Микрофлора, ферментативная активность и показатели гумусного состояния агротемногумусовых подбелов в условиях фитомелиоративного опыта

Территория Приморского края относится к зоне рискованного земледелия. Многолетние обильные и длительные осадки с последующими затяжными наводнениями вызывают существенные негативные изменения в состоянии почвенного покрова. Усиливается напряженность разнообразных миграционных процессов (от вымывания гумуса до смыва пахотных горизонтов), что приводит к негативному экологическому прессингу на почвенный покров большинства земледельческих районов Приморского края. К наиболее эффективно используемым почвам в земледелии края относятся агротемногумусовые подбелы, в которых в последнее время отмечена тенденция к снижению содержания гумуса. Возникает необходимость проведения мониторинговых исследований экологического состояния. При этом сохранение гумуса в почве, улучшение его соста- ва и увеличение содержания выступает одной их актуальных задач в земледелии региона наряду с разработкой экологически чистых малозатратных приемов по его восстановлению. К одному из таких комплексных приемов относится фитомелиорация – повышение почвенного плодородия, при котором используется природный потенциал самих растений [14].

Микроорганизмам принадлежит основная роль в разложении растительных остатков и образовании более сложных органических веществ. Поэтому вопросы, связанные с разработкой научных основ повышения плодородия почв, должны решаться с учетом знаний по микробиологической трансформации органического вещества. Пристальное внимание уделяется также изучению-ферментативной активности почв. Многолетними исследованиями ряда авторов показана высокая эффективность диагностики экологического состояния почв с помощью показателей ферментативной активности. Применению ферментативной активности в качестве диагностического показателя способствует низкая ошибка опытов, простота определения и высокая чувствительность к внешним воздействиям [1, 3, 12]. В обмене веществ и энергии в почве важное место принадлежит окислительно-восстановительным ферментам. Активность этих ферментов находится в корреляционной зависимости с основными физико-химическими свойствами и микробиологическими процессами в почве. Активное участие в процессе гумусообразования из окислительно-восстановительных ферментов принимают полифенолокси-даза, пероксидаза и каталаза. Почвенные полифе-нолоксидазы играют важную роль как в процессе гумификации, так и минерализации органического вещества [8].

В.А. Дырин [2] считает, что ферменты, участвующие в процессах гумусообразования, выделяют многие группы микроорганизмов и активность их связана с общей биогенностью. Поэтому ферментативную активность можно рассматривать в качестве одного из показателей активности микрофлоры и, следовательно, интенсивности вызываемых ею процессов трансформации органического вещества. А.И. Чундерова [11], изучая активность пероксидазы и полифенолоксидазы, определила, что накопление гумуса связано с повышением активности полифенолоксидазы и уменьшением активности пероксидазы и по соотношению этих ферментов ею был определен коэффициент накопления гумуса.

Таким образом, исследования по изучению микробиологической активности и процессов гу-мусонакопления в почвах с посевами различных фитомелиорантов весьма актуальны и имеют важное практическое значение.

Цель работы – характеристика микробоце-нозов и ферментативной активности почв в условиях фитомелиоративного опыта и их влияния на процессы гумусонакопления.

В задачи исследований входило:

• 1.    Изучение численности и состава микрофлоры в условиях фитомелиоративного опыта.

• 2.    Исследование оксидоредуктазной активности почв (полифенолоксидаза, пероксидаза, каталаза) и связи её с процессами гумусонакопления.

• 3.    Оценка изменений в содержании и составе гумуса в горизонте PU в условиях однолетнего и трехлетнего опытов с посевами фитомелиорантов.

Объекты и методы исследований

Объектом исследований послужили агро-темногумусовые подбелы, сформированные на полях «ФНЦ агробиотехнологий Дальнего Востока им. А.К. Чайки» (пос. Тимирязевский, Уссурийский р-н, Приморский край). Почвы имели следующий набор генетических горизонтов: PU (0–25 см) – EInng (25–40) – Btg (40–65) – C (65– 100 см). Названия почв приведены согласно классификации 2004 г. [4]. Для горизонта PU исследуемых почв свойственна слабокислая реакция среды (рНН20 5,44), средние показатели гидролитической кислотности (5,08 м-экв/100 г почвы), очень низкая обеспеченность почв подвижным фосфором – 2,0, средняя – калием (12,6 мг/100 г почвы). Использованы оценочные градации, предложенные В.И. Ознобихиным, Э.П. Синельниковым, Н.А. Рыбачук [6, 9]. Исследования проводились в сентябре 2017 г. в горизонте PU в условиях однолетнего микроделяночного опыта (размер делянки 2х2 м) с посевами (монокультур): 1. контроль (без посева трав); 2. гречиха; 3. донник белый; 4. клевер луговой; 5. кострец безостый, а также по схеме: 1. кострец+люцерна; 2. тимофеевка+кле-вер; 3. кострец безостый; 4. люцерна изменчивая; 5. тимофеевка луговая; 6. клевер луговой.

При определении ферментативной активности почв основное внимание уделялось ферментам из класса оксидоредуктаз (пероксидазе, полифенолоксидазе, каталазе). Каталазная активность исследована газометрическим методом по А.Ш. Галстяну, полифенолоксидазная и пероксидазная – методом Л.А. Карягиной и Н.А. Михайловской [10]. Микробиологические показатели почв определены общепринятыми в почвенной микробиологии методами [5]. Содержание гумуса определено по Тюрину, фракционно-групповой состав по Кононовой – Бельчиковой [7]. Оценка некоторых показателей гумусного состояния проведена по Д.С. Орлову с соавторами [13].

Результаты исследования и их обсуждение

Исследования показали, что из всех вариантов в однолетнем фитомелиоративном опыте высокой численностью аммонифицирующих микроорганизмов выделялся вариант с гречихой (табл. 1). Большая численность аммонификаторов способствует разложению свежего органического вещества с образованием большого содержания полифенолоксидазы. Для варианта с гречихой отмечено более интенсивное накопление гумуса и большие показатели его запасов, хотя уровень содержания гумуса согласно оценочным градациям оставался низким, однако превышал таковой в

Численность и групповой состав микроорганизмов в почве в условиях однолетнего опыта с монокультурами (тыс. КОЕ на 1 г почвы)

Quantity and group composition of microorganisms in the soil, in terms of one-year experience with monocultures (thousand CFU per 1 g of soil)

Table 1

№ делянки / Вариант	Аммонификаторы (МПА)	Грибы (Чапека)	Бактерии, использ. минерал. азот (КАА)	Актино-мицеты (КАА)	Олигонитрофилы (Эшби)	КМ*
1. Контроль	14000	78,0	27250	250	28300	1,9
2. Гречиха	17200	47,5	21100	250	19700	1,2
3. Донник белый	12400	71,5	26500	250	20300	2,1
4. Клевер луговой	8550	55,5	21200	300	21500	2,5
5. Кострец безостый	9800	46,0	20200	930,0	15960	2,1

Примечание: * – коэффициент минерализации контрольном варианте (табл. 2). Гумусообразова-ние протекало по фульватно-гуматному типу, среди гуминовых кислот преобладали «свободные» фракции. Содержание гуминовых кислот, связанных с Са2+, резко уменьшилось по сравнению с контролем.

Численность микроорганизмов, утилизирующих минеральные формы азота (среда КАА), на варианте с гречихой незначительно превышает численность аммонификаторов. Процессы минерализации органического вещества выражены слабо (коэффициент минерализации равен 1,2), хотя активность фермента пероксидазы на варианте с гречихой достаточно высокая (табл. 3). Коэф- фициент гумусонакопления также очень высокий.

Минимальная численность аммонификаторов обнаружена в почве под клевером луговым. Содержание микроорганизмов, утилизирующих минеральные формы азота, на этом варианте опыта превышало содержание аммонификаторов более чем в два раза. В результате ярко выражены процессы минерализации органического вещества. Это подтверждают более высокие показатели активности пероксидазы по сравнению с поли-фенолоксидазой. Коэффициент гумусонакопления имел средние значения. Отмечено увеличение запасов гумуса по сравнению с другими вариантами опыта, что во многом обусловлено более высоки-

Таблица 2

Содержание, запасы и состав гумуса в условиях однолетнего фитомелиоративного опыта с монокультурами

Table 2

Content, stocks and soil humus composition in a one-year phytomeliorative experience with monocultures

№ делянки / Вариант	Содержание гумуса, %	Запасы гумуса в слое 0–20 см, т/га	Количество гуминовых кислот, в % от Собщ. почвы		СГК/ С ФК
			1*	2**
1. Контроль	3,28	69,5	11,3	18,9	1,44
2. Гречиха	3,80	92,7	22,4	1,1	1,42
3. Донник белый	3,70	83,6	20,2	6,1	1,13
4. Клевер луговой	3,70	94,0	10,6	18,8	1,37
5. Кострец безостый	3,80	79,0	19,6	0,8	1,02

Примечание: * – доля 1-й фракции гуминовых кислот, «свободных» и связанных с подвижными полуторными окислами;

** – доля 2-й фракции гуминовых кислот, связанных с Са 2+

Ферментативная активность почв в условиях однолетнего фитомелиоративного опыта с монокультурами

Table 3

Enzymatic activity in the upper soil horizon in a one-year phytomeliorative experience with monocultures

№ делянки / Вариант Пероксидаза Полифенол-оксидаза Каталаза, О2 см3 / 1 г почвы за 1 мин. Кг* мг 1,4-бензохинона/ 1 г почвы за 30 мин. 1. Контроль 2,20 0,507 3,9 23,05 2. Гречиха 3,92 1,600 3,9 40,08 3. Донник белый 2,30 0,558 4,1 24,26 4. Клевер луговой 1,90 0,600 4,2 31,58 5. Кострец безостый 3,05 0,800 4,0 26,23 Примечание: * – коэффициент гумусонакопления ми показателями плотности сложения почв (1,27 вы). г/см3), в то время как на контроле – 1,06 г/см3. При       Микробоценоз почвы под донником белым этом количество и запасы гумуса оставались на уровне низких значений. Гумусообразование протекало по фульватно-гуматному типу, а состав гумуса оставался практически неизменным по сравнению с контрольным вариантом: преобладали гуминовые кислоты, связанные с Са2+.

На варианте с кострецом отмечено снижение всех групп микроорганизмов по сравнению с контролем и резкое увеличение актиномицетов, разлагающих труднодоступное органическое вещество (гумус). Это, вероятно, способствовало сокращению доли гуминовых кислот в составе гумуса, показатель Сгк/Сфк снизился до 1,02. Существенно повысилась подвижность гуминовых кислот, на долю 2-й фракции, связанной с Са2+, приходилось менее 1% от общего содержания органического углерода в почве (Собщ. поч- занимал промежуточное положение по численности и активности микрофлоры. Интенсивность минерализационных процессов высокая благодаря большей численности микроорганизмов, использующих минеральный азот. Вследствие усиления минерализационных процессов существенно повысилась подвижность гуминовых кислот по сравнению с контрольным вариантом, при этом количество гуминовых кислот, связанных с Са2+, было низким. Гумусообразование протекало по фульватно-гуматному типу. Каталазная активность во всех рассмотренных вариантах была практически одинаковой (табл. 3).

Биогенность почв в трехлетнем фитоме-лиоративном опыте была несколько выше, чем в однолетнем (клевер, кострец). Численность микроорганизмов на различных вариантах опыта в

Таблица 4

Численность и групповой состав микроорганизмов в почве в условиях трехлетнего фитомелиоративного опыта (тыс. КОЕ на 1 г почвы)

Table 4

Quantity and group composition of microorganisms in the soil under conditions of three year phytomeliorative experience (thousand CFU per 1 g of soil)

№ делянки / Вариант	Аммонификаторы (МПА)	Грибы (Чапека)	Бактерии, использующие минерал. азот (КАА)	Актино-мицеты (КАА)	Олигонитрофиллы (Эшби)	КМ*
1. Кострец+люцерна	11 200	40,5	21 100	350	13 700	1,9
2. Тимофеевка+клевер	10 250	37,0	20 500	450	19 500	2,0
3. Кострец безостый	12 350	45,5	19 700	400	15 850	1,6
4. Люцерна изменчивая	11 300	39,0	15 300	400	11 950	1,3
5. Тимофеевка луговая	13 450	38,5	23 100	600	15 000	1,7
6. Клевер луговой	10 500	98,5	16 600	130	24 890	1,6

Примечание: * – коэффициент минерализации

Таблица 5

Содержание, запасы и состав гумуса почв в условиях трехлетнего фитомелиоративного опыта Table 5

Content, stocks and soil humus composition in three year phytomeliorative experience

№ делянки / Вариант	Содержание гумуса, %	Запасы гумуса в слое 0–20 см, т/га	Количество гуминовых кислот, в % от собщ. почвы		С ГК /С ФК
			1*	2**
1. Кострец +люцерна	3,70	84,4	21,5	2,3	1,46
2. Тимофеевка+клевер	3,49	81,7	14,3	5,0	0,99
3. Кострец безостый	3,60	77,0	23,5	6,8	1,97
4. Люцерна изменчивая	3,54	89,9	9,7	21,1	1,58
5. Тимофеевка луговая	3,33	75,7	11,1	15,5	1,32
6. Клевер луговой	3,28	74,1	10,5	13,3	1,24

Примечание: * – доля 1-й фракции гуминовых кислот, «свободных» и связанных с подвижными полуторными окислами;

** – доля 2-й фракции гуминовых кислот, связанных с Са 2+ целом характеризовалась близкими значениями (табл. 4). Наибольшее количество аммонификаторов отмечено под тимофеевкой луговой, наименьшее – на варианте тимофеевка+клевер.

Очень низкая численность актиномицетов в посевах клевера является, скорее всего, следствием отсутствия свежего органического вещества. Присутствие большой численности олигонитрофилов компенсирует слабое развитие аммонификаторов и микроорганизмов, утилизирующих минеральные источники азота (среда КАА).

Очень высокая численность микроскопических грибов на этом же варианте может свидетельствовать о неблагополучной экологической обстановке в почве. При этом на варианте с посевами клевера зафиксированы более низкие показатели содержания и запасов гумуса (табл. 5). Такими же показателями характеризуется и вариант с посевом тимофеевки луговой. Гумусообразование на этих вариантах протекало по фульватно-гумат-ному типу. Доля гуминовых кислот, связанных с кальцием, в % от Собщ. возрастала по сравнению с вариантами со смесью трав.

В горизонте PU агротемногумусового подбела в условиях трехлетнего фитомелиоративного опыта преобладают микробиологические процессы минерализации органического вещества.

Высокая интенсивность минерализацион-ных процессов выражена в почве под посевами смеси трав тимофеевка+клевер. Тип гумусообра-зования в горизонте PU изменяется на гумат-но-фульватный. Усиливается подвижность гуми- новых кислот, снижается доля гуминовых кислот, связанных с Са2+. Активность ферментов в этом варианте низкая и низкий коэффициент гумусона-копления.

Такая же интенсивность минерализаци-онных процессов наблюдается на варианте ко-стрец+люцерна. Однако содержание гумуса под кострецом с люцерной сравнительно высокое. Этому способствует повышение активности по-лифенолоксидазы (табл. 6). Тип гумуса фульват-но-гуматный. Из-за явно выраженных минерали-зационных процессов подвижность гуминовых кислот усилилась, в их составе преобладают фракции «свободных» и связанных с подвижными полуторными окислами. Это указывает на неустойчивое состояние гумусовой системы почв.

Наиболее благоприятное соотношение процессов минерализации и накопления гумуса наблюдается в варианте под люцерной изменчивой. Для данного варианта свойственны более высокие запасы гумуса и гуматный тип гумусообразова-ния. При этом доля 2-й фракции гуминовых кислот в 2 раза превышает количество «свободных» фракций, что свидетельствует о более устойчивом состоянии гумусовой системы почв. Здесь же отмечена высокая полифенолоксидазная активность, принимающая участие в синтезе гумусоподобных структур. Коэффициент гумусонакопления на варианте с люцерной, рассчитанный по соотношению активности пероксидазы и полифенолоксида-зы, имеет наиболее высокий показатель.

Ферментативная активность почв в условиях трехлетнего фитомелиоративного опыта

Table 6

Enzymatic activity of soils in three year phytomeliorative experience

№ делянки / Вариант	Пероксидаза	Полифенол-оксидаза	Каталаза О2 см3 / 1 г почвы за 1 мин.	Кг*
	мг 1,4-бензохинона/ 1 г почвы за 30 мин.
Кострец+люцерна	2,74	0,853	4,0	24,26
Тимофеевка+клевер	2,30	0,533	4,0	23,17
Кострец безостый	3,47	0,907	4,0	26,16
Люцерна изменчивая	3,47	1,466	4,2	42,25
Тимофеевка луговая	1,90	0,467	4,3	24,69
Клевер луговой	1,90	0,600	3,6	31,58

Примечание: * – коэффициент гумусонакопления

Заключение

На вариантах с посевами фитомелиорантов явно выражена тенденция увеличения содержания и запасов гумуса по сравнению с контролем без посева трав. При этом прослеживались изменения в составе гумуса.

В условиях однолетнего фитомелиоратив-ного опыта более интенсивное накопление гумуса и большие показатели его запасов отмечены для варианта с посевом гречихи. Большая численность аммонификаторов способствовала разложению свежего органического вещества и усилению активности полифенолоксидаз. Подвижность гуминовых кислот усиливалась, а гумусобразова-ние протекало по фульватно-гуматному типу. На варианте с посевом клевера выражены процессы минерализации органического вещества почвы. Коэффициент гумусонакопления имел средние значения. В составе гумуса преобладали гуминовые кислоты, связанные с Са2. Микробоценоз почвы под донником белым занимал промежуточное положение по численности и активности микрофлоры. Интенсивность минерализационных процессов высокая, что привело к повышению подвижности гуминовых кислот. Подобная тенденция отмечена на варианте с посевом костреца.

Биогенность почв на вариантах с клевером и кострецом в трехлетнем фитомелиоративном опыте была выше, чем в однолетнем. Преобладали микробиологические процессы минерализации органического вещества. Высокая интенсивность минерализационных процессов отмечена в почве под посевами смеси трав тимофеевка+клевер. Тип гумусообразования изменялся на гумат- но-фульватный. Активность ферментов в этом варианте низкая и низкий коэффициент гумусонако-пления. В почве под клевером луговым выявлена высокая численность микроскопических грибов, что свидетельствовало о неблагополучной экологической обстановке.

Наиболее благоприятное соотношение процессов минерализации и накопления гумуса установлено на варианте под люцерной изменчивой, для которого свойственны более высокие запасы гумуса и гуматный тип гумусообразования. Для этого варианта характерна высокая полифенолоксидазная активность и коэффициент гумусона-копления. Доля 2-й фракции гуминовых кислот возрастала до высоких значений, что свидетельствовало о переходе системы гумусовых веществ в более устойчивое состояние.