Введение. Технологии минимальной и нулевой почвозащитной обработки почвы относятся к числу особых и важных способов ресурсо-энергосбережения в земледелии. Их применение обеспечивает непосредственно в технологическом процессе производства продукции защиту почв как главного природного ресурса, снижение затрат труда и топлива, снижение энергоемкости и металлоемкости производства. Уменьшение негативного влияния механического рыхления на почву – важная проблема, стоящая перед земледельцем. Почвообрабатывающие орудия, разрыхляя верхний слой почвы, в зависимости от степени интенсивности воздействия изменяют практически все ее свойства. Поэтому для научно обоснованных рекомендаций применения новых систем обработки почвы очень важно расширять их всесторонние научные исследования [1].

В настоящее время мало изученным остается вопрос о влиянии минимизации обработки почвы на параметры биологической активности. Установление закономерностей ее дисперсии в агроландшафтах при длительном применении различных систем обработки почвы – необходимая предпосылка оптимизации ее экологического состояния, обоснования рациональных технологий возделывания сельскохозяйственных культур [2–4]. Известно, что почвенные ферменты быстрее реагируют даже на несущественные флуктуации в педоценозе и отражают трансформации, происходящие в состоянии агропочв. Таким образом, диагностика почв по данным ферментативной активности в сравнении с микробиологическими показателями, к которым, например, относится численность микроорганизмов в почве, имеет значимые преимущества [5]. Особенно актуальными эти вопросы становятся в связи с экологизацией земледелия и внедрением нулевых обработок почвы, способных, по мнению ряда отечественных и зарубежных ученых, остановить потери основного органического вещества почвы – гумуса [6].

Агротехнические воздействия, изменяя свойства почвы, оказывают различное влияние на процессы проявления активности ферментов. Она неразрывно связана с теми агроэкологическими условиями, которые формируются в агроценозе в течение вегетационного сезона. Зная эти условия, можно в определенной степени влиять на уровень активности различных ферментов, а, следовательно, и на элементы почвенного плодородия [7]. Задача состоит в том, чтобы фиксировать изменения, которые происходят в ферментативном комплексе при сельскохозяйственном использовании почв для выяснения роли ферментов с разной устойчивостью и локализацией в почвенном метаболизме и в целом в экологической стабильности биогеоценозов. Активность почвенных ферментов затрагивает важнейшие периодически повторяющиеся превращения в биогеохимическом цикле углерода, азота, фосфора, серы и других органогенных элементов и окислительно-восстановительные процессы. Накопленный в литературе экспериментальный материал однозначно иллюстрирует, что ферментативная активность отражает напряженность и направленность процессов биохимических превращений, протекающих в почве [8].

Стадия ферментативного превращения углеводов в почве представляет собой важнейшее звено круговорота углерода в природе. Ферментативное превращение углеводов обеспечивает передвижение поступающего в почву в огромных количествах органического материала и накопленной в нем энергии, а также аккумуляцию его в почве в форме гумуса, так как при этом образуются предгумусовые компоненты. Фермент, представляющий наибольший интерес в общем углеводородном обмене в почве, – активность инвертазы (сахаразы), так как имеет широкое распределение сахарозы во всех биологических организмах, являющимся потенциальным источником накопления ее в почве [9, 10].

Инвертаза участвует в расщеплении дисахаридов, она играет важную роль в формировании предгумусовой фракции из разлагающейся растительной и микробной массы. Активность инвертазы свидетельствует не только об интенсивности разложения углеводов в почве, но и о начале глубоких изменений ее свойств [11]. С точки зрения адаптивно-ландшафтного земледелия важно, что инвертазная активность является одним из наиболее стабильных показателей, раскрывающим достоверные корреляционные связи с агроэкологическими факторами. Так, например, имеются сведения о снижении активности ферментов углеводного обмена при распашке целинных почв [12]. Различные попытки оптимизации агроэкологических воздействий приводят к разнохарактерным изменениям уровня их активности. В связи со сложностью интерпретации данных энзиматической активности в агроландшафтах, многофакторности, определяющей уровень и направленность их ферментного потенциала, возникает необходимость изучения вклада различных структурных элементов среды в параметры активности. Работ, посвященных исследованию обозначенной проблемы, недостаточно [13]. В условиях Красноярского региона, исследованиями ферментативной активности при агрогенном воздействии занимались [14–19]. Специфика условий почвообразования и особенности гидротермического режима вегетационных сезонов могут оказывать существенное влияние на характер динамики энзиматической активности, а, следовательно, на процессы биохимических превращений, протекающих в почве агроландшафтов. В связи с коротким периодом биологической активности, знание уровня активности фермента инвертазы позволит прогнозировать, как направленность условий для гумусообразования, так и процессов, связанных с микробиологической трансформацией органических соединений в минеральные. Таким образом, научно-исследовательская проблема – недостаток информации о том, как изменяется ферментативный пул почвы при смене и долгосрочном использовании ресурсосберегающих технологий обработки агрочерноземов. Эти сведения необходимы в связи с тем, что ферменты отражают напряженность реакций и циклов превращения элементов минерального питания.

Цель исследования – изучить динамику инвертазной активности агрочерноземов и ее зависимость от свойств почв и агроэкологических условий агроландшафта при использовании отвального и поверхностных способов обработки в условиях Красноярской лесостепи.

Задачи: оценить уровень и динамику инвертазной активности в сопряжении со свойствами агрочернозема, метеорологическими условиями на фоне разных приемов обработки; определить степень влияния исследуемых факторов на направленность процессов трансформации дисахаридов.

Объекты и методы. Полевые наблюдения проведены в СПК «Шилинское» в условиях производственного опыта в следующих вариантах: 1 – зяблевая вспашка (отвальная); 2 – поверхностное дискование; 3 – прямой посев.

Зяблевая вспашка проводилась в осенний период 2012 г. на глубину 20–22 см. Посев яровой пшеницы в 2013–2015 гг. проводился комбинированным агрегатом – стерневой сеялкой СС-6 с одновременным припосевным внесением нитроаммофоски.

Поверхностное дискование почвы реализовывали при помощи СКС-3,2. Обработка почвы проводилась дисковыми горизонтальными сошниками посевного комплекса на глубину 4–5 см.

Делянки, где применялся прямой посев, обрабатывали баковой смесью из гербицидов «Топик» и «Ковбой», фунгицида «Альто Супер» и инсектицида «Карате». Использовали комбинированный агрегат СС-6 без предварительной подготовки почвы с механическим высевом семян.

Влияние ресурсосберегающих способов обработки почвы на продуктивность зерновых культур проводилось в течение семи-восьми лет.

Объект исследований – чернозем выщелоченный среденегумусный среднемощный сильносмытый легкоглинистый на красно-бурой глине, который характеризовался средним содержанием гумуса (5,9 %), нейтральной реакцией (рН_Н2О = 6,8), высокой суммой поглощенных оснований (от 60 до 62 ммоль/100 г почвы). В производственных посевах отбирали почвенные пробы из слоев 0–5 и 5–20 см методом змейки в сроки, приуроченные к фазам онтогенеза полевых культур. Число учетных единиц в пределах делянки – 15 индивидуальных почвенных проб.

Согласно регламенту всемирной метеорологической организации (ВМО), климатическую норму учитывали за 30-летний период (1981–2010 гг.). Динамика метеорологических показателей, сформировавшихся на территории стационара, представлена в таблице 1.

Таблица 1

Основные метеорологические показатели вегетационных сезонов

The main meteorological indicators of the growing seasons

Отличительными особенностями периода активной вегетации в 2013 г. были следующие. Температура воздуха оценивалась в среднем ниже нормы. Количество осадков превышало средние многолетние значения. Сезон 2014 г. выделялся большим накоплением тепла и соответствовал норме. Количество осадков неоднородно распределялось по сезону. На протяжении большинства месяцев теплого периода 2014 г. увлажнение было несколько выше нормы, но ниже, чем в предыдущий сезон. Погодные условия вегетационного периода 2015 г. в целом были более благоприятными для продукционного процесса сельскохозяйственных культур. Фиксировалось значимое превышение среднемесячных температур относительно нормы. Количество выпавших осадков соответствовало средним многолетним значениям, за исключением июня, когда их значения были меньше нормы.

Химические и физико-химические показатели получены общепринятыми методами. В подготовленных образцах определяли органический углерод по Тюрину (С_орг), подвижные гумусовые вещества экстрагировали последовательной обработкой навески почвы (5 г) дистиллированной водой в соотношении 1 : 5 и 0.1 н NaOH в соотношении 1 : 20. Содержание углерода водорастворимого органического вещества (С_H2O) определяли по Тюрину, щелочнорастворимого углерода (С_0.1NaOH) – по И.В. Тюрину в модификации В.В. Пономаревой, Т.А. Плотниковой [20], углерод микробной биомассы устанавливали путем пересчета скорости субстрат-индуцированного дыхания по формуле: C_мб (мкг С/г) = (мкл СО₂/г почвы/час) · 40,04 + 0,37 [21], структурный состав и содержание агрономически ценных фракций (АЦФ) почвы учитывали при естественной влажности по методу Н.И. Саввинова, плотность сложения (d_V) – буровым методом по Н.А. Качинскому [22]. Инвертазную активность почвы определяли по А.Ш. Галстяну [23].

Статистический анализ данных проводили с использованием пакета программ MS Excel: для оценки зависимости между количественными показателями использовали критерий корреляции Пирсона; для сравнения средних по вариантам обработки почвы применяли t-тест на уровне значимости p < 0,05. Множественные уравнения регрессии получены с учетом предварительного отбора (отсеивания) факторов для включения их в математическую модель. Исходили из правила о невозможности включать в модель факторы, тесно связанные друг с другом. Значения β-коэффициента показывали степень и направленность влияния вариации фактора x_i на вариацию результативного признака у, при отвлечении от сопутствующей вариации других факторов, входящих в уравнение, показатель β² – долю влияния каждого фактора в отдельности на вариацию у (динамику активности инвертазы).

Результаты и их обсуждение. Многие десятилетия исследователей волнует проблема изменчивости и динамичности почвы. При организации исследований и интерпретации результатов возникает необходимость учета изменчивости почвенных свойств и почвы в целом. Оценивая статистические параметры динамики инвертазной активности в вариантах опыта при использовании отвальной вспашки в сезоне 2013 года, выделим наиболее важные и интересные моменты (табл. 2).

Таблица 2

Статистические параметры активности и динамики инвертазы, t₀₅ = 2,0 (2013 г.)

Statistical parameters of invertase activity and dynamics, t₀₅ = 2,0 (2013)

Здесь и далее: жирным шрифтом выделены достоверные различия.

Максимальная активность инвертазы была зафиксирована в мае, как в слое 0–5 так и 5–20 см. В период уборки, в начале октября, происходило существенное снижение биохимического потенциала разложения углеводов. Существенной информацией здесь является различия в уровне варьирования по месяцам. В начале вегетационного сезона степень изменчивости была средней в обоих исследуемых слоях (12–15 %). В июле, и далее, к октябрю, колеблемость значений существенно возрастала до значений 35–48 %. На наш взгляд, значимая вариация в летне-осенний периоды могла быть связана с возможным варьированием поступающего органического вещества в составе корневых систем яровой пшеницы. Эти предположения подтверждаются данными корреляционного анализа (рис. 1).

Рис. 1. Зависимость активности инвертазы и содержания водорастворимого органического

вещества в условиях отвальной вспашки в слое 0–5 см, n = 45 (2013 г.)

Dependence of invertase activity and the content of water-soluble organic matter under conditions of dump plowing in a layer of 0–5 cm, n = 45 (2013)

Выраженная в нашем опыте повышенная пестрота инвертазной активности агрочернозема является предметом дальнейшего изучения и может быть использована при поиске других зависимостей. При анализе вариабельности значений активности инвертазы в условиях минимальной обработки пик варьирования приходился на начало лета, а к осени происходило существенное снижение. Напротив, уровень биохимических процессов, гидролизующих углеводы, к осени повышался на статистически значимую величину. Зависимость активности инвертазы от подвижного водорастворимого органического вещества была менее существенна, чем при отвальной вспашке (рис. 2).

Далее обратимся к анализу сезонного ритма активности инвертазы в сезоне 2014 г. (табл. 3).

Рис. 2. Зависимость активности инвертазы и содержания водорастворимого

органического вещества в условиях минимальной обработки в слое 0–5 см, n = 45 (2013 г.)

Dependence of invertase activity and the content of water-soluble organic matter

under conditions of dump plowing in a layer of 0–5 cm, n = 45 (2013)

Таблица 3

Статические параметры активности и динамики инвертазы, t₀₅ = 2,0 (2014 г.)

Statistical parameters of invertase activity and dynamics, t₀₅ = 2,0 (2014)

Так же, как и годом ранее, в первый период наблюдений, на отвальной вспашке в слое 0–5 см динамика была более выраженной, чем в последующие периоды: от первого ко второму сроку наблюдений происходил достоверный спад активности. В сравнении с июньским сроком прошлого года, инвертазная активность возрастала.

В условиях применения минимальной обработки выявлена очень слабая инвертазная активность в июне. Далее, к середине лета и осени, биохимическая активность возрастала, хотя и соответствовала слабому уровню. Все изменения динамики активности были статистически значимы. Интересно отметить, что при отказе от механического перемешивания почвы (прямой посев), в сравнении с минимальной, в слое 0–5 и 5–20 см происходило существенное увеличение активности инвертазы. Особенно значимо это было выражено для сентябрьского периода наблюдений. По уровню варьирования, вариант с прямым посевом, также отличался более низкими значениями вариации в сравнении с почвой, обрабатываемой минимально.

В 2015 г. наименьшей колеблемостью инвертазной активности характеризовалась почва, обрабатываемая отвальным плугом. По-видимому, здесь формировались однородные условия для проявления гидролиза углеводов в течение всего периода вегетации яровой пшеницы. При применении минимальной технологии динамические изменения были выражены сильнее в слое 5–20 см с максимумом в июле, так же, как и в слое 0–5 см. Это свидетельствовало о зависимости активности инвертазы от температурного фактора, в сравнении с двумя другими сравниваемыми вариантами. Использование нулевой технологии вызывало максимальную изменчивость динамики инвертазной активности. Причем нарастание активности наблюдалось к осеннему периоду (табл. 4).

Таблица 4

Статические параметры активности и динамики инвертазы, t₀₅ = 2,0 (2015 г.)

Statistical parameters of invertase activity and dynamics, t₀₅ = 2,0 (2015)

Таким образом, обобщая обсуждаемые параметры динамики инвертазной активности, можно выделить следующие факты. В сезоне 2013 г. в целом уровень инвертазной активности был выше, чем в 2014 г., а в 2015 г. активность была существенно выше предыдущего периода вегетации. За обсуждаемые годы исследований уровень активности инвертазы во всех вариантах опыта оценивался как «бедный» вследствие укороченного периода с оптимальными условиями для жизнедеятельности микроорганизмов. Полученные нами данные согласуются с результатами длительных экспериментов [24]. По данным авторов, процессы разложения растительных остатков и образование гумусовых веществ в почвах Красноярской лесостепи протекают в течение короткого времени, и этот период приходится на июль-август. Кроме того, одним из факторов, обусловившим слабую инвертазную активность являлся химический состав растительного материала зерновых культур, поступавшего в почву в период исследований. Широкое отношение C : N и преобладание в составе растительных тканей трудногидролизуемых компонентов: целлюлозы, лигнина, фенольных соединений сопровождается депрессией активности протекающих биологических процессов в почве. Как следствие – дефицит дисахаридов, как субстрата для проявления активности инвертазы.

Выявленные различия динамики инвертазной активности являются результатом влияния комплекса факторов – гидротермических, химических и агрофизических свойств исследуемой почвы. Именно поэтому системный анализ ферментативной активности, то есть в связи с другими компонентами и свойствами почвы, а также теми метеорологическими факторами, которые участвовали в формировании данной почвы, дает возможность вскрывать и понимать механизмы создания определенного ферментативного уровня почвы, осуществления ферментативных процессов. Матрицы парных коэффициентов корреляции позволили установить зависимости между изученными в данной работе переменными (факторами) в слоях 0–5 (табл. 5) и 5–20 см (табл. 6).

Таблица 5

Матрица парных коэффициентов корреляции в агрочерноземе между динамикой

инвертазной активности, свойствами почв и гидротермическими условиями (0–5 см), n = 45

Matrix of paired correlation coefficients in agrochernozem between the dynamics

of invertase activity, soil properties and hydrothermal conditions (0–5 cm), n = 45

Примечание: Т – температура, °С; W – осадки, мм; жирным шрифтом выделены достоверные зависимости.

Таблица 6

Матрица парных коэффициентов корреляции в агрочерноземе между динамикой

инвертазной активности, свойствами почв и гидротермическими условиями (5–20 см), n = 45

Matrix of paired correlation coefficients in agrochernozem between the dynamics

of invertase activity, soil properties and hydrothermal conditions (5–20 cm), n = 45