п.г.т. Усть-Кинельский, Самарская область, Россия
Самарская область, Россия
ГРНТИ 68.35 Растениеводство
ОКСО 35.02.05 Агрономия
Цель исследований – повышение продуктивности ярового ячменя путем применения различных способов обработки почвы, влияющих на её ферментативную активность, в условиях недостаточного увлажнения Среднего Заволжья. Рассматриваются возможности минимализации обработки почвы под ячмень в условиях лесостепи Среднего Заволжья Самарской области. Исследования проводились в двух севооборотах на опытных полях кафедры «Земледелие, почвоведение, агрохимия и земельный кадастр» Самарской ГСХА в 2005-2008 гг. Изучались следующие варианты основной обработки почвы: вспашка на глубину 20-22 см; рыхление на 10-12 см; нулевая обработка. С опытного поля со всех вариантов обработки почвы в трехкратной повторности брались средние образцы почвы в два срока: в фа-зу всходов и после уборки культуры. Образцы отбирались с различной глубины: 0-5 см, 5-10 см, 10-20 см и 20-30 см, измельчались и просеивались через металлическое сито. Почвенно-экологический мониторинг нацелен на отслеживание изменений, происходящих в почве под воздействием различных антропогенных нагрузок. Выявлена зависимость общей биогенности почвы от гидротермического коэффици-ента (ГТК). Установлено, что в год с низким ГТК микробиота была активней по фону чистого пара, а также в год с более высоким ГТК по фону сидерального пара. Для характеристики общей ферментативной активности почвы изучались наиболее распространенные ферменты, свойственные подавляющему большинству почвенной микрофлоры – каталаза, инвертаза, уреаза. Существенного влияния способов основной обработки на активность фермента каталаза и инвертаза не выявлено, но на распределение уреазы по слоям почвы выявлено: так при снижении механической нагрузки наблюдалось увеличение активности фермента в верхнем слое почвы 0-10 см и снижение его активности с увеличением глубины. Использование сидерального пара в севообороте способствовало увеличению численности почвенных микроорганизмов и активности почвенных ферментов.
почва, обработка, активность, каталаза, уреаза, инвертаза, основная, ферментативная
Повышение устойчивости земледелия неизбежно связано с решением трёх кардинальных проблем. Во-первых – это поддержание почвенного плодородия; во-вторых – нарастание результативности питания растений и; в-третьих – защита окружающей среды. В почвообразовательном процессе микроорганизмы, участвующие в круговороте биогенных веществ и самоочищения почвы, имеют важнейшее значение. Взаимодействие растения с микроорганизмами приводит к питанию растений и продуктивности агрофитоценоза. Таким образом, для поддержания и воспроизводства плодородия необходим динамический контроль за состоянием почвенной микрофлоры [1, 2]. Ферменты, которые выделяются микроорганизмами, принимают участие в разрушении различного вида остатков (растительных, животных, микробных), а также в повышении почвенного плодородия. В результате всех преобразований, с участием ферментов трудно усвояемые соединения переходят в легко растворимые формы для растений и микроорганизмов. Ферменты по своей природе очень активны, обладают строгим характером действия, они сильно зависимы от различных условий внешней среды. Именно условия внешней среды влияют на их активность в почве.
Активность ферментов все чаще используют для определения такого показателя как плодородие на различных видах почв, вследствие этого активность ферментов отображает биологические свойства, а также изменения, которые происходят под влиянием агроэкологических причин [2, 3, 5].
В данной работе описываются способы минимизации обработки почвы под ячмень в условиях недостаточного увлажнения лесостепи Среднего Заволжья Самарской области.
Цель исследований – повышение продуктивности ярового ячменя путём применения различных способов обработки почвы, влияющих на её ферментативную активность, в условиях недостаточного увлажнения Среднего Заволжья.
Задачи исследований – определить ферментативную активность чернозёма обыкновенного в зависимости от систем возделывания; изучить динамику численности основных групп почвенных микроорганизмов в зависимости от условий увлажнения; изучить влияние минимализации основной обработки почвы на динамику активности различных почвенных ферментов: каталаза, уреаза, инвертаза.
Материалы и методы исследований. Опытное поле расположено на территории Самарской области. Рельеф поля выровненный, насаждения окружающей территории лесом составляют 8-10%. Почва, относится к типичным тяжелосуглинистым черноземам. Данный подтип почвы является преобладающим в лесостепи Среднего Поволжья. Почва имеет реакцию среды близкую к нейтральной (рН равен 6-7), среднее содержание гумуса 6-7%.
Исследования проводились на опытных полях кафедры «Земледелие, почвоведение, агрохимия и земельный кадастр» Самарской ГСХА в 2005-2008 гг. в двух зернопаровых севооборотах, различающихся только видом пара. В первом севообороте чистый пар, во втором – сидеральный (горчица) пар. Исследования проводились над культурой, завершающей севообороты – ячмень. Севооборот: пар (чистый и сидеральный) – озимая пшеница – соя – яровая пшеница – ячмень.
На опытном поле высевали ячмень сорта Поволжский 65 (1 репродукция). Повторность опыта трехкратная, размер одной опытной делянки
В опыте изучались следующие варианты основной обработки почвы:
1) Вспашка на глубину обработки 20-22 см.
2) Минимальная обработка, включающая лущение на 6-8 см и рыхление на 10-12 см.
3) Нулевая обработка: осенняя обработка почвы не проводилась.
Для изучения почвенной микрофлоры с опытного поля брались средние образцы почвы во всех вариантах обработки почвы в трехкратной повторности в два срока: в фазу всходов и после уборки культуры. Образцы отбирались с различной глубины: 0-5 см, 5-10 см, 10-20 см и 20-30 см, измельчались и просеивались через металлическое сито, размер отверстий составлял 2 мм.
Определение общей численности микроорганизмов в почве и соотношение основных групп проводилось методом микробиологического посева почвенной болтушки на твердые питательные среды. Среды перед посевом стерилизовали в автоклаве. Посев бактерий производился на мясо-пептонный агар (МПА), актиномицеты – на крахмало-аммиачный агар (КАА), микромицеты – на среду Чапека.
Активность фермента каталаза определяли титриметрическим способом Р. С. Канцельсона и В. В. Ершова. Активность фермента уреаза определяли методом И. Н. Ромейко и С. М. Малинской. Активность фермента инвертаза определяли методом А. Ш. Галстяна.
Результаты исследований. Для хорошего знания экологического земледелия требуется высокая биологической активности почвы. После попадания органики в почву происходит ее разложение с помощью почвенных микроорганизмов. Микробиологическая активность почвы зависима от влияния различных факторов. К этим факторам относятся содержание органических веществ, показатель кислотности, физические свойства почвы, течение вегетации культуры. В процессе проведения обработки почвы можно повлиять на многие факторы, кроме погодных условий. В связи с этим, освоение новых агротехнических приемов тесно связанно с биологизацией земледелия [4, 6]. Ферментативная активность почвы является наиболее стабильным, но в то же время восприимчивым, показателем при оценке плодородия почв.
Выявлена зависимость общей биогенности почвы от гидротермического коэффициента (ГТК). Так, в 2005 г. ГТК был равен 0,55 (при среднем многолетнем значении 0,8). В 2007 г. ГТК составил 1,0, в 2008 – 0,9 (рис. 1).
Рис. 1. Общая биогенность почвы (микромицеты, бактерии, актиномицеты)
в севообороте с чистым и сидеральным паром, млн КОЕ / 1 г а.с. почвы
Установлено, что в год с низким ГТК микробиота была активней по фону чистого пара, а также в год с более высоким ГТК по фону сидерального пара. Как в севообороте с чистым, так и с сидеральным паром, наиболее благоприятные условия для микроорганизмов сложились в варианте со вспашкой и «нулевой» обработкой.
Основная численность микроорганизмов находится в верхнем слое почвы (0-20 см) за счет растительных остатков в виде появления большого количества отмерших придаточных корней, опавших листьев, служащих питанием для них.
Ферментативная активность почвы является очень важным и ощутимым биологическим показателем. С помощью ферментов происходит ускорение реакций, которые легко изменяют свою деятельность под действием внешних физических и химических процессов. На экологическое состояние почвы влияет изменение ферментативной активности. Ферменты служат индикатором. В результате их деятельности даже минимальные изменения приводят к переменам численности почвенных микроорганизмов, которые являются основными поставщиками ферментов в почву. При воздействии антропогенного влияния на почву следует учесть, что ферменты – это не стабильный показатель от естественных природных факторов. Одним из наиболее восприимчивым ферментов к изменению условий в почве является фермент каталаза, который относится к классу оксидоредуктаз.
Каталаза – фермент, который наиболее распространен. Он принадлежит, за редким исключением, всем живым организмам. У некоторых бактерий количество каталазы составляет около 1% сухого вещества клетки.
Под действием фермента каталазы происходит разложение перекиси водорода, которая является высотоксичной для всех живых организмов. Перекись, в свою очередь, разлагается на воду и свободный кислород. Большое влияние на активность каталазы оказывают растения, которые произрастают в почве. Растения, которые имеют глубокую и мощную корневую систему, обладают высокой каталазной активностью.
Исследованиями установлено (табл. 1, 2), что активность каталазы вниз по профилю мало изменяется и находится в пределах 34,48-43,62 мкМоль Н2О2 /мин на 1 г а.с. почвы. В севообороте с сидеральным паром максимальная активность была отмечена в варианте с «нулевой» обработкой и составила 40,37 мкМоль Н2О2 /мин на 1 г а.с. почвы.
При сравнительном анализе двух видов пара активность каталазы была несколько выше в севообороте с сидеральным паром (на 3,3%). Существенного влияния способов основной обработки на активность этого фермента не выявлено.
Таблица 1
Активность ферментов в посевах ячменя по фону чистого пара
|
Обработка почвы |
Глубина, см |
Каталаза, мкМоль Н2О2 /мин на 1 г а.с. почвы |
Уреаза, мкМоль NH4+ /мин на 1 г а.с. почвы |
Инвертаза, мкМоль глюкозы/мин на 1 г а.с. почвы |
|
Вспашка |
0-5 |
38,74 |
0,154 |
5,11 |
|
5-10 |
38,85 |
0,164 |
4,80 |
|
|
10-20 |
39,98 |
0089 |
4,39 |
|
|
20-30 |
35,36 |
0,087 |
5,15 |
|
|
0-30 |
38,23 |
0,123 |
4,86 |
|
|
Рыхление |
0-5 |
35,98 |
0,103 |
4,98 |
|
5-10 |
36,66 |
0,078 |
4,91 |
|
|
10-20 |
40,14 |
0,064 |
4,33 |
|
|
20-30 |
35,15 |
0,072 |
5,26 |
|
|
0-30 |
36,98 |
0,079 |
4,87 |
|
|
«Нулевая» |
0-5 |
36,90 |
0,144 |
5,20 |
|
5-10 |
39,94 |
0,058 |
4,97 |
|
|
10-20 |
37,90 |
0,052 |
4,43 |
|
|
20-30 |
35,69 |
0,044 |
4,46 |
|
|
0-30 |
37,61 |
0,074 |
4,77 |
Таблица 2
Активность ферментов в посевах ячменя по фону сидерального пара
|
Обработка почвы |
Глубина, см |
Каталаза, мкМоль Н2О2 /мин на 1 г а.с. почвы |
Уреаза, мкМоль NH4+ /мин на 1 г а.с. почвы |
Инвертаза, мкМоль глюкозы/мин на 1 г а.с. почвы |
|
Вспашка |
0-5 |
35,93 |
0,145 |
4,77 |
|
5-10 |
39,52 |
0,102 |
4,85 |
|
|
10-20 |
37,30 |
0,082 |
4,64 |
|
|
20-30 |
39,18 |
0,060 |
4,59 |
|
|
0-30 |
37,98 |
0,097 |
4,71 |
|
|
Рыхление |
0-5 |
39,23 |
0,131 |
5,27 |
|
5-10 |
40,76 |
0,041 |
4,64 |
|
|
10-20 |
34,48 |
0,029 |
5,85 |
|
|
20-30 |
38,58 |
0,098 |
4,47 |
|
|
0-30 |
38,26 |
0,074 |
5,06 |
|
|
«Нулевая» |
0-5 |
42,49 |
0,211 |
5,60 |
|
5-10 |
43,62 |
0,137 |
4,54 |
|
|
10-20 |
39,64 |
0,076 |
5,22 |
|
|
20-30 |
35,75 |
0,068 |
4,97 |
|
|
0-30 |
40,37 |
0,123 |
5,09 |
Инвертаза — фермент, который принимает участие в расщеплении сахарозы. Полученные в результате данной реакции фруктоза и глюкоза называется инвертным сахаром [8]. Инвертаза относится к группе гидролаз.
В органическом веществе почвы достаточно большое количество углеводов – более 60% биомассы всех растительных остатков. Углеводы входят в состав микробной клетки, в состав растительных остатков. Гидролиз происходит только при наличии свободного аммиачного азота. Фермент способен к преобразованию углеводов растительных остатков, также обладает иммобилизирующей способностью микробиоценоза почвы [7]. Исследования ряда авторов указывают на то, что активность инвертазы лучше других ферментов показывает уровень почвенного плодородия и биологической активности почв.
В севообороте с чистым паром (табл. 1) отмечается несколько более высокая активность инвертазы в варианте со вспашкой и рыхлением, а в севообороте с сидеральным паром (табл. 2.) – в варианте с рыхлением и «нулевой» обработкой. При сравнительном анализе двух видов пара активность инвертазы в севообороте с сидеральным паром была незначительно выше.
Уреаза – гидролитический фермент, в присутствии которого происходит расщепление мочевины на аммиак и диоксид углерода. Уреаза относится к классу амидаз. Так как мочевина очень часто используется в агрономии в качестве удобрения, то это следует учитывать. Активность уреазы выше у наиболее плодородных почв [1].
При размещении уреазы по слоям (табл. 1, 2) отмечается, что наибольшая активность сосредоточена в верхних слоях почвы (0-10 см). Наибольшая активность в севообороте с чистым паром отмечена в варианте со вспашкой, в севообороте с сидеральным паром – в варианте с «нулевой» обработкой, составила 0,123 мкМоль NH4+ /мин на 1 г а.с. почвы. В севообороте с сидеральнм паром сложились наиболее благоприятные условия, чем по чистому пару на 6,5 %.
Заключение. Экологическое наблюдение в почве ориентировано на отслеживание изменений, которые происходят в почвах под воздействием различных антропогенных нагрузок. Выявлена зависимость общей биогенности почвы от гидротермического коэффициента (ГТК). Установлено, что в год с низким ГТК микробиота была активней по фону чистого пара, в год с более высоким ГТК по фону сидерального пара. Наиболее благоприятные условия для микроорганизмов сложились в варианте со вспашкой и «нулевой» обработкой по фону чистого и сидерального паров.
Способность почвы к выполнению защитных свойств продиктована содержанием большого количества и разнообразия микроорганизмов благодаря ферментам, с помощью которых происходит биотрансформация вещества. Для характеристики общей ферментативной активности почвы изучались наиболее известные ферменты – инвертаза, каталаза, уреаза. Существенного влияния способов основной обработки на активность ферментов каталаза и инвертаза не было выявлено, но повлияло на размещение уреазы послойно. После снижения механической нагрузки наблюдалось увеличение активности фермента в верхнем аэрированном слое почвы 0-
1. Горянин, О. И. Ферментативная активность чернозёмов при разных технологических системах обра-ботки почвы и посева в степном Заволжье / О. И. Горянин // Известия Оренбургского ГАУ. - 2017. - №4. - С. 196-199.
2. Даденко, Е. В. Методические аспекты применения ферментативной активности в диагностике и мони-торинге почв // Биология почв Юга России. - Ростов-на-Дону : Изд-во ЦВВР, 2004. - С. 65-71.
3. Даденко, Е. В. Оценка применимости показателей ферментативной активности в биодиагностике и мо-ниторинге почв / Е. В. Даденко, Т. В. Денисова, К. Ш. Казеев, С. И. Колесников // Поволжский экологический журнал. - 2013. - №4. - С. 385-393.
4. Дуйсен, А. Д. Влияние на динамику накопления абсолютно сухой массы пшеницы в зависимости от об-работок семян и фона питания / А. Д. Дуйсен, Б. К. Байжанова, Б. Ж. Сактаганов [и др.] // Молодой ученый. - 2017. - №12.1. - С. 3-5.
5. Коваленко, М. В. Влияние способов основной обработки почвы на ее ферментативную активность / М. В. Коваленко, Г. К. Марковская // Вестник Казанского ГАУ. - 2013. - № 1 (27). - С.108-111.
6. Наумов, В. Д. Активность микроорганизмов в зависимости от системы содержания почвы в орошаемом саду / В. Д. Наумов, Ф. Н. Рыкалин // Известия Самарской ГСХА. - 2010. - №4. - С. 72-78.
7. Селявкин, С. Н. Оценка биологического состояния почвы по микробиологической и ферментативной активности / С. Н. Селявкин, О. Б. Мараева, А. Л. Лукин // Вестник Воронежского государственного аграрно-го университета. - 2015. - № 2 (45). - С.36-39.
8. Schiweck, Hubert «Sugar» in Ullmann’s / Hubert Schiweck, Margaret Clarke, Günter Pollach // Encyclopedia of Industrial Chemistry. - Weinheim : Wiley-VCH, 2007.
