Ферментативная активность черноземов эльбрусского варианта поясности Кабардино-Балкарии

территорий терского варианта поясности Кабардино-Балкарии авторами данной работы изучены ранее [5, 6].

Цель исследования: определение каталазной, инвертазной и фосфатазной активностей черноземов эльбрусского варианта поясности республики (по типизации Соколова, Темботова, 1989 [7]) в комплексе с содержанием гумуса, гигроскопической влажностью и реакцией почвенной среды.

Краткая характеристика района исследования. Исследуемые черноземы, относящиеся к черноземам южно-европейской фации, распространены в степной зоне и поясе луговых степей (лесостепья) эльбрусского варианта поясности Кабардино-Балкарии. Степные ландшафты занимают северо-восточную часть республики в пределах от 170 до 400 м над ур. м на равнинной территории Чегемского, Прохладненского и Баксанского районов. Лесостепья расположены в предгорной полосе Зольского района республики в пределах от 400-500 до 700-800 м над ур. м. и характеризуются слабовсхолмленной поверхностью с наклоном к северо-востоку, расчлененную глубокими балками [8]. Почвообразующие породы – карбонатные глины, лессовидные суглинки и древние аллювиальные отложения [9, 10]. Все подтипы черноземов обладают зернистой структурой. Мощность почвенного горизонта достигает 120-150 см.

Черноземы получили развитие под степной и лугово-степной многолетней травянистой растительностью в условиях мягкого, несколько засушливого климата со слабым зимним промерзанием и летним высыханием почв. Они представлены рядом подтипов, родов, видов и разновидностей, распространенных в степной зоне и поясе луговых степей [11]. Соответствующие фитоценозы (разнотравно-злаковые, злаково-разнотравные, злаковые и разнотравные) несколько варьируют по видовому составу. Из разнотравья преобладают полынь обыкновенная, зверобой пронзенный, тысячелистник обыкновенный, бодяк полевой, подорожник и др. Из злаков многочисленны мятлик луговой, пырей ползучий, овсяница луговая, тимофеевка луговая, костер полевой и др.

Материал и методы исследования. При выполнении работы сбор и анализ почвенных образцов на ферментативную активность осуществляли по общепринятым в экологии и почвоведении методам [2, 3, 12, 13]. Пробы почв отбирались с поверхностного слоя (0-10 см) методом конверта в естественных биоценозах в летний период 2010 г. (высотные пределы точек отбора проб 181-762 м над ур. м., координаты N 43º35'720'' - 43º93'810'', E 43º08'741'' - 44º10'612'', рис. 1). Подтипы почв определялись по почвенной карте [14]. В лабораторных условиях почвы подвергались тщательной очистке, сушке до воздушно-сухого состояния, измельчению. Контролем служили стерилизованные почвы (180°, 3 час). Всего проанализировано 33 почвенных образца, относящиеся к 4 подтипам (обыкновенный, типичный, южный и выщелоченный). Повторность в опыте трехкратная.

О ферментативной активности почв судили по активности ферментов разных классов: окис-лительно-востановительных – каталаза и гидролитических – инвертаза и фосфатаза, которые оценивались по шкале Э.И. Гапонюк, С.В. Малахова [15]. Исследуемые ферменты представляют особый интерес при изучении процессов первичного почвообразования. Каталаза разрушает ядовитую для растений перекись водорода, образующуюся в процессе их дыхания и в результате биохимических реакций окисления органических веществ. Инвертаза осуществляет гидролитическое и трансферазное расщепление сахарозы и ее производных. Фосфатаза катализирует гидролиз фосфорорганических соединений по фосфорно-эфирным связям [4]. В комплексе с активностью ферментов определялись pH [16], гигроскопическая влажность [17] и процентное содержание гумуса по методу Тюрина в модификации Никитина [2], а также корреляционные связи (по Пирсону) между ними. Статистическая обработка полученных данных осуществлена с помощью программ «Excel» и «Statistica-6».

Рис. 1. Места отбора почвенных образцов

Результаты и их обсуждение. Поскольку уровень активности ферментов в почве определяется ее химическими и физико-механическими свойствами, содержанием органического вещества, механическим составом, реакцией среды и т.д. [12], представлялось важным определение, наряду с активностью ферментов, содержания гумуса, гигроскопической влажности и рН среды. Результаты проведенных исследований поверхностного слоя черноземов эльбрусского варианта поясности Кабардино-Балкарии представлены в таблице.

Таблица. Средние значения некоторых характеристик различных подтипов черноземов степной зоны и пояса луговых степей эльбрусского варианта поясности

Подтипы почвы	pH	Влажность, %	Гумус, %	Инвертаза, мг глюкозы /1г/24часа	Фосфатаза, мг Р 2 О 5 /100г/1час	Каталаза, мл О 2 /1г /1мин
чернозем обыкновенный	7,9	4,64±0,35	6,16±0,42	22,86±2,53	31,65±3,92	6,40±0,40
чернозем типичный	7,6	4,60±0,25	6,85±0,49	23,50±2,61	29,89±2,43	7,58±0,58
чернозем выщелоченный остаточно- луговатый	7,4	3,09±0,30	4,17±0,51	13,09±3,16	16,99±2,71	4,85±0,42
чернозем типичный остаточно- луговатый	7,9	2,90±0,33	4,41±0,69	5,92±2,83	16,17±3,55	4,11±0,66
чернозем обыкновенный остаточно- луговатый	8,1	3,84±0,34	4,33±0,38	12,14±1,32	16,78±2,39	7,48±0,58
чернозем южный карбонатный	8,1	3,08±0,17	4,00±0,38	15,37±2,32	18,02±1,90	ч,62±0,51

Изученные почвы характеризуются слабощелочными условиями, обеспечивающими оптимальный уровень ферментативной активности почв. Ферментативные реакции всегда протекают в водной среде, а в реакциях с участием гидролитических ферментов вода принимает непосредственное участие и в самой реакции [12]. Отмечено, что при высоком уровне гигроскопической влажности проявляется наибольшая активность гидролитических ферментов - инвертазы и фосфатазы почвы (см. табл.), что характеризует почвенную влагу как один из важнейших экологических параметров, формирующих ферментный пул почвы. Гигроскопическая влажность в изученных черноземах находится в средних пределах. При максимальном уровне влажности в почве отмечается наиболее высокий уровень активности гидролитических ферментов у черноземов обыкновенного и типичного. Минимальной влажностью из изученного ряда черноземов характеризуется чернозем типичный оста-точно-луговатый, имеющий самый низкий уровень активности всех трех ферментов.

Основу формирования почвы и ее плодородия составляет сложный процесс гумусообра-зования с участием разнообразных ферментов [3]. Черноземы эльбрусского варианта поясности относятся к среднегумусным и высокогумусным почвам (см. табл.). Поверхностный слой гумусирован в большей степени у черноземов обыкновенного и типичного, характеризующихся и максимальным уровнем активности гидролитических ферментов. Содержание органического вещества минимально у чернозема южного карбонатного, для которого проявляется максимальная активность почвенной оксидоредуктазы - каталазы. Уровень активности (относительный) исследуемых ферментов в черноземах обыкновенном, типичном, выщелоченном остаточно-луговатом, обыкновенном остаточно-луговатом находится в тесной зависимости от содержания органического вещества. Однако не во всех исследованных черноземах (типичных остаточно-луговатых и южных карбонатных) наблюдается четкая зависимость ферментативной активности от содержания гумуса в почве, что согласуется с исследованиями ряда авторов [2-4].

Корреляционный анализ показал сильную положительную сопряженную связь активности гидролитических ферментов с содержанием гумуса (r=0,89-0,96) и влажностью (r=0,86-0,91). Каталаза как представитель оксидоредуктаз проявляет среднюю сопряженную связь с содержанием гумуса (r=0,41) и влажностью (r=0,54). Для инвертазы и фосфатазы с реакцией почвенной среды отмечена отрицательная слабая связь (r=-0,2), тогда как для каталазы - средняя положительная (r=0,4). Пределы колебания активности инвертазы находятся в интервале от 3,1 до 38 мг глюкозы. Показатели фосфатазной активности варьируют от 8,8 до 49 мг Р2О5. Активность каталазы в черноземах колеблется в пределах 3,19,4 мл О2. В целом, согласно шкале Э.И. Гапо-нюк, С.В. Малахова [13] черноземы эльбрусского варианта поясности Кабардино-Балкарии характеризуются средней ферментативной активностью поверхностных горизонтов.

По показателям суммарной относительной ферментативной активности, полученным в результате суммирования данных, пересчитанных в относительных величинах (процентах), черноземы располагаются в следующий ряд в порядке убывания: типичный > обыкновенный > южный карбонатный > обыкновенный остаточно-лугова-тый > выщелоченный остаточно-луговатый > типичный остаточно-луговатый. Проведенный корреляционный анализ ферментативной активности почв показал, что черноземы - типичный (r=0,80-0,85), типичный остаточно-луговатый (r=0,77-0,95), обыкновенный остаточно-луговатый (r=0,77-0,95) и южный карбонатный (r=0,23-0,76) характеризуются положительной коррели-рованностью активности изученных ферментов. В черноземе выщелоченном остаточно-лугова-том выявлены минимальные коэффициенты корреляции между активностью каталазы с инвертазой (r=-0,28) и фосфатазой (r=-0,45). Сильная положительная сопряженная связь отмечена между активностью гидролитических ферментов в остальных подтипах черноземов (0,73-0,99). Максимальная положительная корреляционная связь между всеми изученными ферментами проявляется в черноземе типичном и типичном остаточ-но-луговатом (0,77-0,95).

Наибольшая взаимозависимость из изученных показателей, также по данным кластерного анализа (рис. 2), наблюдается между активностью гидролитических ферментов (инвертаза и фосфатаза). Активность данных ферментов тесно связана с содержанием гумуса и гигроскопической влажностью. Активность каталазы в большей степени зависит от реакции почвенной среды и в меньшей – от содержания гумуса и влажности.

фосфатаза             влажность                 PH

Рис. 2. Кластерный анализ (Ward' s method, 1-Pearson – r) по 6 разновидностям почв. Достоверность P≤0,6

По совокупности изученных признаков отмечено сходство между черноземами типичным и обыкновенным, характеризующиеся, как указано выше, наиболее высокими показателями ферментативной активности, гумуса и гигроскопической влажности (рис. 3). Несколько уступают предыдущей группе черноземы южный карбонатный, обыкновенный остаточно-луговатый и выщелоченный остаточно-луговатый. К почве с наиболее низкими показателями относится чернозем типичный остаточно-луговатый.

Рис. 3. Кластерный анализ (Ward' s method, 1-Pearson – r) по шести показателям. Достоверность

P≤0,06:

1 – чернозем обыкновенный; 2 – чернозем типичный; 3 – чернозем выщелоченный остаточно-луговатый; 4 – чернозем типичный остаточно-луговатый; 5 – чернозем обыкновенный остаточно-луговатый; 6 – чернозем южный карбонатный

Выводы: в результате проведенных исследований впервые определена активность таких важнейших почвенных ферментов как инвертаза, фосфатаза, каталаза в черноземах Центрального Кавказа (в пределах степной зоны и пояса луговых степей эльбрусского варианта поясности Кабардино-Балкарии). Изученные черноземы проявляют среднюю ферментативную активность. Максимальная активность ферментов, содержание гумуса гигроскопическая влажность отмечена в черноземах обыкновенном и типичном. Минимальная активность ферментов – в черноземе типичном остаточно-луговатом при самой низкой гигроскопической влажности и средним содержанием гумуса. Выявлены сопряженные изменения активности ферментов между собой, с содержанием гумуса и гигроскопической влажностью. Полученные данные по ферментативной активности могут служить одним из показателей биологической активности изученных черноземов и быть использованы при биодиагностике и биомониторинге состояния почв.

Авторы признательны сотруднику ИЭГТ КБНЦ РАН к.б.н. Цепковой Н.Л. за помощь в определении видовой принадлежности растений.