Трансформация азота и активность уреазы при использовании гербицидов

Введение. В структуре посевных кормовых культур Российской Федерации кукуруза занимает третье место (22,4 %). Ежегодно в Красноярском крае сельскохозяйственные товаропроизводители увеличивают площадь под кукурузой: в 2014 г. она занимала 16,3 тыс. га, в 2015 – 18,1; в 2016 – 21,2; в 2017 – 22,0; в 2018 г. – 23,0 тыс. га. Поскольку посевы кукурузы на силос убираются в фазе молочно-восковой и восковой спелости зерна, то их возделывание по зерновой технологии сопровождается мероприятиями по защите культуры, в том числе и от сорных растений [1].

Сбалансированная химизация растениеводства с использованием регуляторов роста и гербицидов позволяет добиться существенного увеличения урожайности. С другой стороны, использование средств защиты растений является экологически рискованным, но, очевидно, почти незаменимым технологическим приемом борьбы с вредными объектами на сельскохозяйственных культурах. Гербициды, являясь сложными химическими соединениями, могут оказывать весьма существенное влияние как на пищевой режим почв, так и на уровень ее биологической активности [2]. В лесостепной зоне Красноярского края агроэкологическая оценка воздействия агрохимикатов на почвенную биоту проводилась недостаточно [3, 4]. Поэтому актуальным является вопрос о необходимости соблюдения экологической безопасности при применении в сельском хозяйстве ядохимикатов, в частности гербицидов.

Цель исследования : изучить влияние гербицидной нагрузки на содержание подвижных форм азота и активность уреазы чернозема выщелоченного под посевами кукурузы.

Объект и методы исследования. Исследование проводили на полевом стационаре УНПК «Борский» Красноярского ГАУ, расположенном на территории Сухобузимского района в пределах Чулымо-Енисейского денудационного плато югозападной окраины Средней Сибири (56°26’ с. ш. и 92°54’ в. д.).

Объект исследований – чернозем выщелоченный маломощный среднегумусный тяжело- суглинистый иловато-пылеватый на коричневобурых тяжелых суглинках. Почва опытного стационара характеризовалась высоким содержанием гумуса – 9,3 %, рН близкой к нейтральной (6,8–6,9), высокой поглотительной способностью (ЕКО = 56,5 ммоль/100 г) и насыщенностью основаниями (V = 97 %), повышенным содержанием подвижного фосфора (P2O5 = 20– 22 мг/100 г) и очень высокой обеспеченностью обменным калием (К2О = 25–27 мг/100 г).

Опыт заложен в трехкратной повторности, размещение делянок систематическое. Общая площадь опытной делянки составила 500 м2. Обработка почвы включала: зяблевую плоскорезную основную обработку на глубину 18 см, предпосевную культивацию на глубину 6–8 см. В эксперименте использовали гибрид кукурузы F1 Катерина СВ. Гибрид относится к раннеспелым (ФАО 170), холодостойкий, с хорошим начальным развитием. Посев семян провели сеялкой СВУ–8У на глубину 6 см, норма высева – 25 кг/га. Предшественник – чистый пар. Применяли гербициды, действующие вещества которых указаны в таблице 1.

Таблица 1

Номер варианта	Действующее вещество гербицида
0	Контроль (без применения гербицида)
1	Изоксафлютол + тиенкарбазон-метил + ципросульфамид
2	Форамсульфурон + йодосульфурон-метил-натрия + изоксадифенэтил
3	Форамсульфурон + йодосульфурон-метил-натрий + тиенкарбазон-метил + ципро-сульфамид

Схема опыта

Обработка посевов кукурузы гербицидами проведена в фазе развития 4–5-го листа культуры.

Почвенные образцы отбирали из слоев 0–10 и 10–20 см до обработки посевов гербицидами (фон), а также через 7 и 37 дней после обработки.

Основные химические показатели по характеристике почв получены при помощи общепринятых методов [5]. В почвенных пробах были определены: рН водной суспензии, содержание аммонийного азота – потенциометрически, щелочногидролизуемого азота (N щг ) – по Корнфил-ду. Активность уреазы определяли по [6]. Статистическую обработку данных провели, используя пакет программ Excel.

Результаты исследования и их обсуждение. Легкогидролизуемая форма азота, являясь ближайшим резервом минерального питания растений, подвержена влиянию различных факторов. Хорошо известно о таких причинах, как гидротермические условия и обработка почвы. Информации о влиянии гербицидов на направленность трансформации органического азота практически нет. Известно, что попадая в почву, гербициды оказывают воздействие на микробиологические процессы, происходящие в ней. По различным данным, на непосредственное подавление сорной растительности расходуется от 1–2 до 10–40 % от вносимого количества гербицида, остальная его часть вымывается в грунтовые воды или связывается с почвенным материалом, создавая значительные экологические проблемы [7]. Соединения, гидролизуемые щелочью, вовлекаются в превращения и могут сообщать о векторе трансформации, а значит информировать о степени воздействия исследуемого фактора. В почве анализируемых вариантов до использования гербицидов (фон) содержание щелочногидролизуемого азота в целом соответствовало высокой оценке по шкале обеспеченности сельскохозяйственных растений элементом, которую предложил [8]. Спустя неделю после применения, агрохимикаты закономерно повлияли на динамику изменений Nщг (табл. 2).

Содержание щелочногидролизуемого азота, мг/кг

Таблица 2

Вариант	Срок
	Фон – до обработки гербицидами		После обработки – 26 июня		После обработки – 31 июля
	0–10 см	10–20 см	0–10 см	10–20 см	0–10 см	10–20 см
Контроль	203	194	193*	187	203	192
Вариант 1	215	224	243*	242	250	222
Вариант 2	233	264	229	229	225	219
Вариант 3	233	264	205*	196*	199	190
НСР 05	13	33	20	32	23	38

* Здесь и далее: достоверные различия в динамике.

На варианте опыта 1 отмечалось достоверное повышение легкогидролизуемых веществ, а в почве на варианте опыта 2 их содержание значимо снижалось, тогда как в почве контрольного варианта отмечено существенное понижение N щг . Таким образом, воздействие испытуемых гербицидов не выявило закономерных изменений в превращениях легкогидролизуемых соединений азота на данном этапе наблюдений.

Важнейшим агентом в трансформации азотсодержащих соединений в почве являются ферменты азотного цикла. Так как «слабым» местом почв Сибирского региона является низкая обеспеченность минеральным азотом в весенний период, то «наложение» на это время гербицидной нагрузки, вероятно, обусловливает дефицит элемента.

Воздействие, оказываемое гербицидами на почвенные биохимические процессы, зависит, прежде всего, от их химического состава. Интересно отметить, что по химическому составу изучаемые гербициды являются органическими азотсодержащими соединениями. Одним из компонентов применяемых в опыте химикатов были азотсодержащие антидоты. Так, в составе гербицидов на вариантах опыта 1 и 3 использо- вался ципросульфамид. Таким образом, адсорбируясь почвенными элементарными частицами, гербициды и их компоненты могут обнаруживать, возможно, как стимулирующий, так и ингибирующий эффект. Экспериментами установлен существенный ингибирующий эффект уреазы такими органическими соединениями, как алифатические амины, дегидрофенолы и хиноны. Данные соединения входят в структуру исследуемых нами гербицидов.

Представленные в таблице 3 материалы свидетельствует о возможном ингибирующем влиянии гербицидов на варианте опыта 1 и 2 на почвенную уреазу. Так, в предшествующий обработке гербицидами период ее активность была существенно выше в почве делянок данных вариантов. Через неделю после опрыскивания обнаруживалось значимое снижение активности. Входящий в состав гербицида на варианте опыта 2 антидот изоксадифен-этил не оказывал аналогичного ингибирующего влияния на интенсивность гидролиза мочевины. В целом результаты активности уреазы всех вариантов опыта показали слабую обеспеченность почвы этим ферментом.

Таблица 3

Вариант	Срок
	Фон – до обработки гербицидами		После обработки – 26 июня		После обработки – 31 июля
	0–10 см	10–20 см	0–10 см	10–20 см	0–10 см	10–20 см
1	2	3	4	5	6	7
Контроль	2,49	1,01	1,63	2,73	3,77	4,44
Вариант 1	9,05	5,33	1,57*	2,45*	3,12	1,73

Окончание табл. 3

1	2	3	4	5	6	7
Вариант 2	9,65	10,77	2,25*	6,16*	1,00	0,50
Вариант 3	2,93	2,85	1,64	1,22	3,55	4,58
НСР 05	2,45	3,00	F Ф т	1,96	1,56	1,33

Активность уреазы чернозема выщелоченного (мг N-NH4/10 г/24 ч)

Исследованиями установлено, что в агроэкосистемах быстрое нарастание активности уреазы свидетельствует о способности накопления в почве аммиачного азота. Нашими наблюдениями указанная зависимость не подтвердилась. Снижение активности уреазы сопровождалось достоверным нарастанием содержания аммонийного азота. Это указывает на то, что данная форма азота стала результатом деятельности других процессов, переводящих азотсодержащие органические соединения в аммиачную форму.

Полученные данные указывают на очень низкую обеспеченность аммиачным азотом почвы всех вариантов (табл. 4). Однако причины, обусловившие такой уровень, могли быть различные, в том числе использование минераль- ного азота растениями в период интенсивного нарастания вегетативной массы. Минимальная концентрация аммиачного азота обнаруживалась в почве варианта, обработанного гербицидом на варианте опыта 3, что коррелировало с пониженной активностью уреазы, особенно в слое 10–20 см. Напротив, предельные значения N-NH4 диагностировались в почве, где использовался гербицид с действующими веществами форамсульфурон + йодосульфурон-метил-натрия + изоксадифенэтила (вариант 2). Причем, этот максимум был также сопряжен с повышенной уреазной активностью.

Данные по урожайности кукурузы показывают достоверное увеличение зеленой массы данной культуры при использовании гербицидов (табл. 5).

Таблица 4

Вариант	Срок
	Фон – до обработки гербицидами		После обработки – 26 июня		После обработки – 31 июля
	0–10 см	10–20 см	0–10 см	10–20 см	0–10 см	10–20 см
Контроль	1,64	1,34	3,54*	2,90*	4,37	2,92
Вариант 1	1,80	1,99	3,51*	3,14*	5,25	3,83
Вариант 2	2,25	1,87	3,84*	3,65*	3,69	3,41
Вариант 3	2,44	1,98	2,72	2,48*	3,18	2,61
НСР 05	F Ф т	F Ф т	0,72	0,60	1,50	0,71

Таблица 5

Вариант	Урожайность зеленой массы			Спелость зерна
	ц/га	± к контролю
		ц/га	%
Контроль	206,5	-	-	Молочная – молочно-восковая
Вариант 1	251,4	+44,9	+21,7
Вариант 2	343,4	+136,9	+66,3
Вариант 3	316,8	+110,3	+53,5
НСР 05	34,8

Содержание аммонийного азота, мг/кг

Влияние гербицидов на урожайность зеленой массы кукурузы

Биологической особенностью кукурузы является ее сравнительно высокая засухоустойчивость. Однако длительное отсутствие осадков в фазе всходов и от 15-го листа до спелости привело к снижению продуктивности культуры. Растения контрольного варианта сформировали лишь 206,5 ц/га зеленой массы.

Использование гербицидов оказало существенное влияние на формирование зеленой мас- сы, обеспечив повышение продуктивности по отношению к контролю от 21,7 до 66,3 %. На формирование общего веса зеленой массы кукурузы оказывали влияние высота растений, а также количество сформировавшихся початков и их вес.

Применение гербицидов также обеспечило повышение биометрических параметров растений (табл. 6).

Морфометрические показатели гибридов кукурузы

Таблица 6

Вариант	Высота растений, см	Среднее кол-во початков на 1 растении, шт.	Средний вес початка, кг
Контроль	183,9	1,0	0,126
Вариант 1	216,3	1,2	0,136
Вариант 2	234,4	1,0	0,168
Вариант 3	232,2	1,2	0,148
НСР 05	15,6	0,1	0,015

Высота растений на контрольном варианте в среднем составила 184 см. Применение гербицидов оказало значительное влияние на рост растений кукурузы, способствуя повышению морфометрических показателей.

Наличие низкой конкурентной нагрузки со стороны сорной растительности за потребление питательных веществ и влаги на начальных, наиболее уязвимых фазах развития кукурузы на вариантах опыта 2 и 3, повысило темпы поступательного развития стебля растений.

Высота растений на делянках, обработанных гербицидами на вариантах опыта 2 и 3, находилась на одном уровне, но на 27,5 и 26,3 % превосходила контрольный показатель. Высота растений на участке варианта 1 превышала контроль на 32,4 см, что составляет 17,6 %. Практически каждое растение кукурузы сформировало по 1 полноценному початку. Химическая защита растений от сорного компонента обнаружила значительное нарастание веса початка: на контроле его средний вес составил 0,126 кг. При применении гербицидов вес початков изменялся от 0,136 до 0,168 кг.

Выводы. В целом результаты опыта свидетельствуют о двойственном влиянии исследуемых гербицидов на превращение соединений азота в почве под растениями кукурузы. Низкая активность уреазы в почве вариантов опыта свидетельствует о слабой обеспеченности почвы исходным органическим субстратом. С дру- гой стороны, установлено, что воздействие на активность фермента может оказывать насыщенность почвы гербицидами предшествующих лет использования. Также воздействие испытуемых гербицидов не выявило закономерных изменений в превращениях легкогидролизуемых соединений азота. Исследования показали, что в условиях Сухобузимского района Красноярской лесостепи можно выращивать кукурузу на силос с початками восковой спелости. Предлагаемая система защиты растений кукурузы от сегетальной растительности обеспечивает высокую хозяйственную эффективность.