Показатели физико-химических свойств и биологической активности агрогенных почв при различных приемах агротехнической обработки Текст научной статьи по специальности «Сельское хозяйство, лесное хозяйство, рыбное хозяйство»

DOI: https://doi.org/10.23670/IRJ.2019.86.8.007

ПОКАЗАТЕЛИ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ И БИОЛОГИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ АГРОГЕННЫХ ПОЧВ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ПРИЕМАХ АГРОТЕХНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

Научная статья

Пуртова Л.Н.1, *, Емельянов А.Н.2

1 ORCID: 0000-0001-7776-7419,

1 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «ФНЦ биоразнообразия наземной биоты Восточной

Азии», Владивосток, Россия;

2 ORCID: 0000-0002-7112-7856,

2 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «ФНЦ Агробиотехнологий Дальнего Востока им. А.К.

Чайки», Уссурийск, Россия

* Корреспондирующий автор (purtova[at]mail.ru)

Аннотация

Исследовано влияние различных систем агротехнической обработки в агротемногумусовых глеевых почвах (боронование, дискование) с внесением удобрений в посевах козлятника восточного (Galega orientalis Lam) на физико-химические свойства, ферментативную активность и процессы гумусонакопления. Основное внимание уделено активности ферментов из класса оксидоредуктаз (пероксидазы, полифенолоксидазы, каталазы) играющих важную роль в биогенезе гумуса. Процессы гумусообразования при дисковании и бороновании происходят в условиях слабокислой реакции среды. Для горизонта PU свойственна высокая и повышенная обеспеченность почв подвижными формами фосфора и калия. Количество гумуса соответствовало уровню ниже средних и средних значений. Обогащенность почв каталазой изменялась от ниже средних до средних значений. Боронование почв с внесением удобрений вызвало уменьшение обогащенности почв каталазой. Интегральный показатель биологического состояния почв, рассчитанный на основе фенолоксидазной, пероксидазной и каталазной активностей, был достаточно высоким на вариантах с дискованием и боронованием с внесением минеральных удобрений. Использование показателей ферментативной активности почв позволило охарактеризовать интенсивность протекания гумусообразовательного процесса.

Ключевые слова: почва, боронование, дискование, ферментативная активность, гумус, плодородие.

INDICATORS OF PHYSICAL AND CHEMICAL PROPERTIES AND BIOLOGICAL ACTIVITY OF AGRICULTURAL SOILS DURING THE USE OF DIFFERENT METHODS OF AGROTECHNICAL TREATMENT

Research article

Purtova L.N.1, *, Yemelyanov A.N.2

1 ORCID: 0000-0001-7776-7419,

1 Federal State Budgetary Institution of Science "Federal Research Centre for Biodiversity of Terrestrial Biota of East Asia,"

Vladivostok, Russia;

2 ORCID: 0000-0002-7112-7856,

2 Federal State Budgetary Institution of Science "Federal Research Centre for Agrobiotechnology of the Far East named after

A.K. Chaika", Ussuriysk, Russia

* Corresponding author (purtova[at]mail.ru)

Abstract

The article studies effect of various agrotechnical processing systems in agro dark humus gley soils (harrowing, disk harrowing) with the use of fertilizers in crops of eastern goatskin (Galega orientalis Lam) on the physicochemical properties, enzymatic activity and humus accumulation processes. The focus of the article is on the activity of enzymes from the class of oxidoreductases (peroxidase, polyphenol oxidase, catalase) that play an important role in the biogenesis of humus. Processes of humus formation during disk harrowing and harrowing occur under the conditions of a weakly acidic reaction of the medium. PU horizon is characterized by high and increased soil availability of mobile forms of phosphorus and potassium. The amount of humus corresponded to the level below the average and average. Soil enrichment with catalase varied from below average to average. Harrowing the soil with fertilizer caused a decrease in soil enrichment with catalase. The integral indicator of the biological state of the soils calculated on the basis of phenol oxidase, peroxidase and catalase activities was rather high in case of disk harrowing and harrowing with the application of mineral fertilizers. The use of indicators of the enzymatic activity of the soil enables characterizing the intensity of the humus-forming process.

Keywords: soil, harrowing, disk harrowing, enzymatic activity, humus, fertility.

Использование почв в системе земледелия приводит к изменению направленности процессов почвообразования под воздействием агроэкологических факторов, что ведет к значительной потере гумуса. Негативные изменения прослеживаются в физико-химических и биологических свойствах почв [1]. В Приморском крае широко используются под пашню агротемногумусовые отбеленные почвы. По последним данным, содержание гумуса при их сельскохозяйственном использовании снизилось с 6,0 до 4,0 % [2].

Ранее проведенными исследованиями установлены отличия в энергетической эффективности применения минеральных удобрений и показателях их гумусного состояния при различных агротехнических обработках агрогенных почв края. Зафиксировано уменьшение доли "свободных" ГК (гуминовых кислот) при дисковании почв. Боронование с внесением удобрений N45P60K60 увеличило подвижность ГК, что привело к возрастанию "свободных" ГК до высоких значений [3]. Однако, исследованию микробиологической активности, одним из показателей которых является активность ферментов почв, с которой связан биогенез гумуса не было уделено должного внимания, что и определило актуальность проведения данных исследований.

В практике земледелия вопросы воспроизводство почвенного плодородия с учетом ферментативной активности, связанные с накоплением и сохранением гумуса, а также разработка методов индикации, позволяющие оценить экологическую ситуацию, складывающуюся в агрогенных почвах, приобретает особую теоретическую и практическую значимость. Одним из показателей экологического состояния почв является её ферментативная активность, как индикатор суммарной биологической активности, отражающей интенсивность и направленность протекающих в почве биохимических процессов. Основная часть окислительно-восстановительных процессов в почве осуществляется с участием органических веществ, катализируемых ферментами из класса оксидоредуктаз. А.Е.Гулько, Ф.Х. Хазиев [10] обратили внимание на роль ферментов из класса оксидоредуктаз (полифенолоксидаз и пероксидаз) в биогенезе почвенного гумуса. В основе синтеза гумусовых компонентов почв лежат окислительно-восстановительные процессы с участием полифенолоксидазы, пероксидазы и каталазы. Чундеровой А.И. по соотношению показателей полифенолоксидазной и пероксидазной активности предложено определять коэффициент глубины гумификации [11]. Распашка и использование почв в системе сельскохозяйственного производства нередко вызывает минерализацию гумуса. Поэтому необходима разработка эффективных и экологически чистых приемов агротехнической обработки с посевами трав, способствующих повышению уровня плодородия почв, а также выбор индикационных показателей за его состоянием.

Цель работы - исследование влияния различных приемов агротехнической обработки в посевах Galega orientalis на показатели плодородия агротемногумусовых глеевых почв.

В задачи исследований входило:

1. Изучение влияния различных систем агротехнической обработки с посевами трав на физико-химические свойства почв.

2. Исследование оксидоредуктазной активности ферментов (полифенолоксидазной, каталазной, пероксидазной).

3. Использование показателей активности ферментов при мониторинге процессов гумусонакопления.

Объект исследований агротемногумусовые глеевые почвы, название почв приведено согласно классификации 2004 г [12] с набором генетических горизонтов: PU - AU - G - Cg. Почвенные образцы отобраны на опытных полях «ФНЦ Агробиотехнологии Дальнего Востока им. А.К. Чайка» в условиях полевого опыта на многолетних травостоях Саlеga orientalis из горизонта PU (0-20 см). Физико-химические и агрохимические свойства почв определяли по общепринятым в почвоведении методам [13]. При исследовании почвенных ферментов основное внимание уделяли активности ферментов из класса оксидоредуктаз (пероксидазе, полифенолоксидазе, каталазе). Каталазную активность исследовали газометрическим методом по Галстяну, полифенолоксидазную и пероксидазную методом Л.А. Карягиной и Н.А.Михайловой [14]. Для оценки экологического состояния агротемногумусовых глеевых почв использован интегральный показатель биологического состояния почв (ИПБС). Расчет ИБПС проведен на основе данных по оксиредуктазной активности по методике расчета, предложенной авторами [15]. При обработке данных использована компьютерная программа Statistica.

Исследованные почвы сформированы в Приханкайской ГТП (гидротермической провинции) с выпадением осадков до 800 мм, показателями радиационного баланса до 52,2 ккал/см2/год. Сумма активных температур составляет от 2450 °С до 2500 °С [16]. Для исследуемых почв, судя по параметрам актуальной кислотности (рНв), свойственна слабокислая реакция среды. Обменная кислотность (рНс) варьировала от слабокислой до кислой (табл. 1). Значительные величины гидролитической кислотности характерны для вариантов опыта 1, 2, 3, а также 8. Обеспеченность горизонта PU подвижными формами фосфора и калия высокое. Это во многом связано с применением ранее фосфорно-калийными удобрениями. Содержание гумуса варьировало от ниже средних до средних значений. Наиболее гумусированными были горизонты агротемногумусовых глеевых почв с внесением удобрений N45P60K60 и N90Pi20Ki20 без обработки почв (варианты 2, 3) и бороновании (9). На этих вариантах, по сравнению с контролем, возросло содержания гумуса и активность ферментов полифенолоксидазы и пероксидазы, что указывало на активизацию процесса гумусонакопления. Обогащенность каталазой (Ка) горизонта PU соответствовало уровню ниже средних и средних показателей. На вариантах 4 и 6 с дискованием почв зафиксирована более высокая обогащенность почв каталазой. Проведение боронования с внесением удобрений (вариант 9) способствовало снижению Ка. Этому, на наш взгляд, способствовало ингибирование микрофлоры высокими дозами минеральных удобрений. Проведение боронования с внесением удобрений (вариант 9) снижало Ка. Боронование и дискование поверхностных горизонтов, из-за усиления аэрации и окислительных процессов, приводящих к росту окислительно-восстановительного потенциала в пахотном слое, усилило пероксидазную и полифенолоксидазную активность (табл.2). Исследованием корреляционной связи для пары фенолоксидазная активность - гумус (r1), пероксидазная активность - гумус (r2) на вариантах с внесение минеральных удобрений без обработки почв и боронованием, установлены высокие показатели коэффициента корреляции (без обработки) r1 = 0,95; r2 = 0,96; боронование - r1 = 0,82; r2 = 0,84.

Таблица 1 - Показатели физико-химических и агрохимических свойств агротемногумусовых глеевых почв

Вариант опыта Показатели

рНв рНс Гумус, % Гидролитическая кислотность, м-экв/100г почвы Р205,мг/100г почвы (по Кирсанову) К2О мг/100г почвы (по Масловой)

М±т

1. Контроль без обработки и внесения удобрений 6,1о±о,о9 5,5о±о,1о 5,17±о,41 6,25±о,75 6,5о±о,13 11,8о±о,18

2. ^РбоКбо, без обработки б,1о±о,1о 5,Ю±о,Ю 6,1о±о,2о 6,25±о,75 14,оо±о,28 18,7о±о,28

3. ^Р^оК^о, без обработки б,1о±о,1о 5,2о±о,1о 7,14±о,58 5,37±о,64 14,5о±о,21 2о,4о±о,31

4. Дискование (контроль) 6,4о±о,1о 5,оо±о,1о 4,97±о,16 3,26±о,39 1о,оо±о,2о 14,2о±о,21

5.М45Р6оКбо +дискование б,зо±о,1о 5,2о±о,1о 5,48±о,25 4,14±о,5о 13,1о±о,26 12,6о±о,19

6. ^оР12оК12о +дискование 6,5о±о,1о 5,5о±о,1о 4,86±о,о6 3,56±о,43 21,оо±о,42 14,9о±о,22

7. Боронование (контроль) 6,2о±о,15 4,9о±о,1о 4,6о±о,о4 4,92±о,59 5,Ю±о,Ю 1о,7о±о,16

8. ^5РбоКбо +боронование 6,оо±о,1о 5,Ю±о,Ю 5,79±о,о5 5,37±о,64 14,оо±о,2о 15,оо±о,22

9. ^9оР12оК12о +боронование 6,4о±о,1о 5,5о±о,1о 6,15±о,58 4,14±о,5о 21,оо±о,42 15,оо±о,3о

Примечание: М- среднее значение, +т - ошибка среднего

Таблица 2 - Ферментативная активность, ИМЬС в агротемногумусовой глеевой почве

Вариант опыта Пероксидаза Полифенолокс идаза Каталаза. мл О2/1г почвы за1мин ИПБС.%

мг 1.4 бензохинона 1 г почвы за 30 мин

1. Контроль без обработки и внесения удобрений 0,70 0,29 1,5 27.0

2. ^РбоКбо, без обработки 1,48 0,64 2,3 50.8

3. №,оР12оК12о, без обработки 1,73 0,77 3,6 67.1

4. Дискование (контроль) 1,48 0,66 3,5 68.8

5. М45Р6оК6о +дискование 1,89 0,86 2,3 60.8

6. КдоР12оК12о +дискование 2,30 1,06 4,2 53.4

7. Боронование (контроль) 1,12 0,56 3,0 50.1

8. ^5РбоКбо +боронование 1,48 0,80 2,9 59.1

9. КэоР12оК12о +боронование 2,72 1,48 1,9 81.7

Примечание: ИПБС - интегральный показатель биологического состояния почв

Интегральный показатель биологического состояния почв (ИМЬС). рассчитанный на основе оксидоредуктазной ферментативной активности. достаточно высокий на всех вариантах полевого опыта. Применение минеральных удобрений. из-за возрастания численности микрофлоры вызвало возрастание ИПБС. Этому во многом способствовала активизация ферментов пероксидаз и полифенолоксидаз в связи с усилением функционирования почвенной микрофлоры и процессов гумусонакопления. Установлено повышение параметров ИПБС при дисковании и бороновании (варианты 4. 9).

Возрастание полифенолоксидазной активности при бороновании с внесением удобрений в дозе N90P120K120, привело к увеличению коэффициента глубины гумификации (отношение полифенолоксидазы к пероксидазе) [15]. значения которого составили: вариант 1 - 27.0%; 2 - 43.9%; 3 - 44.5%; 4 - 44.6%. 5 - 45.5%. 6 - 46.1%; 7 - 50.0%. 8 -54.4% . вариант 9 - 81.7%. Таким образом. более высокий показатель глубины гумификации свойственен варианту (9) при бороновании с внесением минеральных удобрений N90P120K120.

Как показали результаты проведенных исследований. различная система агротехнической обработки с посевом трав. оказывает неоднозначное влияние на показатели плодородия почв. Гумусообразование в условиях полевого опыта с посевом Galega orientalis в горизонте PU агротемногумусовых глеевых почв в основном протекало при слабокислой реакции среды. Содержание гумуса в вариантах опыта варьировало от ниже средних до средних значений. Более высокая гумусированность пахотного слоя свойственна вариантам с внесением удобрений N45P60K60 и N90P120K120 без обработки почв (варианты 2. 3) и с боронованием N90P120K120 (9).

Обеспеченность горизонта PU элементами питания растений (подвижными формами калия и фосфора) высокое. Проведение боронования и дискования с посевом Galega orientalis и применением минеральных удобрений способствовало возрастание активности ферментов - полифенолоксидаз и пероксидаз. Обогащенность почв каталазой изменялась от ниже средних до средних значений. Интегральный показатель биологического состояния почв. достаточно высокий. за исключением контроля (без обработки и удобрений). Боронование агротемногумусовых глеевых почв с внесением минеральных удобрений вызвало увеличение параметров ИПБС и коэффициента глубины гумификации. Активность оксидоредуктаз (полифенолоксидаз. пероксидаз. каталаз) а также ИПБС можно рекомендовать в качестве индикаторов интенсивности гумусообразовательного процесса и оценке складывающейся экологической обстановки в почвах.

Конфликт интересов Conflict of Interest

Не указан. None declared.

Список литературы/ References

1. Даденко Е.В. Применение показателей ферментативной активности при оценке состояния почв под сельскохозяйственными угодьями / Е.В. Даденко, М.А.Прудникова, К.Ш Казеев. и др. // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. - 2013. - Т.15. - №3 (4) . - С.1274-1277.

2. Пуртова Л.Н. Энергетическое состояние почв Дальнего Востока России / Л.Н. Пуртова, Н.М. Костенков -Владивосток.: Дальнаука, 2003. - 136 с.

3. Пуртова Л.Н. Влияние агротехнических приемов на изменение показателей гумусного состояния и энергозапасов агротемногумусовых глеевых почв при произрастании козлятника восточного (Galega Orientalis)/ Л.Н.Пуртова, Я.О . Тимофеева, В.М. Босенко // Аграрный вестник Урала 2018 . - № 07 (174) С.34-42.

4. Хазеев Ф.Х. Ферментативная активность почв агроценозов и перспективы её изучения / Ф.Х. Хазеев, А.Е. Гулько // Почвоведение. - 1991. - №8. - С.88-103.

5. Казеев К.Ш. Биодиагностика почв: методология и методы исследований / Колесников С.И. - Ростов н/Д: Изд-во южного федерального ун-та , 2012. - 260 с.

6. Стахурлова Л.Д. Биологическая активность как индикатор плодородия черноземов в различных биоценозах / И.Д. Свистова, Д.И. Щеглов // Почвоведение. - 2007. - №6. - С. 769-774.

7. Mangier J.M. Source and role peroxidase in soil organic matter oxidation in Pahokee Muck / J.M. Mangier, R.L. Tate //Soil Sci. - 1982. - V. 134. - №4. - Р. 226-232.

8. Ros M. Soil microbial activity after restoration of a semiarid soil by organic amend-ments/ Margarita Ros, Maria Teresa Hernandez, Carlos Garcia // Soil Biology & Biochemistry - 2003. - № 35. - Issue 3. - P.463-469.

9. Li Xiao. Soil enzyme activities and microbial biomass response to crop types on the terrraces of the Loess Plateau,China/ Li Xiao , Yimei Huard, Quanchao Zend, Junfeng Zhao, Junying Zhou //Journal of soils and sediments. - 2018.

- №18. - P.1971-1980.

10. Гулько А.Е. Фенолоксидазы почв: продуцирование, иммобилизация, активность/А.Е.Гулько, Ф.Х. Хазиев //Почвоведение. - 1992. - №11. - С.55-66.

11. Чундерова А.И. Активность полифенолоксидазы и пероксидазы в дерново-подзолистых почвах/ А.И. Чундерова // Почвоведение. - 1970. - №1. - С.22-28.

12. Классификация и диагностика почв России. - М: Изд-во Ойкумена, 2004. - 341с.

13. Аринушкина Е.В. Руководство по химическому анализу почв. / Е.В. Аринушкина. - М: МГУ, 1970. - 487 с.

14. Хазиев Ф.Х. Методы почвенной энзимологии/ Ф.Х. Хазиев. - М.: Наука 2005. - 252 с.

15. Хасанова Р.Ф. Оценка экологического состояния почв степных агроэкосистем по показателям биологической активности/ Р.Ф.Хасанова, Я.Т. Суюндукова, И.Н. Семенова //Вестник НВГУ. - 2017. - №1. - С.103-108.

16. Пуртова Л.Н. Содержание органического углерода и энергозапасы в почвах природных и агрогенных ландшафтах юга Дальнего Востока России / Л.Н. Пуртова, Н.М. Костенков. - Владивосток: Дальнаука, 2009. - 121 с.

Список литературы на английском языке/ References in English

1. Dadenko Ye.V. Primenenie pokazatelej fermentativnoj aktivnosti pri ocenke sostoyaniya pochv pod sel'skohozyajstvennymi ugod'yami [Application of indicators of enzymatic activity in evaluation of soils of agricultural lands]/ Ye.V. Dadenko, M.A. Prudnikova, K.Sh. Kazev and others //Proceedings of the Samara Scientific Center of the Russian Academy of Sciences. - 2013. - VOL. 15. - №3 (4) . - P. 1274-1277. [in Russian]

2. Purtova L.N. Energeticheskoe sostoyanie pochv Dal'nego Vostoka Rossii [Energy state of soils of the Russian Far East] /L.N.Purtova, N.M.Kostenkov. - Vladivostok: Dal'nauka, 2003. - 136 p. [in Russian]

3. Purtova L.N. Influence of agrotechnical receptions on change of indicators of a humus state and power stocks of agrodark-humic gley soils at growth of a kozlyatnik of east (Galega Orientalis) / L. N. Purtova, Ya.O. Timofeeva, V.M. Bosenko//Agrarian bulletin of the Urals . - 2018. - No. 07 (174) - P.34-42.

4. Haziyev F.H. Fermentativnaya aktivnost' pochv agrocenozov i perspektivy eyo izucheniya [Enzymatic activity of the soil of agrocenoses and prospects for its study]/ F.Kh. Haziyev, A.E. Gulko //Soil science. - 1991. - № 8. - P.88-102. [in Russian]

5. Kazeev K.Sh. Biodiagnostika pochv: metodologiya i metody issledovanij [Soil biodiagnostics: methodology and research methods] / S.I. Kolesnikov. - Rostov n / D: Publishing House of the Southern Federal University, 2012. - 260 p. [in Russian]

6. Stakhurlova L.D. Biologicheskaya aktivnost' kak indikator plodorodiya chernozemov v razlichnyh biocenozah [Biological activity as an indicator of the black soil fertility in various biocenoses] / L.D. Stakhurlova, I.D. Svistova, D.I. Scheglov //Soil science. - 2007. - № 6. - P. 769-774. [in Russian]

7. Mangler J.M. Source and role peroxidase in soil organic matter oxidation in Pahokee Muck / J.M. Mangler, R.L. Tate //Soil Science. -1982. - V. 134. - № 4. - P.226-232

8. Ros M. Soil microbial activity after restoration of a semiarid soil by organic amend-ments/ Margarita Ros, Maria Teresa Hernandez, Carlos Garcia // Soil Biology & Biochemistry - 2003. - № 35. - Issue 3. - P.463-469.

9. Li Xiao. Soil enzyme activities and microbial biomass response to crop types on the terrraces of the Loess Plateau, China / Li Xiao ,Yimei Huard, Quanchao Zend, Junfeng Zhao, Junying Zhou // Journal of soils and sediments. - 2018. -№18 .

- P. 1971-1980.

10. Gulko A.E. Fenoloksidazy pochv: producirovanie, immobilizaciya, aktivnost' [Soil Phenoloxidases: production, immobilization, activity] / A.E. Gulko, F.Kh. Khaziev //Soil science. - 1992. - № 11. - P.55-66. [in Russian]

11. Chunderova A.I. Aktivnost' polifenoloksidazy i peroksidazy v dernovo-podzolistyh pochvah [Activity of polyphenol oxidase and peroxidase in sod-podzolic soils] / A.I. Chunderova //Soil science. - 1970. - № 1. - P.22-28. [in Russian]

12. Klassifikaciya i diagnostika pochv Rossii [Classification and diagnostics of soils in Russia]. M: Oecumene Edition, 2004. - 341 p.

13. Arinushkina E.V. Rukovodstvo po himicheskomu analizu pochv [Guide for the soil chemical analysis]/ E.V. Arinushkina -M: Moscow State University, 1970. - 487 p. [in Russian]

14. Khaziev F.Kh. Metody pochvennoj enzimologii [Methods of soil enzymology Khaziev] / F.Kh. Khaziev -M .: Science 2005. - 252 p. [in Russian]

15. Khasanova R.F. Ocenka ekologicheskogo sostoyaniya pochv stepnyh agroekosistem po pokazatelyam biologicheskoj aktivnosti [Evalution of ecological status of soils in the steppe agro-ecosystems accjrding to the indicators of biological activity] / R.F. Khasanova, Y.T. Suyundukova, I.N. Semenova //Bulletin of NVGU. - 2017. - № 1. - P.103-108. [in Russian]

16. Purtova L.N. Soderzhanie organicheskogo ugleroda i energozapasy v pochvah prirodnyh i agrogennyh landshaftah yuga Dal'nego Vostoka Rossii [The content of organic carbon and energy reserves in the soils of natural and agrogenic landscapes in the South of the Far Eastern Russia] / L.N. Purtova, N.M. Kostenkov. - Vladivostok: Dal'nauka. - 2009. - 121 p. [in Russian]