Почвы Среднего Поволжья обладают большим запасом основных питательных веществ. Валовое содержание элементов питания в почвах достаточно для получения высоких урожаев даже очень требовательных к плодородию почв культур. Однако обеспеченность растений элементами питания зависит в большей мере от содержания доступных форм в почве. Поэтому одной из важнейших задач земледелия является разработка приёмов повышения доступности растениям питательных элементов.
В структуре севооборотов основное место сейчас занимают экономически выгодные культуры: озимая пшеница, ячмень, кукуруза и подсолнечник. Ежегодное возделывание этих культур приводит к ухудшению физических и биологических свойств почв, поэтому севооборот необходимо конструировать. Система земледелия должна обеспечивать не только высокую продуктивность производства растениеводческой продукции, но и экологическую безопасность. Это возможно только при совместном использовании природных и техногенных факторов. Интенсификация земледелия может осуществляется в последнее время и за счет его биологизации и экологизации [1, 4].
Одним из практически неиспользуемых резервов биологизации и экологизации земледелия в Среднем Поволжье является возделывание многолетних трав.
Главным направлением в повышении плодородия почвы за счёт многолетних трав является правильный подбор фитоценоза. Адаптивная направленность видового состава трав позволяет не только хорошо решать вопросы кормопроизводства, но и за короткий срок обеспечить восстановление и расширенное воспроизводство органического вещества в почве [7].
Одним из показателей плодородия почв является ее ферментативная активность. Изучение активности ферментов в почве является одним из ключевых вопросов на пути к решению задач повышения плодородия почв. При введении новых приемов земледелия исследование ферментов, связанных с процессами трансформации органического вещества в почве, становится особенно важным и связано с проблемой снижения содержания гумуса и его энергозапасов. Это во многом обусловлено ускоренной минерализацией органического вещества почв, приводящей к снижению уровня их потенциального плодородия, о чем неоднократно отмечалось в работах отечественных и зарубежных авторов [6].
Цель исследования – разработка эффективных приемов восстановления плодородия почв при интенсивных агрогенных нагрузках.
Задачи исследований – изучить влияние длительного возделывания многолетних трав на ферментативную активность почвы, определить оптимальный набор растений для агрофитоценоза в условиях недостаточного увлажнения Среднего Поволжья.
Материалы и методы исследований. Исследования проводились на опытных полях кафедры «Растениеводство и земледелие» в 2016-2018 гг. Опытное поле расположено на территории Самарской области. Почва опытного участка чернозем обыкновенный остаточно-карбонатный среднегумусный среднемощный тяжелосуглинистый с содержанием органического вещества 6,9%. Почва имеет реакцию среды близкую к нейтральной. Данный подтип чернозема является преобладающим на территории Самарской области.
В опытах исследования проводились по единой общепринятой методике. Агротехника включала в себя весеннее боронование трав, укос травостоя, отавы и позднеосеннее щелевание. Посевная площадь делянки 50 м².
В опыте изучались следующие варианты чистых и смешанных посевов многолетних трав:
1. кострец безостый; 2. житняк гребневидный; 3. кострец безостый + кострец прямой; 4. житняк гребневидный + пырей сизый; 5. кострец безостый + кострец прямой + эспарцет песчаный; 6. житняк гребневидный + пырей сизый + эспарцет песчаный. Для изучения динамики почвенной микрофлоры с опытного поля брались средние образцы почвы со всех вариантов в три срока: начало, середина
и конец вегетации. Образцы отбирались с глубины 0-20 см и 20-40 см. Выделение и учет численности бактерий в почве проводили методом посева почвенной болтушки на стерильные твердые питательные среды. Посев бактерий производился на мясо-пептонный агар (МПА). Активность ферментов определяли по А. Ш. Галстяну. Повторность опыта трехкратная.
Результаты исследований. Плодородие почвы во многом определяется интенсивностью и направленностью ферментативных реакций. Активность этих процессов является универсальным показателем физиологического состояния всего живого населения почвы и отражает внутренние биохимические процессы. Микроорганизмы почвы являются активными продуцентами ферментов – катализаторов белковой природы [7].
Так как все биологические процессы, связанные с превращением веществ и энергии в почве, осуществляются с помощью ферментов, играющих важную роль в мобилизации элементов питания растений, а также обуславливающих интенсивность и направленность наиболее важных биохимических процессов, связанных с синтезом и распадом гумуса, гидролизом органических соединений и окислительно-восстановительным режимом почвы, при оценке биологического состояния почв необходимо определять и её ферментативную активность [2, 5].
Ферментативную активность почвы можно использовать в качестве диагностического показателя плодородия различных почв, потому что активность ферментов отражает не только биологические свойства почвы, но и их изменения под влиянием агроэкологических факторов [4].
Анализ полифенолоксидазной активности (ПФО) показал, что наибольшая активность ПФО наблюдается в вариантах одновидовых и смешанных посевов злаковых трав, а в вариантах с эспарцетом активность ПФО была ниже (рис. 1). Если принять среднее значение по всем вариантам, то активность ПФО в верхних слоях почвы имеет значение 3,50 мг/1 г почвы, а в слое
20-40 см – 4,09 мг/1 г почвы, т.е. активность ПФО в нижнем горизонте почвы выше. В процессе изменения состава органических веществ в почве происходит увеличение активности ПФО, таким образом происходит накопление гуминовых кислот и повышение их конденсированности.
Рис. 1. Активность полифенолоксидазы, мг/пурпургаллина/1 г почвы, 2016-2018 гг.
Пероксидаза катализирует окисление органических веществ почвы (моно-, ди-, три- фенолов, аминов, некоторых гетероциклических соединений) за счет кислорода, выделяющегося при разложении перекиси водорода и других органических перекисей. Под действием кислорода перекиси при участии пероксидазы полифенолы окисляются и переходят в хиноны.
Анализ трехлетних исследований показал, что активность пероксидазы имеет различные показатели как по вариантами, так и в разных слоях почвы (рис. 2). Высокая активность ферментов отмечена в вариантах «кострец безостый + кострец прямой» и «житняк гребневидный + пырей сизый + эспарцет песчаный».
Рис. 2. Активность пероксидазы мг/пурпургаллина/1 г почвы, 2016-2018 гг.
Корреляционный анализ активности ПФО и пероксидазы показал, что за три года исследований наблюдалась положительная корреляция (0,63) между этими показателями. Особенно заметно в первый срок определения (0,83) (рис. 3).
Рис. 3. Связь полифенолоксидазной и пероксидазной активности, в среднем за три года исследований
Анализ динамики численности бактериальной микрофлоры показал, что наибольшая численность наблюдается в первый и третий срок определения. Во второй срок определения наблюдается выраженная депрессия численности бактерий, что связано с иссушением почвы
(табл. 1). За три года исследований наибольшая численность бактерий отмечается в варианте «житняк гребневидный + пырей сизый + эспарцет».
Таблица 1
Динамика численности бактерий за три года исследований, 0-40 см (млн КОЕ/1 г почвы)
|
Вариант |
2016 г. |
2017 г. |
2018 г. |
||||||
|
1 срок |
2 срок |
3 срок |
1 срок |
2 срок |
3 срок |
1 срок |
2 срок |
3 срок |
|
|
1. Кострец безостый |
0,9 |
2,0 |
1,5 |
3,0 |
2,0 |
14,9 |
0,87 |
5,2 |
1,5 |
|
2. Житняк гребневидный |
0,7 |
1,9 |
4,4 |
2,1 |
1,6 |
10,8 |
0,95 |
1,8 |
3,5 |
|
3. Кострец безостый + кострец прямой |
1,2 |
10,9 |
1,0 |
1,3 |
2,9 |
8,9 |
0,80 |
1,7 |
2,5 |
|
4. Житняк гребневидный + пырей сизый |
0,7 |
0,9 |
6,7 |
4,0 |
1,1 |
11,2 |
1,02 |
2,5 |
1,7 |
|
5. Кострец безостый + кострец прямой + |
1,0 |
2,4 |
1,0 |
5,0 |
1,9 |
13,0 |
1,20 |
3,2 |
1,4 |
|
6. Житняк гребневидный + пырей сизый + |
1,4 |
3,3 |
21,6 |
4,6 |
2,2 |
16,6 |
0,73 |
2,3 |
1,1 |
Примечание. Дисперсионный анализ полученных в опыте данных каждого года исследований с расчетами НСР05 показал, что все результаты опыта достоверны.
В процессе исследований выявлена корреляция между активностью пероксидазы и численностью бактерий. Так, в среднем за три года исследований во второй срок определения наблюдалась положительная корреляция (0,55) между двумя этими показателями (рис. 4).
Рис. 4. Связь фермента пероксидаза с численностью бактериальной микрофлоры
во второй срок определения
Таким образом, в середине вегетации трансформация органического вещества, мобилизация макро- и микроэлементов в почвах осуществляются с помощью ферментов, как находящихся в почве в адсорбированном состоянии, так и в составе бактериальной микрофлоры. В первый срок взятия проб наблюдается отрицательная корреляция (-0,39) между активностью пероксидазы и численностью бактерий, особенно в верхних горизонтах почвы (-0,64).
Накопление ферментов в почве происходит, в первую очередь, за счет внеклеточных ферментов, выделенных микроорганизмами, поступивших после отмирания растений и животных, которые находятся в иммобилизованном состоянии, то есть скомплексированы с почвенными компонентами – минеральной частью и гумусом. Таким образом, ферментный пул почвы очень богат, разнообразен и участвует на всех этапах трансформации поступающих в почву органических соединений, является важнейшим регулятором биохимического гомеостаза почвы.
Отношение активности полифенолоксидазы к активности пероксидазы является условным коэффициентом гумификации и в определенной степени может характеризовать направленность этого процесса.
Самый высокий коэффициент гумификации был отмечен в варианте «кострец безостый», самый низкий – «житняк гребневидный + пырей сизый + эспарцет песчаный». С 2016 года по
2018 год в первом варианте наблюдается спад коэффициента гумификации, в остальных вариантах отмечено повышение данного показателя (рис. 5).
Рис. 5. Коэффициент гумификации в среднем за три года исследований
Заключение. При изучении активности ПФО наблюдалась высокая активность данного фермента в слое почвы 20-40 см. Активности фермента пероксидаза имеет различные показатели по исследуемым вариантам. Высокая активность ферментов отмечена в вариантах «кострец безостый + кострец прямой» и «житняк гребневидный + пырей сизый + эспарцет песчаный». В процессе исследований выявлена корреляция между активностью пероксидазы и численностью бактерий. Самый высокий коэффициент гумификации был отмечен в варианте «кострец безостый», самый низкий – «житняк гребневидный + пырей сизый + эспарцет песчаный». С 2016 года по
2018 год в первом варианте наблюдается спад коэффициента гумификации, в остальных вариантах отмечено повышение данного показателя. Таким образом, оптимальный видовой состав вариантов: «кострец безостый», «кострец безостый + кострец прямой», «кострец безостый + кострец прямой + эспарцет песчаный». Данные исследований обработаны дисперсионным методом.
