Оценка активности каталазы чернозема выщелоченного при разных способах основной обработки

Автор: Белоусов А.А.

Журнал: Вестник Красноярского государственного аграрного университета @vestnik-kgau

Статья в выпуске: 11, 2015 года.

Бесплатный доступ

Цель работы заключалась в исследовании влияния различных способов основной обработки на каталазную активность чернозема выщелоченного Красноярской лесостепи. Каталазную активность почвы определяли газометрически по Галстяну. Показана динамика активности каталазы в условиях минимизации обработки. Получены данные о ее пространственном варьировании. Способы обработки по-разному и разнонаправленно влияли на каталазную активность. Выводы: 1. Активность каталазы в исследуемой почве характеризовалась как средняя (2,0-5,7 О2, см 3/г/мин). В среднем за два года минимальный уровень обнаруживался в почве, не подвергающейся механической обработке. 2. Пространственное варьирование каталазной активности характеризовалось средним уровнем, а ее внутрисезонная динамика была наиболее существенной при минимизации обработок. 3. Из числа изученных факторов на уровень каталазной активности оказали влияние внутрисезонные колебания и характер их взаимодействия с условиями, формирующимися при обработке почвы.

Еще

Ферменты, активность каталазы, нулевая и минимальная обработка

Короткий адрес: https://sciup.org/14084028

IDR: 14084028

Текст научной статьи Оценка активности каталазы чернозема выщелоченного при разных способах основной обработки

Введение. В настоящее время в целях энерго- и ресурсосбережения достаточно актуально развитие так называемого сберегающего (консервирующего) сельского хозяйства. Приоритетным направлением является замена традиционных интенсивных технологий возделывания зерновых и других видов культур на сберегающие почвозащитные. Изучение параметров биологической активности почвы является одной из основных задач, направленных на поиск оптимальных параметров плодородия почвы. Каталаза, разлагая пероксид водорода, способствует деятельности микрофлоры и протеканию процессов разложения органических остатков, а также переводу их в гумус почвы. Таким образом, этот показатель плодородия почвы и активность каталазы находятся в прямой зависимости друг от друга: чем больше активность каталазы, тем более благоприятные условия для образования гумуса, и наоборот, чем больше содержание гумуса, тем большее количество молекул фермента способно сорбироваться на поверхности [4].

Для условий Красноярского региона имеется недостаток информации о том, как изменяется ферментативный пул почвы при смене и долгосрочном использовании минимальных обработок почвы. Эти сведения могут быть востребованы в связи с каталитическим влиянием ферментов на циклы превращения элементов минерального питания, в том числе углерода и азота.

Цель исследований : изучение влияния различных способов основной обработки на каталазную активность чернозема выщелоченного Красноярской лесостепи.

Объекты и методы исследований. Наблюдения проводились в Красноярском природном округе на земельных площадях СПК «Шилинское» Сухобузимского района. Влияние ресурсосберегающих способов обработки почвы на ферментативную активность изучали в 2013–2014 гг. на базе опыта, заложенного в 2005 г., под руководством генерального директора ОАО «Коркино Агропром-химия» И.А. Куприна и доктора сельскохозяйственных наук Л.Р. Мукиной. В пределах производственных посевов были выделены реперные участки площадью 500 м². С каждого отбирались образцы из слоев 0–5 и 5–20 см методом змейки в 15-кратной повторности. Схема опыта включала (способы обработки): 1) отвальная (st); 2) минимальная; 3) нулевая.

Почвенный покров представлен черноземом выщелоченным среднегумусным среднемощным глинистым пылевато-иловатым. В вегетационный сезон 2013 г. участок, где применялась технология нулевой обработки, находился в условиях химического пара. Здесь проводили трехкратную обработку баковой смесью из гербицидов «Топик» и «Ковбой», фунгицида «Альто Супер» и инсектицида «Карате». В третьей декаде августа высевалась озимая пшеница комбинированным агрегатом СС-6 без предварительной подготовки почвы с механическим высевом семян. Ее вегетационный период пришелся на 2014 г.

Минимальная обработка почвы осуществлялась СКС-3,2. С помощью дисковых горизонтальных сошников посевного комплекса проводилась обработка почвы на глубину 4–5 см, посев семян ярового рапса (2013 г.) и яровой пшеницы (2014 г.) с одновременным внесением нитроаммофоски.

Отвальная основная обработка состояла из зяблевой вспашки на глубину 20–22 см и весенней культивации. Посев яровой пшеницы в 2013–2014 гг. проводился комбинированным агрегатом – стерневой сеялкой СС-6 с одновременным припосевным внесением нитроаммофоски.

Химические и физико-химические показатели получены по общепринятым прописям современных методов [2]. Каталазную активность почвы определяли газометрически по Галстяну [3]. Статистический анализ данных проводился с использованием пакета программ MS Excel.

Результаты исследований и их обсуждение. Хорошо известно, что эффективное плодородие почвы в значительной степени реализуется через деятельность микроорганизмов и ферментов. Причем многочисленные исследования свидетельствуют о различной биологической активности и, следовательно, разнокачественности частей «пахотного слоя». Рассмотрим изменение статистических параметров каталазной активности в анализируемых слоях исследуемой почвы при различных технологиях обработки. В условиях отвальной вспашки она соответствовала среднему уровню (табл. 1, 2).

Таблица 1

Статистические параметры активности и динамики каталазы, t 05 = 2,0 (2013 г.)

Вариант	Слой, см	Срок	x ± ts x	s	V, %	t ф
1	2	3	4	5	6	7
Отвальная вспашка	0–5	Май (1)	3,9 ± 0,3	0,5	12,8	t 1 t 2 (0,83)
		Июнь (2)	3,7 ± 0,3	0,6	16,2	t 1 t 3 (0,6)
		Октябрь (3)	4,0 ± 0,1	0,2	5,0	t 2 t 3 (1,59)
	5–20	Май (1)	4,1 ± 0,5	0,9	21,9	t 1 t 2 (1,14)
		Июнь (2)	3,8 ± 0,3	0,5	13,1	t 1 t 3 (1,77) t 2 t 3 (0,92)
		Октябрь (3)	3,6 ± 0,3	0,5	13,8	t 1 t 3 (1,77) t 2 t 3 (0,92)
Минимальная обработка	0–5	Май (1)	4,1 ± 0,4	0,7	17,0	t 1 t 2 ( 2,18 )
		Июнь (2)	4,6 ± 0,3	0,5	10,8	t 1 t 3 (0,67)
		Октябрь (3)	4,3 ± 0,4	0,7	16,2	t 2 t 3 (1,37)
	5–20	Май (1)	3,2 ± 0,2	0,4	12,5	t 1 t 2 ( 5,87 )
		Июнь (2)	4,1 ± 0,3	0,5	12,2	t 1 t 3 (1,53)
		Октябрь (3)	3,4 ± 0,3	0,5	14,7	t 2 t 3 ( 3,63 )

Окончание табл. 1

1	2	3	4	5	6	7
Нулевая обработка	0–5	Май (1)	2,2 ± 0,1	0,2	9,0	t 1 t 2 ( 17,9 )
		Июнь (2)	4,0 ± 0,2	0,3	7,5	t 1 t 3 ( 18,0 )
		Октябрь (3)	3,7 ± 0,1	0,2	5,4	t 2 t 3 ( 3,0 )
	5–20	Май (1)	2,0 ± 0,1	0,2	10,0	t 1 t 2 ( 18,7 )
		Июнь (2)	3,8 ± 0,2	0,3	7,9	t 1 t 3 ( 18,9 )
		Октябрь	3,5 ± 0,1	0,2	5,7	t 2 t 3 ( 2,98 )

Здесь и далее: жирным шрифтом выделены достоверные различия; t 1 t 2 – сравнение сроков наблюдения.

Величина пространственного варьирования была умеренной и, вероятно, определялась ходом динамики развития корневых систем растений, использованием гербицидов и сменой условий увлажнения. Динамика активности каталазы характеризовалась несущественными колебаниями в обоих исследуемых слоях относительно вариантов с минимальным механическим воздействием.

При использовании минимальной обработки уровень каталазной активности также оценивался как средний. Величина пространственного варьирования была на более высоком уровне, чем при традиционном способе обработки.

Шкала для сравнительной оценки биологической активности почвы

Таблица 2

Показатель	Активность
Показатель	Очень слабая	Слабая	Средняя	Высокая	Очень высокая
Каталаза, О 2 , см³/г/мин	До 1	1–3	3–10	10–30	> 30

Динамика активности каталазы характеризовалась достоверными спадами и подъемами по срокам наблюдений. На наш взгляд, существенную роль на эти изменения оказала культура ярового рапса. Однако наиболее существенные динамические изменения были выявлены в почве, не подвергающейся механической обработке. Здесь проявилась существенная трансформация рядов динамики. По уровню активности почва характеризовалась как слабая в мае и средняя – в последующие периоды.

В течение вегетационного сезона 2014 г. динамика окислительного фермента проявила более высокую активность в сравнении с предыдущим сезоном (табл. 3). Тем не менее, потенциал активности оставался в пределах «среднего» по шкале Д.Г. Звягинцева. Пространственное варьирование сохранялось на аналогичном уровне, как и годом ранее. По характеру динамики вариант с оборотом пласта оценивался как самый стабильный. При использовании минимальной обработки колеблемость была выражена сильнее в слое 0–5 см, а при полном отказе от механического воздействия, также как и в вегетационном сезоне 2013 г., динамические изменения носили самый существенный характер. По-видимому, сохранение разнокачественного органического материала на поверхности почвы, содержание растворимых фракций, лигнина, целлюлозы и полифенолов определяли различную скорость разложения и обусловливали создание микрозон, благоприятных (или нет) для деятельности микроорганизмов. Растительные остатки также могли препятствовать равномерному прогреванию почвы по периодам наблюдений, что обусловливало вариабельность значений.

Таблица 3

Статистические параметры активности и динамики каталазы, t 05 = 2,0 (2014 г.)

Вариант	Слой, см	Срок	x ± ts x	s	V, %	t ф
Отвальная вспашка	0–5	Июнь (1)	4,3 ± 0,4	0,6	13,9	t 1 t 2 (1,39)
		Июль (2)	4,7 ± 0,3	0,6	12,7	t 1 t 3 ( 3,22 )
		Сентябрь (3)	5,0 ± 0,3	0,5	10,0	t 2 t 3 (1,75)
	5–20	Июнь (1)	4,5 ± 0,6	1,0	22,2	t 1 t 2 (0,43)
		Июль (2)	4,4 ± 0,6	1,1	25,0	t 1 t 3 (0,9)
		Сентябрь (3)	4,8 ± 0,3	0,5	10,4	t 2 t 3 (1,2)
Минимальная обработка	0–5	Июнь (1)	5,3 ± 0,3	0,6	11,3	t 1 t 2 ( 2,3 )
		Июль (2)	4,8 ± 0,3	0,6	12,5	t 1 t 3 ( 2,35 )
		Сентябрь (3)	4,7 ± 0,4	0,6	12,7	t 2 t 3 (0,14)
	5–20	Июнь (1)	5,6 ± 0,4	0,7	12,5	t 1 t 2 (1,63)
		Июль (2)	5,0 ± 0,7	1,2	24,0	t 1 t 3 (1,99)
		Сентябрь (3)	5,2 ± 0,2	0,3	5,7	t 2 t 3 (0,59)
Нулевая обработка	0–5	Июнь (1)	4,7 ± 0,4	0,7	14,9	t 1 t 2 ( 2,63 )
		Июль (2)	4,1 ± 0,1	0,3	7,3	t 1 t 3 ( 2,25 )
		Сентябрь (3)	5,4 ± 0,6	1,0	18,5	t 2 t 3 ( 4,42 )
	5–20	Июнь (1)	5,7 ± 0,5	0,9	15,8	t 1 t 2 ( 6,36 )
		Июль (2)	3,8 ± 0,4	0,7	18,4	t 1 t 3 (0,73)
		Сентябрь (3)	5,5 ± 0,3	0,5	9,0	t 2 t 3 ( 7,55 )

Таким образом, показатели каталитической активности имеют ярко выраженную сезонную динамику. При этом она может быть различной как по направлению, так и по амплитуде колебаний во времени.

Не менее важными, чем оценка каталазной активности, будут сведения об интенсивности биохимических процессов, формирующихся при различных технологиях обработки. В вегетационный сезон 2013 г. активность каталазы в мае была максимальна в 0–5 см слое почвы, обрабатываемой отвально и с поверхностным механическим рыхлением (табл. 4). Существенно уступала им в активности почва, находящаяся в условиях химического пара.

Таблица 4

Активность каталазы в вариантах опыта, О 2 , см³/г/мин (2013 г.)

Вариант	0–5 см			5–20 см
Вариант	Май	Июнь	Октябрь	Май	Июнь	Октябрь
Отвальная	3,9	3,7	4,0	4,1	3,8	3,6
Минимальная	4,1	4,6	4,3	3,2	4,1	3,4
Нулевая	2,2	4,0	3,7	2,0	3,8	3,5
НСР 05	0,9	0,4	0,3	0,4	F ф < F т	F ф < F т

В июне, когда велика сила воздействия корневых систем растений, уровень активности повышался в вариантах минимальной и нулевой обработок. Причем, достоверно высоким он оказался в варианте, где возделывался рапс. По-видимому, эта же тенденция прослеживалась и в конце сезона.

В слое 5–20 см значимых различий в степени каталазной активности между вариантами не обнаружено. Лишь в начале вегетационного сезона энергия разложения перекиси оказалась существенно ниже в почве, обрабатываемой по нулевому способу что, возможно, обусловлено многократным использованием комплекса пестицидов. Подобное в своих исследованиях отмечали

Ф.Х. Хазиев, А.Е. Гулько [6]. Достоверный максимум зафиксирован в условиях отвальной вспашки. Вегетационный сезон 2014 г. показал, что это предположение правильное. Однако следует указать, что гербициды применялись и в других вариантах, но, вероятно, отсутствие механического воздействия в химическом пару усиливало токсический эффект химикатов на образование и активность фермента.

Во второй год исследований в слое почвы 0–5 см максимальный и достоверно высокий уровень активности каталазы был обнаружен в условиях минимальной обработки (табл. 5). Вероятно, здесь продолжалось влияние растительного материала рапса прошлого года. Накопленный на поверхности почвы растительный опад предшествующих культур и рапса в период посева яровой пшеницы был вовлечен поверхностной обработкой в процессы окисления, что, по-видимому, повысило и каталитическую активность. Аналогичные данные были получены В.Н. Слесаревым с соавторами [5], где, по их мнению, корневые остатки рапса служили дополнительным энергетическим материалом для микроорганизмов и являлись причиной усиления активности изучаемого ими окислительно-восстановительного фермента.

Активность каталазы в вариантах опыта, О 2 , см³/г/мин (2014 г.)

Таблица 5

Вариант	0–5 см			5–20 см
Вариант	Июнь	Июль	Сентябрь	Июнь	Июль	Сентябрь
Отвальная	4,3	4,7	5,0	4,5	4,4	4,8
Минимальная	5,3	4,8	4,7	5,6	5,0	5,2
Нулевая	4,7	4,1	5,4	5,7	3,8	5,5
НСР 05	0,5	0,4	0,4	0,6	0,8	0,3

В июле на данном варианте наблюдался спад активности от 5,3 до 4,8 см3/г/мин. Аналогичный ферментный потенциал обнаружил верхний слой почвы при отвальной вспашке. Существенно уступал им в активности 0–5 см слой почвы при использовании прямого посева – 4,1 см3/г/мин. К концу сезона 2014 г., в сентябре, напротив, наибольший уровень активности был характерен для почвы, где вегетировала озимая пшеница. А далее в убывающем порядке: на отвальной и минимальной обработках. Все отличия оказались статистически достоверны.

Интересные данные получены для слоя 5–20 см. Максимум каталазной активности почвы был выявлен при нулевой обработке, а наименьшие ее значения – при отвальной вспашке. К июлю в варианте с нулевой обработкой ферментный потенциал каталазы существенно сократился. Вероятно, это связано с усилением анаэробных процессов, которые стали следствием существенного возрастания влажности и плотности сложения, измеренных в опыте в составе сопутствующих наблюдений. К сентябрю уровень активности достиг июньского.

Таким образом, можно заключить, что активность в вариантах опыта, с одной стороны, характеризовалась как средняя, с другой – способы обработки по-разному и разнонаправленно влияли на каталазную активность. Причины этого мы попытались выявить при помощи двухфакторного дисперсионного анализа (табл. 6).

Таблица 6

Оценка вклада факторов в изменение активности каталазы чернозема выщелоченного (двухфакторный анализ ANOVA)

Фактор	Показатель степени влияния (ПСВ), %
	2013 г.		2014 г.
	0–5 см	5–20 см	0–5 см	5–20 см
1	2	3	4	5
Сроки (динамика)	28,2	16,6	2,0	7,1
Обработки	15,0	17,9	8,3	15,8

Окончание табл. 6

1	2	3	4	5
Взаимодействие	20,8	27,0	15,5	11,8
Не учитываемые в опыте факторы	35,2	38,3	73,9	65,2

В течение вегетационного сезона 2013 г. из исследуемых параметров наибольшее влияние на каталитическую активность в слое 0–5 см оказывал фактор «обработки». Однако в большей степени на потенциал каталазы воздействовал фактор «не учитываемые в опыте». В слое 5–20 см долевое распределение факторов было несколько иным. Здесь из исследуемых параметров на первое место вышел фактор «взаимодействие» (27 %). Что, по-видимому, связано с совместным влиянием способов обработки, сменой гидротермических условий, использованием различной растительности на реперных участках.

Выводы

1. Активность каталазы в исследуемой почве характеризовалась как средняя по шкале Д.Г. Звягинцева. Способы обработки почвы разнонаправленно влияли на каталитическую активность. В среднем за два года минимальный уровень обнаруживался в почве, не подвергающейся механической обработке.
2. Пространственное варьирование каталазной активности характеризовалось средним уровнем, а ее внутрисезонная динамика была наиболее существенной при минимизации обработок.
3. Изменения ферментативной активности обусловливались в большей степени факторами, не исследуемыми в опыте. Из числа наблюдаемых на уровень каталазной активности оказали влияние внутрисезонные колебания и характер их взаимодействия с условиями, формирующимися при обработке почвы.

Список литературы Оценка активности каталазы чернозема выщелоченного при разных способах основной обработки

Абросимова Л.Н., Ревут И.Б. Биологическая активность почвы и состав воздуха пахотного слоя почвы//Почвоведение. -1964. -№ 7. -С. 17-19.
Аринушкина Е.В. Руководство по химическому анализу почв. -М.: Изд-во МГУ, 1970. -487 с.
Галстян А.Ш. Ферментативная активность почв Армении. -Ереван: Айастан, 1974. -185 с.
Кузьмина К.И. Ферментативная активность почв под различными культурами//XIV Докучаевские молодежные чтения: мат-лы Всерос. науч. конф., посвящ. 165-летию со дня рождения В.В. Докучаева. -СПб., 2011. -С. 215-216.
Слесарев В.Н., Святская Л.Н., Хамова О.Ф. и др. Биологическая активность чернозема выщелоченного юго-западной Сибири в зависимости от обработки//Почвоведение. -1987. -№ 4. -С. 137-142.
Хазиев Ф.Х., Гулько А.Е. Ферментативная активность почв агроценозов и перспективы ее изучения//Почвоведение. -1991. -№ 8. -С. 88-103.

Статья научная