широком спектре: в почвах Северного Кавказа [16], в черноземе выщелоченном в лесостепной зоне Зауралья [17], в черноземах Русской равнины [5], в подзолистых текстурно-дифференцированных почвах сред-нетаежных лесов Коми [18]. Данными по каталазной активности почв дальневосточного (ДВ) региона установлено, что их особенностью является низкая и средняя обогащенность поверхностных горизонтов Ка [19-21].
Между тем не уделялось должного внимания изучению активности каталазы Ка с учетом морфологических характеристик почвенных горизонтов и функционирования микрофлоры при различных видах агротехнического воздействия, влияющих на интенсивность и направленность процессов разложения микрофлорой органического вещества почв и протекания процессов гу-мусонакопления. Это весьма затрудняет объективную оценку уровня плодородия и оптимизации гумусного и экологического состояния пахотных почв региона. На территории юга Дальнего Востока подобные работы не проводились.
Цель работы - исследование изменений содержания гумуса, состава микрофлоры и каталаз-ной активности агротемногумусовых подбелов при различной системе агротехнической обработки. В задачи исследований входили:
1. Изучение содержания и запасов гумуса.
2. Исследование микрофлоры почв.
3. Определение каталазной активности, запасов и среднепрофильного распределения Ка.
Объект и методы исследований
Объектом исследований служили агротемногумусовые подбелы, сформированные на пашне стационарного опыта ФНЦ агробиотехнологий Дальнего Востока им. А.К. Чайки, п. Тимирязевский Уссурийского района Приморского края. В работе использованы названия почв согласно [22]. Ниже приведены местоположение и формулы строения профиля исследуемых почв.
Разрез № 1 расположен на поле в условиях длительного фитомелиоративного опыта в течение 15-летнего периода с посевом костреца безостого (Bгomus ineгmis). Почва характеризовалась следующим набором генетических горизонтов: PU (0-11 см) - PUel,nn (11-27 см) - ELnn (27-49 см) -BTnn,g (49-83 см) - BTg (83-112 см) - Cg (112 см и ниже). Почва - агротемногумусовый подбел глееватый.
Разрез № 2 заложен на залежи (возраст 85 лет, ведется покос трав). Почва сформирована под травянистой растительностью, представленной преимущественно пыреем ползучим (Elytrígia герет) с примесью полыни, одуванчика. Почва характеризовалась следующим строением: PUо (0-4 см), PU (4-11см) - PU-ELnn (11-35 см) - ELnn (35-55 см) - BТnn (55-111) - ВТ (111-153 см) -C (153 см и ниже). Почва - агротемногумусовый подбел типичный.
Разрез № 3 заложен на поле после вспашки с длительным применением органических удобрений (в течение 62 лет удобряется навозом). Морфологический профиль характеризовался следующим набором генетических горизонтов: Ри (0-27 см) - ELnn,g (27-42) - В^п^ (42-91) -G (91-132) - СG (132 см и ниже). Почва - агротемногумусовый подбел глеевый типичный.
Разрез № 4 заложен на пашне с применением минеральных удобрений на протяжении 80 лет, вносимых в форме суперфосфата, хлористого калия и аммиачной селитры. Почвенный профиль дифференцирован на горизонты: Ри (0-30 см) - ELnn,g (30-46) - ВTnn,g (46-83) - G (83-119 см и ниже). Почва - агротемногумусовый подбел глеевый типичный.
Почвы имели различия в мощности генетических горизонтов и характеризовались различным содержанием почвенных железомарганцевых новообразований - ортштейнов. Учёт количества ортштейнов был проведен по генетическим горизонтам почв всех исследованных вариантов опыта методом мокрого просеивания с учётом массы и объема почвенного монолита, отобранного для выделения ортштейнов [21].
При исследовании физико-химических свойств почв использовали общепринятые методы в почвоведении. Кислотность (рНи2о, рНксь) определяли потенциометрически на рН-метре ОР-264, содержание углерода исследовали по методу Тюрина [23]. Каталазную активность почв оценивали газометрически [4]. Оценка содержания и запасов гумуса проведена в соответствии с рекомендациями в [24]. Запасы активности Ка по профилю почв рассчитывали с учетом активности Ка (а), мощности горизонта (в), плотности сложения исследуемого горизонта (d) по методике из [7] по формуле запасы Ка=а
Данный метод расчета позволяет получить более корректное представление об обогащенно-сти почв ферментами Ка в исследуемом горизонте (слое) почв с учетом его морфологических характеристик. Плотность сложения почв определялась весовым методом [25].
Численность микроорганизмов различных эколого-трофических групп определяли классическим методом посева почвенной суспензии на агаризованные питательные среды различного состава: мясо-пептонный агар (МПА) - микроорганизмы-аммонификаторы, разлагающие органические соединения азота (белки), использующие органический азот; крахмало-аммиачный агар (КАА) - амилолитические микроорганизмы (актиномицеты и бактерии), деструкторы безазотистых органических соединений, использующие для своей жизнедеятельности минеральные формы азота; среда Эшби - олигонитрофильные микроорганизмы - способны расти в условиях незначительного количества доступного азота в почвенном растворе и разлагать гумусовые соединения почвы; среда Чапека - микроскопические грибы. Численность микроорганизмов выражали в колониеобразующих единицах (КОЕ) на 1 г образца.
Математическую обработку данных проводили по общепринятым методикам с применением программ Statistica (версия 13.3) и Microsoft Ехсе1 2007.
Результаты и обсуждение
Согласно схеме географического районирования, исследуемая территория приурочена к лесостепной зоне [26]. Резко континентальный с муссонными чертами климат характеризуется влажным и теплым летом и довольно суровой и малоснежной зимой, что определяет глубокое промерзание почв. Юго-восточные ветра, господствующие летом, обусловливают максимум осадков, которые приходятся на июль-август [27]. Неравномерное выпадение осадков в течение года вызывает сильное переувлажнение почв летом, создавая в них большие контрасты окислительно-восстановительных процессов [28]. Исследуемые почвы приурочены к Приморской юго-западной гидротермической провинции [29], для которой характерны высокие показатели выпадения осадков (до 800 мм), радиационного баланса (52,2 ккал/см2 в год) и затрат энергии на почвообразование (44,9 ккал/см2 в год) [30]. Основной объем осадков выпадает в период вегетации растений (315-780 мм), что нередко вызывает переувлажнение почв и накладывает отпечаток на их биологическую активность и протекание процесса гумусообразования.
Наличие контрастной смены окислительно-восстановительных режимов в почвах способствует активному образованию ортштейнов (табл. 1). Вертикальное распределение ортштейнов по профилю почв всех вариантов опыта характеризуется увеличением их содержания от верхней части профиля (горизонт PU) к средней (горизонт ELnn/Elnn,g) с последующим резким снижением в нижележащих горизонтах, что связано с более контрастной сменой окислительно-восстановительных условий в двух верхних горизонтах. Обилие ортштейнов в почвах в значительной степени определяет проявление каталазной активности почв в целом и, как следствие, оказывает влияние на общий ход протекания процессов гумусообразования [21].
Гумусообразование в варианте фитомелиоративного опыта, судя по данным рН, протекало в условиях близкой к нейтральной реакции среды (табл. 1). Высокие значения рН, на наш взгляд, связаны с проведенным ранее известкованием почв при посеве трав. Как показали ре-
зультаты исследований, содержание гумуса в агротемногумусовом подбеле глееватом, сформированном в условиях длительного фитомелиоративного опыта с посевом костреца безостого, низкое в горизонте PU и очень низкое - в нижележащих горизонтах (табл. 2).
Таблица 1
Показатели кислотности и содержание ортштейнов в агротемногумусовых подбелах / The indicators acidity and content nodules of agro-dark-humus podbel
Горизонт Глубина, см рНн2о рНт Ортштейны, % от массы почвы
Р. 1. Фитомелиоративный опыт
PU 0-11 7,14±0,16* 6,27±0,15 12,30±0,59
PU-ELnn 11-27 7,81±0,22 6,80±0,18 17,82±0,86
ELnn 27-49 7,97±0,23 6,79±0,18 21,83±1,03
BTnn,g 49-83 8,02±0,27 6,04±0,11 5,49±0,23
BTg 83-112 7,94±0,26 5,87±0,12 1,85±0,09
C 112-122 и ниже 7,68±0,20 5,38±0,09 -
Р. 2. Залежь
PU 4-11 5,86±0,12 5,08±0,10 16,83±0,71
PU-ELnn 11-35 6,13±0,13 5,10±0,11 27,52±1,08
ELnn 35-55 6,20±0,11 4,72±0,07 34,40±1,39
BTnn 55-111 6,16±0,11 4,46±0,08 6,08±0,28
BT 111-153 6,62±0,14 4,65±0,09 2,96±0,10
Cg 153-192 и ниже 7,02±0,15 4,80±0,09 -
Р. 3. Опыт с внесением органических удобрений
PU 0-27 5,79±0,12 4,66±0,08 6,83±0,24
ELnn,g 27-42 5,62±0,10 4,71±0,08 9,09±0,41
BTnn,g 42-91 5,94±0,11 4,51±0,06 3,27±0,13
G 91-132 6,28±0,13 4,42±0,05 0,84±0,03
CG 132-170и ниже 6,94±0,15 4,72±0,07 -
P. 4. Опыт с внесением минеральных удобрений
PU 0-30 6,16±0,08 5,34±0,07 16,54±0,70
ELnn,g 30-46 6,60±0,11 5,18±0,09 17,82±0,88
BTnn,g 46-83 6,32±0,10 4,81±0,07 4,17±0,017
G 83-119 и ниже 6,39±0,12 4,67±0,06 -
* Среднее арифметическое значение ± значение среднего квадратического отклонения.
В почвах фитомелиоративного варианта опыта наиболее развита амилолитическая часть почвенного микробоценоза (интенсивно протекают процессы иммoбилизации азота) (рисунок). Подобная закономерность отмечалась нами в ранее проведенной работе [31]. Это способствовало усилению процессов минерализации органического вещества микрофлорой, что выразилось в снижении содержания гумуса. В целом степень обогащенности почвы микрофлорой оценивается как богатая по шкале из [32]. Обогащенность почв Ка низкая, однако в горизонте ELnn отмечалось резкое увеличение (до средних показателей) активности Ка. Связано это, на наш взгляд, с наличием ортштейнов, способствующих усилению процесса катализации Н2О2 и выделению кислорода при определении Ка.
Гумусообразование в агротемногумусовом подбеле типичном (почва находилась длительное время в залежи) протекало в условиях слабокислой реакции среды. Содержание гумуса возрастало до 5,48 %, что соответствовало уровню ниже средних значений. Этому во многом способствовало значительное поступление органического углерода растительного происхождения как при покосе трав, так и с отмиранием корневой массы растений. Это повлекло за собой возрастание активности микрофлоры и выразилось в увеличении численности аммонификаторов, приводящее к большей обеспеченности почв аммиачным азотом (рисунок). В результате резко возрастала численность бактерий, использующих минеральный азот (среда КАА). Следует отметить и
рост олигонитрофилов (среда Эшби), участвующих в превращении азота. Биогенность (суммарное количество микроорганизмов, культивируемых на средах МПА, КАА, Эшби, Чапека) почв залежей существенно выше (108044 тыс. КОЕ/1 г почвы) по сравнению с остальными вариантами опыта (фитомелиоративный опыт - 36785, внесение минеральных удобрений - 35741, внесение органических удобрений - 30980 тыс. КОЕ/1 г почвы).
Таблица 2
Содержание, запасы гумуса и каталазная активность в агротемногумусовых подбелах / Content, stocks of humus and catalase activity in agro-dark-humus podbel
№ разреза, почва Горизонт, см Гумус, % Запасы гумуса, т/га Ка, см3О2/1 г почвы за 1 мин Запасы Ка О2 см3 за 1 мин
20 см 100 см
Р. 1. Фитомелиоративный опыт PU (0-11) 3,52+0,15 60,2+3,01 116,3+5,81 2,00+0,1 19,8+1,00
PUelnn (11-27) 2,69+0,10 2,50+0,11 41,6+2,10
Elnn (27-49) 1,45+0,07 9,90+0,50 299,4+15,0
BTnn,g (49-83) 0,01+0,00 8,00+0,40 310,0+15,5
BTg (83-112) 0,01+0,00 1,90+0,10 41,9+2,10
Р. 2. Залежь PU (4-11) 5,48+0,27 73,4+3,70 145,8+7,29 5,60+0,28 38,8+1,94
PU-Elnn (11-35) 4,14+0,21 4,10+0,21 93,5+4,67
ELnn (35-55) 0,10+0,01 1,10+0,05 24,2+1,21
BTnn (55-111) 0,21+0,01 0,90+0,03 59,9+2,90
BT (111-153) 0,01+0,00 1,90+0,09 95,6+4,80
Р. 3. Опыт с внесением органических удобрений PU (0-27) 3,83+0,19 67,4+3,50 183,8+9,20 1,10+0,05 26,1+1,31
Elnn,g (27-42) 3,72+0,18 0,70+0,03 12,4+0,60
BTnn (42-111) 0,41+0,02 0,40+0,01 18,6+0,95
G (91-132) 1,03+0,05 0,30+0,01 13,5+0,67
CG (132-170) 0,93+0,04 0,10+0,00 4,6+0,23
Р. 4. Опыт с внесением минеральных удобрений PU (0-30) 1,20+0,05 25,2+1,30 118,1+5,90 2,00+0,10 63,0+3,10
Elnn,g (30-46) 0,93+0,04 0,70+0,03 15,2+0,80
BTnn,g (46-83) 1,55+0,08 0,50+0,01 23,3+1,16
G (83 и ниже) 0,72+0,03 0,50+0,02 21,6+1,08
Зафиксировано резкое возрастание каталазной активности в почвах залежей до средних показателей в горизонте Ри по сравнению с агротемногумусовым подбелом глееватым фитомелио-ративного опыта. Связано это с большей гумусированностью горизонта Ри и активизацией процесса трансформации органического вещества микрофлорой почв.
Вниз по профилю содержание гумуса снижалось до очень малых значений. Характер внутри-профильного распределения был резко убывающим. Обогащенность Ка горизонта Е1пп из-за снижения содержания гумуса бедная, а ВТпп - очень бедная (табл. 2). Запасы гумуса как в агро-темногумусовом подбеле глееватом, так и в агротемногумусовом подбеле типичном в слое 0-20 см и метровой толще, согласно оценочным градациям [24], низкие. Установлено возрастание запасов гумуса в слоях 0-20 и 0-100 см почв агротемногумусового подбела, находящихся в залежном состоянии, по сравнению с агротемногумусовым подбелом глееватым, сформированным в условиях фитомелиоративного опыта (с 60,2 до 73,4 т/га; с 116,3 до 145,8 т/га). На наш взгляд, это обусловлено большим поступлением органического углерода с остатками растительного происхождения с корневой и надземной фитомассой.
В агротемногумусовом подбеле глеевом (вариант опыта с длительным внесением органических удобрений) содержание гумуса низкое. Характер внутрипрофильного распределения - неравномерный. Небольшое возрастание содержания гумуса (с 0,41 до 1,03 %) установлено в горизонте G из-за миграции гумусовых соединений из горизонта BTg в результате возникновения периодического переувлажнения почв. Внесение органического вещества животного происхождения вызвало увеличение численности олигонитрофилов и аммонификаторов, активно участвующих в трансформации органических азотсодержащих соединений (рисунок). Интенсивность
процессов иммобилизации азота в этом варианте опыта снижалась, что отразилось в снижении коэффициента минерализации (КМ).
В агротемногумусовом подбеле глеевом, используемом в опыте с длительным применением минеральных удобрений, отмечена явно выраженная дифференциация профиля по величине рНт (табл. 1). Кислотность почв изменялась со слабокислой в поверхностных горизонтах до кислой в нижележащих. Содержание гумуса в горизонте Ри достигало малых значений. В горизонте ЕЬпп^ из-за выноса гумусовых соединений в связи с протеканием процесса отбеливания [33] количество гумуса снижалось до очень малых показателей с последующим возрастанием (с 0,93 до 1,55 %) в горизонте втпп^.
Внесение минеральных удобрений привело к заметному увеличению численности аммонифи-каторов и бактерий, использующих минеральный азот. Недостаток органического вещества приводил к чрезмерной активизации разложения специфических органических соединений почвы актиномицетами и олигонитрофилами. Это выразилось в резком снижении содержания гумуса по сравнению с другими вариантами опыта.
Обогащенность горизонта Ри Ка - бедная. Вниз по профилю каталазная активность уменьшалась до очень бедной. Характер распределения Ка по профилю - резко убывающий.
Численность и групповой состав микроорганизмов в агротемногумусовых подбелах (тыс. КОЕ/ 1 г почвы): I - аммонификаторы; II - грибы; III - бактерии, использующие минеральный азот; IV - актиномицеты; V - олигонитрофилы / The number and group composition of microorganisms in agro-dark-humus podbel (thousand CFU / 1 g of soil): I - ammonifiers; II - mushrooms; III - bacteria, that use mineral nitrogen;
IV - actinomycetes; V - oligonitrophils
Коэффициент корреляции (r) для пары Ка - гумус в почвах залежи составил +0,99, в почвах опыта с использованием минеральных удобрений - 0,96. С применением органических удобрений коэффициент корреляции снижался до +0,86. Высокий уровень положительной корреляционной связи выявлен между показателями Ка и величиной обменной кислотности (r от 0,80 до 0,91) в почвах, характеризующихся слабокислой реакцией среды почвенного раствора. Подобная закономерность отражена в ряде работ по изучению ферментативной активности черноземов, дерново-подзолистых, темно-серых и серых лесных почв различных регионов РФ [17, 34]. При этом мнения различных авторов расходились. Одни утверждали, что оптимальным значением для действия Ка является реакция среды почвенного раствора, близкая к нейтральной [12]. Результаты исследований других авторов свидетельствовали о снижении каталазной активности в почвах при подщелачивании почвенного раствора [17]. Между тем наибольшая активность ката-лазы была зафиксирована в почвах залежи, характеризующихся менее щелочной реакцией среды. Вероятной причиной этому является смещение катионно-анионного равновесия почвенного раствора при подкислении среды, что приводит к повышению активности фермента.
Распределение Ка с учетом плотности сложения и мощности горизонтов во всех исследуемых почвах носило неравномерный характер. Обогащенность Ка горизонта PU, согласно оценочным градациям [7], была очень бедной во всех исследуемых почвах (табл. 2). Возрастание запасов Ка зафиксировано в горизонтах ELnn и BTnng агротемногумусовых подбелов. Особенно яркое проявление это нашло в агротемногумусовом подбеле глееватом, сформированном в условиях длительного фитомелиоративного опыта (Р. 1). Это, на наш взгляд, связано с обилием ортштейнов в горизонтах ELnn и BTnng. В агротемногумусовом подбеле типичном (Р. 2) установлено возрастание запасов Ка до средних величин с последующим снижением в ELnn и возрастанием в BTnn. При этом обогащенность Ка оставалась бедной. В агротемногумусовых подбелах глеевых с длительным применением органических (Р. 3) и минеральных (Р. 4) удобрений наибольшие величины запасов Ка свойственны горизонту PU. Вниз по профилю её запасы изменялись от бедных до очень бедных. Согласно полученным данным о средних показателях внутрипрофильного распределения и запасов Ка, почвы, сформированные в условиях длительного фитомелиоративного опыта и находящиеся в залежи (Р. 1, Р. 2), явно отличались по среднепрофильным показателям обогащенности Ка от почв с применением органических и минеральных удобрений (табл. 3).
Таблица 3
Среднепрофильные характеристики каталазной активности и ее запасы / The average profile characteristics of catalase activity and its reserve
№ разреза, почва Ка см3О2 /1г почвы за 1 мин Запасы Ка О2 см3 за 1 мин
Р. 1. Агротемногумусовый подбел глееватый 4,86+0,24 140,9+7,0
Р. 2. Агротемногумусовый подбел типичный 2,72+0,15 62,4+3,2
Р. 3. Агротемногумусовый подбел глеевый типичный 0,52+0,03 15,0+0,8
Р. 4. Агротемногумусовый подбел глеевый типичный 0,92+0,04 30,8+1,5
По средним показателям внутрипрофильного распределения Ка в исследуемых почвах был установлен ряд: фитомелиоративный опыт > залежь > опыт с внесением минеральных удобрений > опыт с внесением органических удобрений. По средним параметрам изменения запасов Ка по профилю подобная закономерность сохранялась.
Заключение
Исследуемые почвы с различным уровнем агротехнического воздействия и применением экологически чистых (фитомелиоративных) приемов повышения плодородия различались по содержанию и запасам гумуса, функционированию микрофлоры и обогащенности ферментами (Ка). В почвах залежей установлены более высокие показатели содержания гумуса (из-за значитель-
ного поступления органического вещества с корневой массой растительных остатков), более высокая (до средних значений) обогащенность Ка и биогенность. В составе микрофлоры преобладали амилолитическая и олигонитрофильная части. Увеличился КМ углеводов почвы и иммобилизации азота.
В почвах, сформированных в условиях длительного фитомелиоративного опыта, в связи с усилением процессов минерализации свежего органического вещества содержание гумуса и его запасы снижались. Протекание процесса образования ортштейнов в этих почвах способствовало возрастанию уровня каталазной активности (до 9,9 см3 О2/за 1 мин 1 г почвы). Это нашло отражение в возрастании как средних показателей внутрипрофильного распределения Ка, так и её запасов. В почвах данного варианта опыта наиболее развитой является амилолитическая часть почвенного микробоценоза. При этом КМ находился на уровне высоких значений.
При длительном применении органических удобрений в почвах зафиксировано низкое содержание гумуса, однако его запасы в метровом слое по сравнению с другими вариантами возрастали. Это обусловлено переходом системы гумусовых веществ в более стабильное состояние в связи с применением органических удобрений. В составе микрофлоры произошли изменения -доминирующими являлись олигонитрофиллы и аммонификаторы, резко снижалась численность актиномицетов. Интенсивность процессов иммобилизации азота уменьшалась, КМ < 1. Средне-профильные значения Ка и ее запасы уменьшились по сравнению с почвами залежей.
При длительном применении минеральных удобрений содержание гумуса в почвах снижалось до малых значений. Недостаток органического вещества приводил к активизации процессов разложения гумуса актиномицетами и олигонитрофилами. Усиление микробиологической деятельности вызвало возрастание обогащенности почв Ка. Среднепрофильные значения Ка и ее запасов увеличивались.
Таким образом, в зависимости от уровня агротехнического воздействия на почвы изменялись интенсивность и направленность процессов разложения органического вещества микрофлорой, что нашло свое отражение в изменении содержания и запасов гумуса и каталазной активности. Для оптимизации почвенных процессов трансформации органического вещества и активизации гумусообразования необходимо комплексное агротехническое воздействие с применением как минеральных, так и органических удобрений.
Список источников
1. Казеев К.Ш., Колесников С.И., Акименко Ю.В., Даденко Е.В. Методы биодиагностики наземных экосистем. Ростов н/Д.: Изд-во ЮФУ, 2016. 356 с.
2. Laren A.D. Soil as a system of bound enzymes // Chem. Ind. 1974. № 7. Р. 28-30.
3. Хазиев Ф.Х. Функциональная роль ферментов в почвенных процессах // Вестн. Акад. наук Республики Башкоростан. 2015. Т. 20, № 2. C. 14-24.
4. Методы почвенной микробиологии и биохимии / под ред. Д.Г. Звягинцева. М.: МГУ, 1991. 304 с.
5. Девятова Т.А., Щербаков А.П. Биологическая активность черноземов центра Русской равнины // Почвоведение. 2006. № 4. С. 502-508.
6. Гарбуз С.А., Ярославцева Н.В., Холодов В.А. Ферментативная активность внутри и снаружи водоустойчивых агрегатов в почвах разного вида использования // Почвоведение. 2016. № 3. С. 398-407. Doi: 10.7868/S0032180X16030035.
7. Звягинцев Д.Г. Биологическая активность почв и шкалы для оценки некоторых ее показателей // Почвоведение. 1978. № 6. С. 48-54.
8. Дубровина И.А. Влияние биоугля на агрохимические показатели и ферментативную активность почв средней тайги Карелии // Почвоведение. 2021. № 12. С. 1523-1534. Doi: 10.31857/S0032180X21120054.
9. Колесников С.И., Дульцев А.Н., Вернигорова Н.А., Казеев К.Ш., Акименко Ю.В., Тер-Мисакянц Т.А. Биодиагностика устойчивости рисовых почв Кубани к химическому загрязнению // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Естеств. науки. 2017. № 2. С. 57-62.
10. 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. 204 с.
11. Мартиросян И.А., Геворкян М.Г. Оценочные определения каталазной активности почв // Почвоведение. 2005. № 1. С. 98-103.
12. Товстик Е.В., Олькова А.С. Оценка влияния факторов абиотической природы на ферментативную активность почвы // Экобиотехнологии. 2021. Т. 4, № 2. С. 128-134.
13. Пуртова Л.Н., Щапова Л.Н., Иншакова С.Н., Емельянов А.Н. Влияние фитомелиорации на плодородие агроабраземов Приморья // Аграрный вестн. Урала. 2012. № 10. С. 10-12.
14. Колесников С.И., Тлехас З.Р., Казеев К.Ш., Вальков В.Ф. Изменение биологических свойств почв Адыгеи при химическом загрязнении // Почвоведение. 2009. № 12. С. 1499-1505.
15. BurnsR.G., DeForest J.L., Marxsen J., SinsabaughR.L., StrombergerM.E., WallensteinM.D., WeintraubM.N., Zoppini A. Soil enzymes in a changing environment: Current knowledge and future directions // Soil Biol. Biochem. 2013. Vol. 58. P. 216-234. https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2012.11.009.
16. Вальков В.Ф., Казеев К.Ш., Колесников С.И. Методология исследования биологической активности почв на примере Северного Кавказа // Науч. мысль Кавказа. 1999. № 1. С. 32-37.
17. Евсеев В.В. Микробиологическая активность чернозема выщелоченного в зернопаровом и кормовом севооборотах лесостепной зоны Зауралья // Аграрный вестн. Урала. 2005. T. 25, № 1. С. 54-56.
18. Перминова Е.М., Лаптева А.М. Каталазная активность подзолистых почв коренного ельника черничного и разновозрастных лиственно-хвойных сообществ // Аграрный вестн. Урала. 2018. № 5. С. 44-53.
19. Голодяев Г.П. Биологическая активность горно-лесных почв южного Приморья // Вопросы численности, биомассы и продуктивности почвенных микроорганизмов. Л.: Наука, 1972. С. 240-246.
20. Щапова Л.Н. Микрофлора почв юга Дальнего Востока России. Владивосток: Изд-во ДВО РАН, 1994. 172 с.
21. Пуртова Л.Н., Тимофеева Я.О. Характеристика мелкозема и ортштейнов агрогенных почв южной части Приморского края: физико-химические, оптические свойства, каталазная и каталитическая активность // Почвоведение. 2021. № 12. С. 1481-1491.
22. Классификация и диагностика почв России / авт. и сост.: Л.Л. Шишов, В.Д. Тонконогов, И.И. Лебедева, М.И. Герасимова. Смоленск: Ойкумена, 2004. 342 с.
23. Аринушкина Е.В. Руководство по химическому анализу почв. М.: Изд-во МГУ, 1970. 487 с.
24. Орлов Д.С., Бирюкова О.Н., Розанова М.С. Дополнительные показатели гумусного состояния почв и их генетических горизонтов // Почвоведение. 2004. № 8. С. 918-926.
25. Агрофизические методы исследования почв. М.: Наука, 1966. 256 с.
26. Колесников Б.П. Растительность // Природные условия и естественные ресурсы СССР. Южная часть Дальнего Востока. М.: Наука, 1969. С. 206-250.
27. Витвицкий Г.Н. Климат // Природные условия и естественные ресурсы СССР. Южная часть Дальнего Востока. М.: Наука, 1969. С. 70-96.
28. Костенков Н.М. Окислительно-восстановительные режимы в почвах периодического переувлажнения. М.: Наука, 1987. 192 с.
29. Степанько А.А. Агрогеографическая оценка земельных ресурсов и их использование в районах Дальнего Востока. Владивосток: Дальнаука, 1992. 115 с.
30. Пуртова Л.Н., Костенков Н.М. Содержание органического углерода и энергозапасы в почвах природных и агрогенных ландшафтов юга Дальнего Востока России. Владивосток: Дальнаука, 2009. 123 с.
31. Пуртова Л.Н., Киселева И.В., Щапова Л.Н. Влияние фитомелиорации на процессы гумусонакопле-ния и микрофлору агрогенных почв Приморья / отв. ред. В.И. Голов. Владивосток: Дальневост. фед. ун-т, 2021. 109 с. Doi: https://doi.org/10.25221/agrosoils.
32. Титова В.И., Козлов А.В. Методы оценки функционирования микробоценоза почвы, участвующего в трансформации органического вещества. Н. Новгород: Нижегородская с.-х. академия, 2012. 64 с.
33. Иванов Г.И. Почвообразование на юге Дальнего Востока. М.: Наука, 1976. 201 с.
34. Еремченко О.З., Шестаков И.Е., Митракова Н.В. Использование биологических показателей при оценке биогеоценотических функций почв // Современные проблемы науки и образования. 2012. № 6. URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=728 (дата обращения: 11.05.2021).
References
1. Kazeev K.Sh., Kolesnikov S.I., Akimenko Yu.V., Dadenko E.V. Methods of biodiagnostics of terrestrial ecosystems. Rostov-on-Don: Southern Federal University Press; 2016. 356 p. (In Russ.).
2. Laren A.D. Soil as a system of bound enzymes. Chem. Ind. 1974;(7):28-30.
3. Khaziev F.Kh. Functional role of enzymes in soil processes. Vestn. Akad. nauk Respubliki Bashkorostan = The Herald of the ASRB. 2015;20(2):14-24. (In Russ.).
4. Zvyagintsev D.G., ed. Methods of soil microbiology and biochemistry. Moscow: Moscow State University Press; 1991. 304 p. (In Russ.).
5. Devyatova T.A., Shcherbakov A.P. Biological activity of chernozems in the center of the Russian Plain. Eurasian Soil Science. 2006;39(4):450-456, doi: 10.1134/S1064229306040120.
ISSN 1026-2237 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. NATURAL SCIENCE. 2022. No. 3
6. Garbuz S.A., Yaroslavtseva N.V., Kholodov V.A. Enzymatic activity inside and outside of water-stable aggregates in soils under different land use. Eurasian Soil Science. 2016;49:367-375, doi: 10.7868/S0032180X16030035.
7. Zvyagintsev D.G. Biological activity of soils and scales for assessing some of its indicators. Pochvovedenie = Eurasian Soil Science. 1978;(6):48-54. (In Russ.).
8. Dubrovina I.A. Effects of biochar on the agrochemical indicators and enzyme activity of soils in the middle taiga of Karelia. Eurasian Soil Science. 2021;54(12):1957-1966, doi: 10.1134/S106422932112005X.
9. Kolesnikov S.I., Dultsev A.N., Vernigorova N.A., Kazeev K.Sh., Akimenko Yu.V., Ter-Misakyants T.A. Biodiagnostics of resistance of rice soils of the Kuban to chemical pollution. Izv. vuzov. Sev.-Kavk. region. Estestv. nauki = Bulletin of Higher Educational Institutions. North Caucasus Region. Natural Science. 2017;(2):57-62. (In Russ.).
10. Kazeev K.Sh., Kolesnikov S.I., Valkov V.F. Biological diagnostics and indication of soils: methodology and research methods. Rostov-on-Don: Rostov State University Press; 2003. 204 p. (In Russ.).
11. Martirosyan I.A., Gevorkyan M.G. On the methodology of determining the catalase activity of soils. Eurasian Soil Science. 2005;38(1):89-94.
12. Tovstik E.V., Olkova A.S. Evaluation of the influence of factors of abiotic nature on the enzymatic activity of the soil. Ecobiotech. 2021;4(2):128-134. (In Russ.).
13. Purtova L.N., Shchapova L.N., Inshakova S.N., Emelyanov A.N. Influence of phytomelioration on the fertility of agroabrazems of Primorye. Agrarnyi vestn. Urala = Agrarian Bulletin of the Urals. 2012;(10):10-12. (In Russ.).
14. Kolesnikov S.I., Tlekhas Z.R., Kazeev K.Sh., Valkov V.F. Chemical contamination of Adygea soils and changes in their biological properties. Eurasian Soil Science. 2009;42(12):1397-1403, doi: 10.1134/S1064229309120102.
15. Burns R.G., DeForest J.L., Marxsen J., Sinsabaugh R.L., Stromberger M.E., Wallenstein M.D., Weintraub M.N., Zoppini A. Soil enzymes in a changing environment: Current knowledge and future directions. Soil Biol. Biochem. 2013;58:216-234, https://doi.org/10.10167j.soilbio.2012.11.009.
16. Val'kov V.F., Kazeev K.Sh., Kolesnikov S.I. Methodology for studying the biological activity of soils on the example of the North Caucasus. Nauch. mysl' Kavkaza = Scientific Thought of Caucasus. 1999;(1):32-37. (In Russ.).
17. Evseev V.V. Microbiological activity of leached chernozem in grain-fallow and fodder crop rotations of the forest-steppe zone of the Trans-Urals. Agrarnyi vestn. Urala = Agrarian Bulletin of the Urals. 2005;25(1):54-56. (In Russ.).
18. Perminova E.M., Lapteva A.M. Catalase activity of podzolic soils of native bilberry spruce forest and mixed-age deciduous-coniferous communities. Agrarnyi vestn. Urala = Agrarian Bulletin of the Urals. 2018;(5):44-53. (In Russ.).
19. Golodyaev G.P. Biological activity of mountain forest soils of southern Primorye. Questions of abundance, biomass and productivity of soil microorganisms. Leningrad: Nauka Publ.; 1972:240-246. (In Russ.).
20. Shchapova L.N. Soil microflora in the south of the Russian Far East. Vladivostok: Far Eastern Branch Press, Russian Academy of Sciences; 1994. 172 p. (In Russ.).
21. Purtova L.N., Timofeeva Ya.O. Fine earth and nodules in agrogenic soils from the south of Primorskii region: physicochemical and optical properties, catalase and catalytic activity. Eurasian Soil Science. 2021;54(12):1855-1863, doi: 10.1134/S1064229321120097.
22. Shishov L.L., Tonkonogov V.D., Lebedeva I.I., Gerasimov M.I. Classification and diagnostics of Russian soils. Smolensk: Oikumena Publ.; 2004. 342 p. (In Russ.).
23. Arinushkina E.V. Guide to the chemical analysis of soils. Moscow: Moscow State University Press; 1970. 487 p. (In Russ.).
24. Orlov D.S., Biryukova O.N., Rozanova M.S. Revised system of the humus status parameters of soils and their genetic horizons. Eurasian Soil Science. 2004;37(8):798-805.
25. Agrophysical methods of soil research. Moscow: Nauka Publ.; 1966. 256 p. (In Russ.).
26. Kolesnikov B.P. Vegetation. Natural conditions and natural resources of the USSR. Southern part of the Far East. Moscow: Nauka Publ.; 1969:206-250. (In Russ.).
27. Vitvitsky G.N. Climate. Natural conditions and natural resources of the USSR. Southern part of the Far East. Moscow: Nauka Publ.; 1969:70-96. (In Russ.).
28. Kostenkov N.M. Redox regimes in soils of periodic waterlogging. Moscow: Nauka Publ.; 1987. 192 p. (In Russ.).
29. Stepanko A.A. Agrogeographic assessment of land resources and their use in the regions of the Far East. Vladivostok: Dalnauka Publ.; 1992. 115 p. (In Russ.).
30. Purtova L.N., Kostenkov N.M. Organic carbon content and energy reserves in soils of natural and agrogenic landscapes in the south of the Russian Far East. Vladivostok: Dalnauka Publ.; 2009. 123 p. (In Russ.).
31. Purtova L.N., Kiseleva I.V., Shchapova L.N. Influence ofphytomelioration on the processes of humus accumulation and microflora of agrogenic noils of Primorye. V.I. Golov, ed. Vladivostok: Far East Federal University Press; 2021. 109 p., doi: https://doi.org/10.25221/agrosoils (In Russ.).
32. Titova V.I., Kozlov A.V. Methods for assessing the state of microbiocenosis involved in the transformation of organic matter. Nizhny Novgorod: Nizhny Novgorod Agricultural Academy Press; 2012. 64 p. (In Russ.).
33. Ivanov G.I. Soil formation in the south of the Far East. Moscow: Nauka Publ.; 1976. 201 p. (In Russ.).
34. Eremchenko O.Z., Shestakov I.E., Mitrakova N.V. (). The use of biological indicators in assessing the biogeocenotic functions of soils. Sovremennyeproblemy nauki i obrazovaniya = Modern Problems of Science and Education. 2012;(6). Available from: https://science-education.ru/ru/article/view?id=728 [Accessed 11th May 2021]. (In Russ.).
Информация об авторах
Людмила Николаевна Пуртова - доктор биологических наук, ведущий научный сотрудник, сектор органического вещества почв.
Ирина Владимировна Киселева - кандидат биологических наук, старший научный сотрудник. Яна Олеговна Тимофеева - кандидат биологических наук, старший научный сотрудник. Алексей Николаевич Емельянов - кандидат сельскохозяйственных наук, директор.
Роман Витальевич Тимошинов - кандидат сельскохозяйственных наук, заведующий отделом земледелия и агрохимии.
Information about the authors
Lyudmila N. Purtova - Doctor of Science (Biology), Leading Researcher, Organic Matter Sector. Irina V. Kiseleva - Candidate of Science (Biology), Senior Researcher. Yana O. Timofeeva - Candidate of Science (Biology), Leading Researcher. Аlexey N. Emelyanov - Candidate of Science (Agriculture), Director.
Roman V. Timoshinov - Candidate of Science (Agriculture), Head of the Department of Agriculture and Agro-chemistry.
Статья поступила в редакцию 18.04.2022; одобрена после рецензирования 20.05.2022; принята к публикации 30.08.2022. The article was submitted 18.04.2022; approved after reviewing 20.05.2022; accepted for publication 30.08.2022.
