Введение. Ферментативная активность почв отражает общую биогенность, указывает на специфику превращения азота и характер пищевого режима в почвах. Для почв черноземного ряда энзимом, обусловливающим интенсивность всей последовательности превращения азоторганических соединений, в том числе до формирования минеральных форм, является протеаза [1–3]. Активность ферментов обусловливает процессы разложения поступающих в почву растительных остатков, сосредоточение микроорганизмов и обеспечение растений доступными источниками азота, а также отвечает за азотно-белковый обмен и протекторную функцию в клетках [4]. Различные варианты обработки почвы существенно изменяют условия функционирования почвенных ферментов. Выбор оптимального способа должен соотноситься не только с выяснением благоприятных физико-химических свойств почвенной системы, но и с определением своеобразного сбалансированного интервала активности почвенной биоты, в т.ч. и активности ферментов [5, 6].
Цель исследований – оценить влияние минимальных технологий на активность протеолиза и уреазы агрочернозема и их роль в превращении азотосодержащих органических и минеральных соединений азота.
Объекты и методы. Наблюдения осуществлялись на стационарном участке ООО «ОПХ «Дары Малиновки» Сухобузимского района в Красноярской лесостепи. Объект исследований – чернозем обыкновенный среднегумусный среднемощный тяжелосуглинистый на красно-бурой глине. В структуре производственного поля были выделены участки прямоугольной формы общей площадью 1200 м2 и учетной – 600 м2. В каждом из них размещались три делянки – повторности площадью 200 м2. Объем выборочной совокупности n = 12. В течение вегетационного сезона три раза отбирались почвенные образцы из слоев 0–10, 10–20 см методом рандомизации. Изучались следующие варианты опыта: 1) отвальная вспашка (st); 2) минимальная обработка (дискование); 3) плоскорезная культивация.
Отвальную вспашку проводили плугом Gregoire Besson SPLM B9 на глубину 25–27 см, поверхностное дискование (минимальную обработку) – дискатором БДМ-Агро БДМ 6x4П и плоскорезную культивацию – культиватором «Ярославич» КБМ-10,8 ПС-4 на глубину 10–12 см. В 2017 г. участок (почвенный массив) обрабатывался по типу раннего пара, а в 2018 г. на опытном стационаре высевалась яровая пшеница сорта Новосибирская-31, в 2019 г. – ячмень сорта Ача. Агрометеорологические условия 2017–2019 гг. складывались по-разному (табл. 1).
Таблица 1
Метеорологические показатели в годы наблюдений
|
Год |
Май |
Июнь |
Июль |
Август |
Сентябрь |
Сумма показателей |
|
Средняя температура воздуха, °С |
Температура > 10 °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 |
Осадки, 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 |
Таким образом, нарастание суммы активных температур было значительно выше нормы, а количество осадков, напротив, существенно уступало средним многолетним значениям. Это указывало на аридность условий, складывающихся в годы наблюдений. 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 методикам, изложенным в [7]. Уреазная активность – колориметрическим методом с реактивом Несслера в мг N-NH4 на 1 кг почвы за сутки, протеазная активность – методом Гоффманна и Тейхера (1957), в мг аминного азота на 1 г почвы за 20 ч. Результаты статистического анализа данных проводили используя пакет программ MS Excel.
Результаты и их обсуждение. Оценку полученных данных по протеолитической активности исследуемой почвы проводили по шкале сравнительной характеристики биохимической активности [8]. Очевидно, высокий уровень гумусированности агрочерноземов Красноярской лесостепи обусловливает значительную активность биохимических процессов, связанных с метаболизмом азота. Характер внутрисезонной изменчивости протеолитической активности в течение 2017 г. на изучаемых фонах обработки почвы был идентичным (табл. 2).
Таблица 2
Активность почвенной протеазы пахотного слоя обыкновенного,
мг аминного азота / 10 г почвы за 20 ч (2017 г.)
|
Вариант |
Июль |
Сентябрь |
||
|
0–10 см |
10–20 см |
0–10 см |
10–20 см |
|
|
1. Отвальная вспашка (st) |
21,4 |
23,6 |
17,6 |
21,1 |
|
2. Минимальная обработка (дискование) |
19,2 |
16,8 |
13,5 |
17,6 |
|
3. Плоскорезная обработка (культивация) |
18,6 |
18,3 |
16,6 |
18,5 |
|
НСР05 |
Fф < Fт |
4,1 |
2,7 |
Fф < Fт |
Амплитуда колебаний показателя в слое 0–10 см почвы, обрабатываемой отвальным плугом, была существенно выше, чем на минимальных фонах. Понижение активности протеазы найдено в конце вегетационного сезона и обусловлено дефицитом легкоминерализуемых азотосодержащих органических соединений. Вероятно, глубокая обработка агрочерноземов в парующем поле формировала более мощный пахотный слой, обеспечивала лучшую аэрацию толщи в результате дробления почвенных отдельностей.
Существенно меньшая активность протеолиза наблюдается в условиях применения дисковых орудий обработки почвы. В сентябре, когда снижались температура и уровень влажности почвы (табл. 3), возрастала плотность сложения. Слой почвы 0–10 см отличался наименьшей биохимической активностью.
Таблица 3
Активность почвенной протеазы пахотного слоя чернозема
обыкновенного, мг аминного азота / 10 г почвы за 20 ч (2018 г.)
|
Вариант |
Июнь (фон) |
Июль |
Сентябрь |
|||
|
0–10 см |
10–20 см |
0–10 см |
10–20 см |
0–10 см |
10–20 см |
|
|
1. Отвальная вспашка (st) |
18,4 |
18,6 |
19,4 |
21,0 |
17,4 |
19,5 |
|
2. Минимальная обработка (дискование) |
19,0 |
19,2 |
19,1 |
19,8 |
16,1 |
15,9 |
|
3. Плоскорезная обработка (культивация) |
20,5 |
19,9 |
19,1 |
20,8 |
19,2 |
17,8 |
|
НСР05 |
Fф < Fт |
Fф < Fт |
Fф < Fт |
Fф < Fт |
2,0 |
Fф < Fт |
Под посевами яровой пшеницы, следовавшей после парового поля, протеазная активность характеризовалась равноценными значениями во всех вариантах. Поверхностная обработка почвы дисковыми орудиями определила достоверное снижение активности протеазы в слое 0–10 см к концу жизненного цикла яровой пшеницы (табл. 3). Рыхление плоскорезом на глубину 10–12 см способствовало существенному повышению ферментативной активности в слое 0–10 см. В течение последующего вегетационного сезона (табл. 4) в целом активность гидролитических процессов в почве снижалась при использовании безотвальных способов обработки.
Таблица 4
Активность почвенной протеазы пахотного слоя чернозема
обыкновенного, мг аминного азота / 10 г почвы за 20 ч (2019 г.)
|
Вариант |
Июнь (фон) |
Июль |
Сентябрь |
|||
|
0–10 см |
10–20 см |
0–10 см |
10–20 см |
0–10 см |
10–20 см |
|
|
1. Отвальная вспашка (st) |
18,8 |
19,3 |
19,4 |
23,0 |
20,0 |
20,2 |
|
2. Минимальная обработка (дискование) |
20,9 |
18,0 |
18,8 |
16,9 |
15,6 |
15,9 |
|
3. Плоскорезная обработка (культивация) |
18,3 |
16,1 |
17,3 |
16,2 |
19,5 |
19,4 |
|
НСР05 |
1,6 |
Fф < Fт |
Fф < Fт |
1,8 |
1,4 |
0,9 |
Величина протеолитической активности была максимальна на почве, обрабатываемой отвальным плугом. Оптимальные условия для осуществления гидролитических и окислительно-восстановительных протеолитических процессов складывались на фоне вспашки и плоскорезного рыхления.
Применение дискатора под посевами ячменя сопровождалось постепенным падением активности протеазы с летнего по осенний период. По мнению В.И. Кирюшина [9], снижение ферментативной активности по мере минимизации обработки почвы обусловлено сокращением поступления ферментных белков из растительных остатков и микробных клеток. Замедление данных процессов при ограничении глубины и числа обработок почвы, вероятно, связано и с уменьшением механического заражения почвы микробными клетками, которое происходит при перемешивании ее плугом, а также с обеднением свежим органическим веществом нижней части пахотного слоя. Деятельность корневой системы злаковых культур не оказывала существенного ризосферного эффекта на активность гидролиза пептидных связей белковых веществ. Сохранение стабильной протеазной активности свидетельствует о создании условий для обеспечения почвенной биоты доступными источниками азота [10].
Дальнейший этап трансформации органических соединений азота вызван влиянием уреазы, которая способствует гидролитическому распаду связи между углеродом и азотом в молекулах. Аммоний, сформированный в результате данной реакции, пополнит резервный фонд питания растений и почвенных микроорганизмов. На рассматриваемых фонах обработки агрочерноземов уровень уреазной активности соответствовал очень высокой напряженности биохимических процессов согласно шкале [10] с последующим ее снижением в сентябре до очень бедной (табл. 5).
Таблица 5
Динамика активности уреазы пахотного слоя
чернозема обыкновенного, мг мочевины / 10 г почвы за 24 ч (2017 г.)
|
Вариант |
Июль |
Сентябрь |
||
|
0–10 см |
10–20 см |
0–10 см |
10–20 см |
|
|
1. Отвальная вспашка (st) |
119 |
150 |
1,5 |
0 |
|
2. Минимальная обработка (дискование) |
92 |
84 |
0,5 |
2 |
|
3. Плоскорезная обработка (культивация) |
76 |
3 |
0,5 |
17 |
|
НСР05 |
17 |
26 |
0,6 |
5 |
В условиях отвальной обработки обнаружена максимальная активность уреазы. Это указывает на высокую обогащенность почвы варианта мочевиной. Вероятно, к концу вегетационного сезона запас этого легкодоступного субстрата исчерпывался. Сокращение механического перемешивания почвы приводило к изменениям в метаболизме азотсодержащих органических соединений, замедляя их трансформацию в почвенной толще.
В период исследований 2018 г. наибольшее замедление процесса разложения мочевины выявили в почве, обрабатываемой отвальным плугом на протяжении всей вегетации яровой пшеницы (табл. 6).
Таблица 6
Динамика активности уреазы пахотного слоя чернозема обыкновенного,
мг мочевины / 10 г почвы за 24 ч (2018 г.)
|
Вариант |
Июнь (фон) |
Июль |
Сентябрь |
|||
|
0–10 см |
10–20 см |
0–10 см |
10–20 см |
0–10 см |
10–20 см |
|
|
1. Отвальная вспашка (st) |
5 |
3 |
1 |
2 |
0 |
1 |
|
2. Минимальная обработка (дискование) |
8 |
11 |
14 |
5 |
4 |
19 |
|
3. Плоскорезная обработка (культивация) |
6 |
10 |
4 |
2 |
6 |
27 |
|
НСР05 |
Fф < Fт |
4 |
3 |
2 |
2 |
8 |
Замена отвальной вспашки дисковыми орудиями обнаружила заметное увеличение уреазной активности в слое 0–10 см в фазе цветения яровой пшеницы. Исследования [11] свидетельствуют об участии корнеопада однолетних растений и азота этой их части, доступности его микроорганизмам еще при жизни пшеницы, что объясняет максимум активности фермента в слое 10–20 см. Здесь концентрировалась существенная часть корневой системы, определяющая генезис в почве легкодоступных микроорганизмам соединений, источником которых являются корневые экссудаты. Применение плоскорезной культивации сопровождалось увеличением активности уреазы преимущественно на глубине 10–20 см. Одним из факторов, обусловливающих такое изменение, по мнению [12], является сосредоточение в слое 10–20 см почвы корневых систем растений, обогащающих его биологически активными веществами и стимулирующими развитие микрофлоры. Под посевами ячменя уреазная активность была существенно выше при внедрении плоскорезной обработки (табл. 7).
Таблица 7
Динамика активности уреазы пахотного слоя
чернозема обыкновенного, мг мочевины / 10 г почвы за 24 ч (2019 г.)
|
Вариант |
Июнь (фон) |
Июль |
Сентябрь |
|||
|
0–10 см |
10–20 см |
0–10 см |
10–20 см |
0–10 см |
10–20 см |
|
|
1. Отвальная вспашка (st) |
23 |
9 |
8 |
8 |
18 |
13 |
|
2. Минимальная обработка (дискование) |
8 |
16 |
9 |
22 |
13 |
13 |
|
3. Плоскорезная обработка (культивация) |
33 |
14 |
39 |
50 |
25 |
31 |
|
НСР05 |
9 |
Fф < Fт |
8 |
7 |
5 |
5 |
В свою очередь, применение дисковых орудий значимо ослабляло уровень гидролиза мочевины и смещало ее максимум на глубину 10–20 см. Таким образом, плоскорезный способ рыхления обусловил повышение уровня активности уреазы относительно отвальной вспашки и поверхностного дискования. Полученные закономерности согласуются с результатами [13]. Данные исследования свидетельствуют, что исключение отвального плуга влечет за собой депрессию накопления нитратного азота в почве, что связано с замедлением процессов, стимулирующих минерализацию азота.
Заключение
- Уровень протеазной активности почвы исследуемых вариантов оценивался как высокий.
- Величина протеолитической активности была максимальна на почве, обрабатываемой отвальным плугом.
- Плоскорезный способ рыхления обусловил существенное повышение уровня активности уреазы относительно отвальной вспашки и поверхностного дискования.
