Влияние процесса перехода в залежь на ферментативную активность почв Средней Сибири

Введение . Устойчивость почв к различным воздействиям определяется их способностью возвращаться к нормальному функционированию и противостоять различным стрессам [1]. Познание механизмов устойчивости почв является необходимым для поиска путей сохранения биосферы и предотвращения возрастающих за последние десятилетия негативных антропогенных воздействий. Проблема залежей многогранна и касается политических, экономических и юридических аспектов использования земель [2]. Определение направленности и скорости процессов изменения (динамики) плодородия почв залежных земель представляется актуальным, так как в будущем они могут быть снова вовлечены в сельскохозяйственное использование [3]. Исследований, направленных на изучение функционирования залежных земель, недостаточно. Имеющиеся фактические данные, как правило, представлены информацией о содержании гумуса, основных элементов питания, о фитосанитарном состоянии и физикохимических показателях. Однако практически отсутствуют сведения о действительной био-генности почв, находящихся в залежи или в процессе перехода в нее.

Цель работы. Исследовать ферментативную активность почв в процессе их перехода из агроценозов в залежь.

Объекты и методы. Исследования проводились в пределах трех ландшафтных зон Приенисейской Сибири. 1 – зона травяных лесов Ачинского округа на территории землепользования ТОО «Зареченское» Тюхтетского района (56°32^’ с.ш. и 88°18^’ в.д.). Объект исследования – почва дерново-глубокоподзолистая поверхностно слабоглееватая легкосуглинистая. 2 – Красноярская лесостепь на полевом стационаре УНПК «Борский», расположенном на территории Сухобузимского района в пределах Чу-лымо-Енисейского денудационного плато югозападной окраины Средней Сибири (56°26^’ с.ш. и 92°54^’ в.д.). Объект исследования – почва чернозем выщелоченный среднемощный среднегумусный тяжелосуглинистый. 3 – зона сухих степей Минусинской котловины Усть-Абакан-ского района (53°77^’ с.ш. и 91°30^’ в.д.). Объект исследования – почва темно-каштановая карбонатная маломощная супесчаная. Основные агрономические свойства представлены в таблице 1.

Таблица 1

Горизонт, глубина, см	Гумус, %	Валовое содержание, %		Обменные основания		H r	S	pH		Сумма частиц, %
		N	P 2 O 5	Ca2+	Mg2+			KCl	H 2 O	<0,001	<0,01
Дерново-подзолистая
А 1 0-18	1,7	0,17	-	5,0	1,2	2,2	10,1	4,5	5,3	11,8	26,5
А 2 18-40	1,8	0,10	-	3,8	1,0	1,9	9,2	4,3	5,1	13,9	27,5
Чернозем выщелоченный
А пах 0-20	9,7	0,51	0,21	34	12,0	-	46,0	5,9	6,5	36,0	57,0
А 20-30	9,2	0,40	0,35	38	14,0	-	52,0	5,8	6,5	36,0	58,0
Темно-каштановая
А П 0-25	4,8	0,28	0,001	17,0	4,8	-	21,8	-	7,1	10,8	26,2
В 27-49	2,1	0,15	0,090	-	-	-	-	-	7,3	10,1	27,0

Агрохимические свойства исследуемых почв

Схема опыта представлена следующими вариантами. На дерново-подзолистой почве: 1. Залежь. 2. Чистый пар. 3. Сидератный пар (горох+овес). На черноземе выщелоченном: 1. Залежь. 2. Сидератный пар (горох+овес). 3. Пшеница. На темно-каштановой почве: 1. Залежь. 2. Рапс. Почвенные образцы отбирали из слоя 0–5 и 5–35 см на залежных массивах и из слоя 0–20 см в агроценозах в четырехкратной повторности в течение двух вегетационных сезонов. Ферментативную активность почв определяли по [4]. Статистическую обработку данных проводили с использованием программы Statistica.

Результаты исследований и их обсуждение. Окружающая человека среда поддерживается в стабильном состоянии благодаря метаболизму глобальной экосистемы (биосферы) – циклическому механизму ее функционирования [5]. Целесообразность поведения биологических систем заключается в их стремлении к повышению организованности, совершенствованию внутренней структуры, надежности функционирования системы [6]. Такую информацию мы получаем через данные о ферментативной активности почвы. Важная роль ферментов заключается еще и в том, что они осуществляют функциональные связи между компонентами экосистемы. А ферментативная активность в целом отражает функциональное состояние живого населения почвы. Например, каталаза играет ответственную роль в гетеротрофном синтезе колоссального числа органических соединений. Авторы также считают, что отсутствие каталазы в почве несовместимо с ее пригодностью для поселения и развития обширных групп живых существ.

Рассмотрим уровень активности ферментов и ее изменчивость в агробиогеоценозах дерново-подзолистой почвы (табл. 2).

Таблица 2

Вариант	Каталаза, см3 О 2 /1г/1 мин			Инвертаза, мг глюкозы/1 г
	Июль 1-й год	Июль 2-й год	Август 2-й год	Июль 1-й год	Июль 2-й год	Август 2-й год
1. Залежь, 0–5 см	3,8*	2,9	2,0	5,6*	4,5	3,0
2. Залежь, 5–35 см	2,8	2,9	1,4	7,8*	7,9	9,3*
3. Чистый пар	2,3*	2,6	1,5	4,1*	3,5	3,0
4. Сидератный пар	2,9	3,0	1,6	6,8*	8,5*	8,0
НСР 05	0,3	0,2	0,2	0,5	0,7	0,6

*здесь и далее: достоверная разница в динамике.

Ферментативная активность дерново-подзолистой почвы (t т = 2,36)

Согласно шкале [7], каталитическая активность почвы соответствовала слабому уровню за исключением залежного участка в июле первого года наблюдений. В слое 0–5 см здесь наблюдался средний уровень, который значимо снижался к следующему вегетационному сезону. Предполагаем, что низкий уровень активности прежде всего обусловлен дефицитом органического вещества в дерново-подзолистой почве (см. табл. 1) и ее значительной уплотненностью -1,4 г/см3. В целом, рассматривая уровень активности каталазы за годы исследований, можно проследить тенденцию ее снижения к концу вегетационных сезонов. Отмеченная закономерность наблюдалась в почве всех анализируемых вариантов. По-видимому, в этот период на активность каталазы большее влияние оказывали экологические факторы среды, нежели свойства почвы, в том числе запасы органического вещества. Результаты корреляционного анализа выявили слабую зависимость активности каталазы от влажности почвы (г = -0,12^-0,44) в первой половине вегетационного сезона. К августу связь усиливалась до г = 0,68, что, вероятно, обусловлено торможением микробиологической активности.

Важнейшим звеном круговорота углерода в природе является стадия ферментативного превращения углеводов в почвенной среде [8]. Очевидно, что агроэкологические воздействия, приводящие к изменению физико-химического и биологического состояния почв, оказывают влияние на активность ферментов углеводного обмена [9]. Гидролитический фермент инвертаза стимулирует расщепление углеводов в почве. Ее активность практически напрямую определяет направленность и скорость превращений органического вещества. Изменение состава фито- и микробоценозов при сельскохозяйственном использовании почвы приводит, с одной стороны, к уменьшению количества поступающего в почву растительного материала, с другой - изменяет характер продуцировании ферментов, в котором принимают участие как растения, так и почвенные микроорганизмы [10].

Наши исследования на дерново-подзолистой почве в целом подтвердили обозначенные за- кономерности (см. табл. 2). Почва под залежью на глубине 5–35 см достоверно превосходила по активности инвертазы слой 0-5 см, а также почву из-под чистого пара. В первом случае мы наблюдали отсутствие ризосферного эффекта. В слое 0–5 см, по нашим наблюдениям, корни выглядели как «трубочки» без разветвлений и корневых волосков. С глубиной происходило распространение более мощной корневой сетки. Также наблюдался постоянный в подобных исследованиях факт: дерново-подзолистая почва под чистым паром проявляла самую низкую активность инвертазы.

Заделка зеленой массы сидератных культур сопровождалась усилением инвертазной активности до уровня почв залежи в слое 5–35 см. Следовательно, дерново-подзолистая почва под сидератами не уступала в способности к трансформации углеводов, что подтверждает сведения о доминировании активности ферментов в почвах, подвергающихся элементам биологического земледелия. По сведениям [11], запашка сидератов способствует увеличению численности аэробных целлюлозоразрушающих микроорганизмов в связи с образованием субстрата для их функционирования. Слабая концентрация инвертазы в почве парового поля свидетельствовала, наряду с другими фактическими данными, о нерациональности и неэффективности использования его в структуре севооборотов агроландшафтов на дерновоподзолистых почвах.

Таким образом, в зависимости от характера и степени дальнейшего использования почв антропогенных ландшафтов на дерновоподзолистых почвах активность биохимических процессов изменяется. Использование биологических факторов плодородия способствует активизации гидролитических ферментов.

Данные по уровню каталазной и инвертазной активности чернозема выщелоченного представлены в таблице 3. Уровень активности каталазы соответствовал среднему и характеризовался более высокими параметрами относительно дерново-подзолистой почвы.

Таблица 3

Вариант	Каталаза, см3 О 2 /1 г/1 мин			Инвертаза, мг глюкозы/1 г
	Июль 1-й год	Июль 2-й год	Август 2-й год	Июль 1-й год	Июль 2-й год	Август 2-й год
1. Залежь, 0–5 см	4,0	2,7	2,4	16,9	13,4	9,1
2. Залежь, 5–35 см	4,6	3,8	2,0	23,3	31,8	28,0
3. Сидератный пар	4,2	3,7	6,7*	20,4	25,2	24,0
4. Пшеница	4,4	4,1	6,5*	12,4	15,2	14,6
НСР 05	0,4	0,3	0,8	3,6	4,1	4,8

Ферментативная активность чернозема выщелоченного (t т = 2,36)

Какие же подобия можно отметить в результатах активности между исследуемым черноземом и дерново-подзолистой почвой? Во-первых, в условиях залежи активность каталазы в июле выше, чем в августе. Во-вторых, почва агроценозов значимо не уступала залежной в уровне активности. Более того, в черноземе выщелоченном под посевами яровой пшеницы и сиде-ратной культурой рапсом активность каталазы существенно повышалась к августу. Следовательно, вовлечение черноземной почвы в пашню может сопровождаться существенным ростом каталитической активности, а при переходе в залежь ее частичной инактивацией. По-видимому, каталаза в условиях исследуемых почв в большей степени лимитируется аэри-руемостью, чем корневой биомассой. Положительный ли это факт – тенденция к спаду каталитической активности в условиях залежи? Напомним, что за каталитическую активность фермента ответственны не только активный центр, но и вся структура молекулы в целом. Скорость ферментативной реакции регулируется множеством факторов: температурой, рН, концентрацией фермента и субстрата, наличием активаторов и ингибиторов. В роли активаторов могут выступать органические соединения, но чаще различные микроэлементы [12]. Отсюда в почве исследуемых залежных земель складываются условия, неблагоприятные для формирования вредной для микроорганизмов и растений перекиси водорода. Поэтому концентрация каталазы здесь, как ответная реакция на агрессивный субстрат, незначительна.

В черноземе выщелоченном мы наблюдали значительный рост инвертазной активности, соответствовавший среднему уровню (см. табл. 3). Сравниваемые слои залежи отличались активностью с доминированием в слое 5–35 см, что коррелирует с данными каталазной активности. Обращает на себя внимание существенный рост активности инвертазы в слое 5–20 см под залежью относительно агроценозов. Вероятно, обогащенный видовой состав разнотравья с учетом ризосферного эффекта положительно повлиял на формирование субстрат-ферментных комплексов в верхнем слое чернозема выщелоченного на залежном участке. Существенно меньшей активностью оценивалась инвертаза в почве под яровой пшеницей. Предполагаем, что инвертазная активность на черноземе при переходе в залежь возрастала, по-видимому, являясь следствием деятельности ризосферной микрофлоры и корневых экссудатов.

Каталазная активность темно-каштановой почвы соответствовала среднему. Между почвой под залежью и участком с сидератом рапсом статистически достоверных различий не выявлено (табл. 4).

Таблица 4

Вариант	Каталаза, см3 О 2 /1 г/1 мин	Инвертаза, мг глюкозы/1 г
1. Залежь	3,8	17,1
2. Рапс	3,6	24,9*
	t Ф < t т	t Ф > t т

Ферментативная активность темно-каштановой почвы (t т = 2,36)

Данные об инвертазной активности свидетельствуют, что в период дефицита влаги она характеризовалась максимальными значениями на участке с сидератной культурой рапсом. Данное обстоятельство, на наш взгляд, связано с отзывчивостью каштановых почв на сидерацию и незначительной корневой биомассой трав на залежном участке. Таким образом, использование рапса в качестве сидерата значительно повышает уровень инвертазной активности почв лесостепной и степной зон.

Выводы

• 1.    При смене землепользования в ряду пашня – многолетняя залежь наблюдается снижение каталазной активности дерново-подзолистой почвы. Уровень активности каталазы чернозема выщелоченного существенно превышает дерново-подзолистую почву. Сельскохозяйственное воздействие сопровождается значительным ростом каталитической активности черноземной почвы. При переходе в залежь уровень активности падает.

• 2.    Сидерация дерново-подзолистой почвы обеспечивает гидролиз углеводов на уровне, соответствующем чернозему выщелоченному. Инвертазная активность на черноземе при переходе в залежь возрастает.