Реакция органического вещества агрочерноземов и ферментов углеродного цикла на процесс внедрения безотвальных систем обработки
Автор: Белоусова Е.Н., Белоусов А.А.
Журнал: Вестник Красноярского государственного аграрного университета @vestnik-kgau
Рубрика: Агрономия
Статья в выпуске: 10, 2023 года.
Бесплатный доступ
Цель исследований - оценить влияние процесса перехода на минимальные технологии обработки почвы на трансформацию органического вещества и участие в этих превращениях ферментов углеродного цикла. Исследования проведены на производственном опыте ООО «ОПХ «Дары Малиновки» Сухобузимского района в Красноярской лесостепи. Объект исследований - чернозем обыкновенный среднегумусный среднемощный тяжелосуглинистый на красно-бурой глине. Схема опыта представлена следующими вариантами: 1. Отвальная (st); 2. Минимальная (дискование); 3. Плоскорезная (культивация). В сезоне 2017 г. почва вариантов опыта обрабатывалась по типу чистого раннего пара, а в 2018 г. на полевом стационаре был произведен посев яровой пшеницы сорта Новосибирская-31, в 2019 г. - ячменя сорта Ача. Результаты активности полифенолоксидазы продемонстрировали очень слабый уровень. Показано, что пероксидазная активность в большей степени откликалась на механическое воздействие относительно полифенолоксидазы. Активность пероксидазы отличалась в статистически значимом превышении слоя 0-10 см относительно 10-20 см при отвальной обработке. Использование поверхностных рыхлений достоверно повышало активность в слое 10-20 см в сравнении с 0-10 см. Данные активности анализируемых ферментов свидетельствуют о благоприятных условиях для гумификации растительного материала и накопления гумусоподобных веществ. Данные условного коэффициента гумусонакопления показывают, что в фазу кущения яровых зерновых культур складывались условия, не благоприятствующие процессам новообразования легкоминерализуемых гумусовых веществ в почве всех вариантов опыта. Положительная динамика коэффициента была наиболее выражена при плоскорезном рыхлении в слое 0-10 см.
Ферменты, полифенолоксидаза, пероксидаза, коэффициент гумусонакопления, безотвальные способы обработки почвы, дифференциация слоев
Короткий адрес: https://sciup.org/140302862
IDR: 140302862 | DOI: 10.36718/1819-4036-2023-10-145-151
Текст научной статьи Реакция органического вещества агрочерноземов и ферментов углеродного цикла на процесс внедрения безотвальных систем обработки
Введение. Обработка почвы – один из важнейших факторов, определяющих физические и химические свойства агрогенных почв, приводящих к изменению структуры и функционирования почвенного микробного сообщества, влияющих на экологическое состояние и плодородие почвы [1–3]. Ее минимизация может служить перспективным приемом секвестрации органического углерода почвы [4]. Сокращение отрицательного влияния на почву, ее механического рыхления – важная проблема, стоящая перед современным земледелием. По мнению [5], как и другие звенья системы земледелия, она преследует две цели: повысить эффективное плодородие почвы и создать наиболее благоприятные условия для роста и развития растений. Известно, что агроценозы являются экосистемами с наиболее динамичным и неустойчивым балансом органического вещества [6]. По мнению [7], важно учитывать степень влияния минимизации на микробиологическую активность, от изменений которой зависит динамика органического вещества и в целом плодородие черноземных почв. Почвенные микроорганизмы и ферменты первыми реагируют на смену условий в почве, в том числе на параметры, определяющие процессы минерализации-гумификации [8, 9].
В связи со специфичностью условий почвообразования и особенностями агросвойств почв лесостепной зоны Красноярского края исследования, направленные на поиск закономерностей между активностью ферментов и направленно- стью трансформаций органического вещества, особенно актуальны [10–12]. Диагностика этих корреляций, вероятно, позволит прогнозировать изменения в превращениях органического вещества агропочв. Особенно важным представляется диагностика этих изменений в условиях се-зоннопромерзающих почв Сибирского региона при внедрении безотвальных технологий обработки почвы.
Цель исследований – оценить влияние процесса перехода на минимальные технологии обработки почвы на трансформацию органического вещества и участие в этих превращениях ферментов углеродного цикла.
Объекты и методы. Исследования проведены на производственном опыте ООО «ОПХ «Дары Малиновки» Сухобузимского района в Красноярской лесостепи. Объект исследований – чернозем обыкновенный среднегумусный среднемощный тяжелосуглинистый на красно-бурой глине. Почва опыта в пахотном слое содержит 6,3–6,5 % гумуса, pH водной суспензии близок к нейтральному (pHН2О = 6,7), подвижного фосфора – 295–320 мг/кг, обменного калия – 127– 138 мг/кг. В границах производственных посевов заложены реперные участки прямоугольной формы общей площадью 1200 м2 с учетной площадью 600 м2. В пределах каждого участка выделялись три делянки – повторности площадью 200 м2. Объем выборки был рассчитан исходя из уровня варьирования плодородия почвы по результатам рекогносцировочных посевов и соста- вил 12 индивидуальных пространственноудаленных проб. Трижды за вегетационный сезон отбирались почвенные образцы из слоев 0– 10, 10–20 см методом змейки. Схема опыта представлена следующими вариантами: 1 – отвальная (st); 2 – минимальная (дискование); 3 – плоскорезная (культивация).
Отвальную вспашку проводили плугом Gregoire Besson SPLM B9 на глубину 25–27 см, минимальную обработку (поверхностное дискование) – дискатором БДМ-Агро БДМ 6x4П и плоскорезную обработку (культивацию) культиватором Ярославич КБМ-10,8 ПС-4 на глубину 10–12 см. В вегетационный сезон 2017 г. почва вариантов опыта обрабатывалась по типу чистого раннего пара, а в 2018 г. на полевом стационаре был произведен посев яровой пшеницы сорта Новосибирская-31, в 2019 г. – посев ячменя сорта Ача.
Агрометеорологические условия 2017–2019 гг. оценивались следующими показателями (табл. 1). Так, накопление суммы активных температур было значительно выше среднемноголетних значений, а количество осадков, напротив, существенно уступало норме. Это свидетельствовало о засушливости условий, формирующихся в годы наблюдений.
Таблица 1
Год |
Месяц |
Сумма показателей |
||||
Май |
Июнь |
Июль |
Август |
Сентябрь |
||
Средняя температура воздуха, °С |
Сумма активных температур, °С |
|||||
2017 |
11,0 |
20,3 |
19,5 |
16,8 |
8,5 |
2074 |
2018 |
8,1 |
20,5 |
18,6 |
18,3 |
10,1 |
2061 |
2019 |
9,0 |
18,7 |
19,5 |
18,8 |
9,9 |
2047 |
Норма (1980–2010 гг.) |
8,7 |
15,2 |
17,6 |
14,8 |
8,8 |
1833 |
Осадки, мм |
Сумма осадков, мм |
|||||
2017 |
28,0 |
30,0 |
79,0 |
81,0 |
81,0 |
299,0 |
2018 |
29,0 |
29,0 |
33,0 |
21,0 |
58,0 |
170,0 |
2019 |
8,3 |
106,1 |
45,4 |
68,9 |
54,0 |
274,4 |
Норма (1980–2010 гг.) |
50,0 |
61,0 |
95,0 |
78,0 |
48,0 |
332,0 |
Метеорологические показатели в годы наблюдений
Вторая половина лета первого года исследований (2017) характеризовалась значительным количеством осадков относительно 2018 г. Начало и середина вегетационного сезона 2018 г. по агрометеорологическим условиям складывались неблагоприятно. По количеству выпавших осадков анализируемый период существенно уступал норме, тогда как температура воздуха превышала средние многолетние значения. В июне 2019 г. осадков выпало на 65 % больше нормы.
Химические и физико-химические показатели получены по [13]. Ферментативную активность почвы определяли: пероксидазу и полифено-локсидазу – колориметрическим методом по Л.А. Карягиной, Н.А. Михайловской (1986) [14].
Статистический анализ данных проводили с использованием пакета программ MS Excel.
Результаты и их обсуждение. Данные активности полифенолоксидазы показывали очень слабый уровень по шкале Д.Г. Звягинцева. Существенным элементом оценки биохимических реакций при изучении способов обработки является сравнение слоев почвы. Здесь значима информация о направленности процессов трансформации, чтобы понимать, как отразился тот или иной вариант технологии обработки на превращении соединений углерода. В период парования активность полифенолоксидазы в сравниваемых слоях отличалась в зависимости от способа механического воздействия (табл. 2).
Таблица 2
Активность полифенолоксидазы в слоях агрочерноземов, мг 1,4 бензохинона / 1 г / 30 мин (t 0,5 = 2,2 (в июле, сентябре 2019 г. – t 0,5 = 2,7)
Вариант |
Слой, см |
tф |
Июнь |
tф |
Июль |
tф |
Сентябрь |
2017 |
|||||||
1. Отвальная вспашка (st) |
0–10 |
– |
– |
6,8 |
5,3 |
1,3 |
3,3 |
10–20 |
– |
4,4 |
2,9 |
||||
2. Минимальная обработка (дискование) |
0–10 |
– |
– |
–3,8 |
4,9 |
–8,2 |
3,8 |
10–20 |
– |
5,8 |
5,6 |
||||
3. Плоскорезная обработка (культивация) |
0–10 |
– |
– |
0,8 |
5,1 |
–7,6 |
4,3 |
10–20 |
– |
5,1 |
6,4 |
||||
2018 |
|||||||
1. Отвальная вспашка (st) |
0–10 |
1,1 |
3,6 |
5,8 |
5,9 |
10,8 |
7,0 |
10–20 |
3,2 |
4,6 |
4,9 |
||||
2. Минимальная обработка (дискование) |
0–10 |
–2,3 |
5,4 |
–6,4 |
4,7 |
–0,8 |
5.2 |
10–20 |
5,9 |
6,4 |
5,5 |
||||
3. Плоскорезная обработка (культивация) |
0–10 |
0,5 |
4,9 |
–1,4 |
5,4 |
–1,6 |
5,6 |
10–20 |
5,0 |
5,9 |
6,0 |
||||
2019 |
|||||||
1. Отвальная вспашка (st) |
0–20 |
–0,4 |
3,5 |
–0,1 |
2,7 |
–2 |
4,8 |
20–40 |
3,6 |
2,6 |
5,5 |
||||
2. Минимальная обработка (дискование) |
0–20 |
–2,5 |
2,9 |
1,6 |
4,3 |
–0,3 |
4,8 |
20–40 |
3,7 |
4,8 |
4,7 |
||||
3. Плоскорезная обработка (культивация) |
0–20 |
–0,6 |
3,3 |
–2 |
4,8 |
0,2 |
4,3 |
20–40 |
3,4 |
5,5 |
4,2 |
Примечание : здесь и в таблице 3 жирным выделены достоверные различия между слоями.
При отвальной вспашке процесс окисления фенолов был достоверно интенсивнее в слое 0– 10 см, а при безотвальных рыхлениях в слое 10–20 см. Аналогичная зависимость проявлялась и в сезоне 2018 г. Различия не всегда были статистически достоверны, однако тенденция сохранялась. В большей степени она прослеживалась в почве, обрабатываемой дискованием. К фазе полной спелости яровой пшеницы достоверно более высокая активность полифено-локсидазы наблюдалась в поверхностном слое, что, вероятно, указывало на лучшую аэрацию данного слоя. При плоскорезном рыхлении существенных отличий в полифенолоксидазной
Таблица 3
Активность пероксидазы в слоях агрочерноземов, мг 1,4 бензохинона / 1 г/ 30 мин (t 0,5 = 2,2 (в июле, сентябре 2019 г. – t 0,5 = 2,7)
активности не наблюдалось. В период вегетации ячменя (2019 г.) в целом сравниваемые слои демонстрировали равноценные параметры окисления. На уровень активности полифено-локсидазы могли оказывать влияние и корневые системы растений. По нашим наблюдениям, эта зависимость также прослеживалась, особенно в период вегетации яровой пшеницы, когда в середине лета нарастание ее корневой системы было максимальным.
Пероксидазная активность в большей степени откликалась на механическое воздействие относительно полифенолоксидазы (табл. 3).
Вариант |
Слой, см |
tф |
Июнь |
tф |
Июль |
tф |
Сентябрь |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
2017 |
|||||||
1. Отвальная вспашка (st) |
0–10 |
– |
– |
6,7 |
6,8 |
–1,1 |
2,7 |
10–20 |
– |
5,5 |
2,9 |
||||
2. Минимальная обработка (дискование) |
0–10 |
– |
– |
4,2 |
5,9 |
–2,1 |
5,2 |
10–20 |
– |
5,4 |
5,6 |
Окончание табл. 3
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
3. Плоскорезная обработка (культивация) |
0–10 |
– |
– |
–4,6 |
6,1 |
–7,7 |
3,5 |
10–20 |
– |
7,7 |
5,6 |
||||
2018 |
|||||||
1. Отвальная вспашка (st) |
0–10 |
1 |
3,1 |
6,8 |
6,8 |
–2,9 |
4,2 |
10–20 |
3,1 |
5,5 |
4,8 |
||||
2. Минимальная обработка (дискование) |
0–10 |
–5 |
5,1 |
–11,8 |
3,1 |
26,3 |
7,5 |
10–20 |
6,1 |
6,9 |
3,9 |
||||
3. Плоскорезная обработка (культивация) |
0–10 |
–3,5 |
5,7 |
–9 |
3,9 |
–12,3 |
3,7 |
10–20 |
6,4 |
5 |
6,1 |
||||
2019 |
|||||||
1. Отвальная вспашка (st) |
0–20 |
2 |
5,5 |
1,3 |
5,8 |
–1,7 |
5,2 |
20–40 |
4,8 |
5,8 |
6 |
||||
2. Минимальная обработка (дискование) |
0–20 |
–11,4 |
4,2 |
–1,1 |
6,2 |
1,4 |
5,1 |
20–40 |
7,2 |
6,2 |
4,7 |
||||
3. Плоскорезная обработка (культивация) |
0–20 |
–0,7 |
6,5 |
–1,3 |
5,3 |
0,6 |
7 |
20–40 |
6,8 |
6 |
6,9 |
Это проявлялось в статистически значимых различиях между сравниваемыми слоями. Примечательно, что активность пероксидазы отличалась в статистически значимом превышении слоя 0–10 см относительно 10–20 см при отвальной обработке и, наоборот, использование поверхностных рыхлений достоверно повышало активность в слое 10–20 см в сравнении с 0– 10 см. В сезонах 2017–2018 гг. эта закономерность, очевидно, проявлялась в условиях плос- корезного рыхления. Обозначенное свидетельствует об активизации минерализационных процессов, прежде всего в слое 10–20 см при плоскорезном рыхлении.
По данным условного коэффициента гумусо-накопления в фазу кущения яровых зерновых культур, складывались условия, благоприятствующие процессам новообразования легкоминерализуемых гумусовых веществ в почве всех вариантов опыта (табл. 4).
Таблица 4
Условный коэффициент накопления гумуса в слоях почвы (2017–2019 гг.), %
Способ обработки |
Слой почвы, см |
Срок определения |
Среднее |
||
Фаза кущения |
Фаза цветения |
Полная спелость |
|||
Отвальная (st) |
0–10 |
0,90 |
0,87 |
1,27 |
1,01 |
10–20 |
0,88 |
0,86 |
0,98 |
0,91 |
|
Минимальная |
0–10 |
0,87 |
1,01 |
0,80 |
0,89 |
(дискование) |
10–20 |
0,74 |
1,15 |
1,14 |
1,01 |
Плоскорезная |
0–10 |
0,72 |
1,04 |
1,22 |
0,99 |
10–20 |
0,64 |
0,92 |
0,91 |
0,82 |
Примечание: жирным выделены случаи преобладания процессов новообразования гумусовых со- единений над процессами минерализации.
Однако следует отметить, что наиболее низкие значения коэффициента в этот период обнаруживались в условиях плоскорезного рыхления. Последующая динамика свидетельствовала о возможности плоскорезной обработки стимулировать условия для накопления новообразованных гумусовых молекул во второй половине ве- гетационного периода. При этом в структуре легкоминерализуемых органических соединений, переходящих в щелочной гидролизат, заметную долю составляли фульвокислоты. Подобное в своих исследованиях отмечали [10, 11, 15]. По мнению авторов, это свидетельствовало как о большей «оборачиваемости» углерода за счет активизации процессов трансформации, так и об изменении качества гумуса. Помимо того, существенное влияние на этот процесс могли оказать засушливые погодные условия, предшествующие фазе кущения яровых зерновых (см. табл. 1), и повышенная каталитическая активность почвы. Очевидно, атомарный кислород при разложении перекиси водорода оказывал влияние на гетеротрофный синтез органических соединений. Результатом данных превращений стало увеличение коэффициента гумусонакоп-ления к фазе цветения на безотвальных фонах в сравнении с отвальной вспашкой агрочерноземов. К фазе полной спелости происходило относительное выравнивание показателя в почве исследуемых вариантов обработки.
Заключение
-
1. Результаты активности полифенолокси-дазы продемонстрировали очень слабый уровень активности. При отвальной вспашке процесс окисления фенолов был достоверно интенсивнее в слое 0–10 см, а при безотвальных рыхлениях в слое 10–20 см.
-
2. Пероксидазная активность в большей степени откликалась на механическое воздействие относительно полифенолоксидазы. Активность пероксидазы отличалась в статистически значимом превышении слоя 0–10 см относительно 10–20 см при отвальной обработке. Использование поверхностного рыхления дисковыми орудиями достоверно повышало активность в слое 10–20 см в сравнении с 0–10 см. Данные активности анализируемых ферментов свидетельствуют о благоприятных условиях для гумификации растительного материала и накопления гумусоподобных веществ.
Список литературы Реакция органического вещества агрочерноземов и ферментов углеродного цикла на процесс внедрения безотвальных систем обработки
- Байбеков Р.Ф. Природоподобные технологии - основа стабильного развития земледелия // Земледелие. 2018. № 2. С. 5-8.
- Зинченко М.К., Зинченко С.И. Ферментативный потенциал агроландшафтов серой лесной почвы Владимирского ополья // Успехи современного естествознания. 2015. № 1. С. 1319-1323.
- Зинченко М.К., Зинченко С.И. Ферментативная активность серой лесной почвы при различных приемах основной обработки // Достижение науки и техники АПК. 2021. Т. 35, № 4. С. 17.
- Кудеяров В.Н. Влияние удобрений и системы земледелия на секвестрацию углерода в почвах // Агрохимия. 2022. № 12. С. 79-96.
- Коржов С.И. Влияние обработки почвы на биологические процессы // Вестник Воронежского государственного аграрного университета. 2010. № 3 (26). С. 14-17.
- Керженцев А.С. Функциональная экология. М.: Наука, 2006. 259 с.
- Технология прямого посева и микробиологическая активность чернозема выщелоченного / С.Д. Гилев [и др.] // Земледелие. 2015. № 3. С. 28-30.
- Влияние сельскохозяйственных культур на ферментативную активность черноземов Ростовской области при использовании различных агротехнологий / Т.В. Минникова [и др.] // Агрохимия. 2020. № 10. С. 20-27.
- Биологическая активность чернозема обыкновенного через 5 лет после прекращения агрогенной обработки / А.С. Собина [и др.] // Агрохимия. 2022. № 1. С. 22-26.
- Белоусов А.А., Белоусова Е.Н. Динамика содержания органического вещества черноземов в условиях минимизации обработки в Красноярской лесостепи // Агрохимия. 2020. № 3. С. 24-30.
- Белоусова Е.Н., Белоусов А.А. Влияние технологий обработки на разнокачественность почвенных слоев по содержанию подвижного органического вещества // Проблемы агрохимии и экологии. 2022. № 1. С. 10-15.
- Белоусова Е.Н., Белоусов А.А. Влияние почвозащитных технологий на содержание подвижного органического вещества и ферментативную активность почвы // Агрохимия. 2022. № 5. С. 30-37.
- Воробьева Л.А. Теория и практика химического анализа почв. M.: ГЕОС, 2006. 400 с.
- Хазиев Ф.Х. Методы почвенной энзимологии. М.: Наука, 2005. 252 с.
- Михновская А.Д., Кириченко Т.П., Панченко В.Ф. Микробиологические процессы трансформации органического вещества при разных системах обработки чернозема типичного // Почвоведение. 1992. № 8. С. 58-65.