CC BY
22
СВОЙСТВА ПОЧВ И ИХ ПЛОДОРОДИЕ
УДК 631.46;631.445.55
НЕКОТОРЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ БИОЛОГИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ БУРЫХ ЛЕСНЫХ КИСЛЫХ ПОЧВ ЧАЙНОЙ ПЛАНТАЦИИ СУБТРОПИКОВ РОССИИ
Д.В. Струкова, Л.С. Малюкова, к.б.н.
ВНИИ цветоводства и субтропических культур Россельхозакадемии, e-mail: [email protected]
Изучена активность ферментов уреазы, каталазы и фосфатазы, а также активность разложения целлюлозы в почвах чайной плантации на фоне минеральных удобрений. Выявлена сезонная динамика показателей биологической активности бурых лесных кислых почв. Установлено, что внесение минеральных удобрений существенно снижало активность ферментов каталазы и фосфатазы, ингибирующий эффект оказывали дозы азотных удобрений выше 200 кг д.в./га. При внесении N200P60K50 активность уреазы снижалась в слое почвы 0-5 см и увеличивалась на глубине 5-40 см.
Ключевые слова: бурые лесные кислые почвы, чайная плантация, ферментативная активность почв, применение минеральных удобрений.
SOME INDICATORS OF BIOLOGICAL ACTIVITY IN ACID BROWN FOREST SOILS OF TEA PLANTATION OF RUSSIAN SUBTROPICS
D.V. Strukova, L.S. Malyukova
There has been studied the activity offerments of urease, catalase and phosphatase and cellulose' decomposition in soil of tea plantation under the influence of mineral fertilizers. There has been established the seasonal dynamic of biological activity' indicators of acid brown forest soil. It was found that application of mineral fertilizers decreased significantly the activity of catalase' and phosphatase' ferments. Doses of nitrogen fertilizer above 200 kg per hectare had the decreasing effect. When applying N200P60K50 urease' activity decreased in the soil layer of 0-5 cm and increased at the depth of 5-40 cm.
Keywords: acid brown forest soils, tea plantation, soil ferment activity, application of mineral fertilizers.
Возделывание культуры чая в условиях влажных субтропиков России связано с длительным применением минеральных удобрений, что приводит к существенному изменению комплекса свойств почв, в том числе биологических [1]. При этом, микробное сообщество - наиболее чувствительный биологический компонент агроэко-систем, в отличие от комплекса традиционных физико-химических свойств почв, которые не всегда точно отражают их состояние [2]. Кроме того, биологическая активность почв характеризует масштабы и направленность процессов трансформации веществ и энергии, которые по своей природе являются ферментативными. Именно ферменты, как показали многочисленные исследования, служат надежным индикатором нарушения состояния почв, снижения ее биологической активности [3, 4]. В связи с этим изучению ферментативной активности различных типов почв, особенностям влияния минеральных удобрений на этот показатель посвящено значительное количество работ [3, 5-7]. При этом ферментативная активность почв чайных плантаций субтропиков России изучена недостаточно. В связи с этим цель данных исследований - изучение показателей биологической активности бурых лесных кислых почв чайных плантаций при применении удобрений.
Исследования проводили на базе длительного полевого многофакторного опыта, включенного в реестр Географической сети опытов с удобрениями и другими агрохимическими средствами. Опыт заложен в 1986 г. на чайной плантации сорта Колхида, расположенной в районе Большого Сочи, почва бурая лесная кислая на элю-во-делювии аргиллитов. Опыт содержит 16 вариантов
различных сочетаний и доз минеральных удобрений в двукратной повторности. Изучали 3 фактора: азотные, фосфорные и калийные удобрения в четырех градациях (0, 1, 2, 3 единичных доз). Единичные дозы удобрений в 1986-2008 гг. составляли по фосфору - 60 кг д.в./га, по калию - 50 кг д.в./га, по азоту: в 1986-1988 гг. - 70 кг д.в./га; в 1989-1992 гг. - 90 кг д.в./га; в 1993-1999 гг. -120 кг д.в./га; в 2000-2008 гг. - 200 кг д.в./га. Размер опытных делянок - 50 м2. Удобрения по схеме опыта вносили согласно зональным методическим указаниям: 60% азотных и 100% фосфорных и калийных удобрений в марте-апреле, 40% азотных - в июне, в виде подкормки. Для сравнительной оценки ферментативной активности бурых лесных кислых почв в осенний период были заложены почвенные разрезы на чайной плантации на вариантах М0Р0К0, М200Р60К50 и фоновом участке (буко-во-грабовый лес). Образцы почв отбирали по почвенным горизонтам - смешанные по стенке разреза. Определение агрохимических показателей проводили общепринятыми методами. Исследуемая бурая лесная почва естественного ценоза (буково-грабовый лес) характеризовалась сильнокислой реакцией солевой вытяжки (рНКС1 3,9-4,2), низким содержанием гумуса (2,7-3,7%), низкой обеспеченностью легкогидролизуемым азотом (50-70 мг/кг) и подвижным фосфором (50-60 мг/кг), и средней обеспеченностью подвижным калием (200-300 мг/кг). При возделывании культуры чая с применением ^00Р60К50 свойства почвы плантации менялись: рН уменьшилась до 3,5-3,8; увеличилось содержание фосфора (400-500 мг/кг) и калия (350-450 мг/кг).
На вариантах опыта NoPoKo, N2ooP6oK5o, N20^60^50, N4ooPl2oK1oo, N6ooPl8oK15o, Nз6oP6oK5o в ранневесенний период из почвенного слоя 0-7 см отбирали образцы почв в пятикратной повторности. Сезонная динамика активности ферментов и активность разложения целлюлозы были изучены на контрастных вариантах (N^^0, N2ooP6oK5o, N6ooPl8oKl5o) и фоновом участке.
Определение ферментативной активности проводилось в свежих образцах общепринятыми методами: ка-талазы - объемным газометрическим методом; фосфата-зы - колориметрически с фенолфталеинфосфатом натрия, уреазы - колориметрически с реактивом Несслера. Активность разложения целлюлозы определяли аппликационным методом. Обработку экспериментальных данных проводили в программе Statistica 6.0.
Для культуры чая особое значение приобретают вопросы азотного баланса почвы и азотного питания растений, поскольку применение минеральных удобрений, в первую очередь азотных, играет ведущую роль в агротехнике культуры и формировании ее урожая. Из ферментов азотного обмена уреаза (карбамид-амидогидролаза) изучена лучше других. Она обнаруживается во всех почвах и, по-видимому, служит существенным фактором азотного обмена, поскольку ее активность коррелирует с активностью всех ведущих ферментов азотного метаболизма [4]. Активность фермента уреазы используют для характеристики азотного режима почвы и она служит показателем ее потенциальной способности к минерализации азотсодержащих органических соединений (аммонификации). Уреазная активность в различных почвах неодинакова в зависимости от содержания гумуса, степени окультуренности и характера растительности [4].
Установлено, что в бурой лесной почве чайной плантации (Н0Р0К0) и лесного ценоза активность уреазы в верхнем слое была высокой, снижалась вниз по профилю до 60 см, а с глубины 80 см практически не обнаруживалась (рис. 1). В целом активность фермента по профилю исследуемой лесной почвы значительно ниже, чем
Рис. 1. Активность уреазы в бурых лесных кислых почвах фонового участка и чайной плантации, мг N43/10 г почвы за сутки (отбор 16.11.08)
в почве чайной плантации, несмотря на высокие значения активности уреазы в верхнем горизонте А0А1 (0-6 см). Применение минеральных удобрений №00Р60К50) на чайной плантации заметно меняло характер распределения активности уреазы по профилю почвы. А именно, в зоне непосредственного внесения минеральных удобрений (0-5 см) происходило снижение потенциальной активности фермента на порядок по сравнению с почвами фона и контроля. При этом в горизонте Апл (5-40 см) активность уреазы увеличивалась, чему способствовало поступление элементов питания из удобрений, развитие корневой системы растения чая и микробиоты (рис. 1).
В ранневесенний период (по прошествии 9 месяцев после внесения удобрений) в поверхностном слое бурой лесной кислой почвы чайной плантации при применении Н200Р60К50 активность уреазы увеличивалась по сравнению с контролем и фоном в среднем в 1,4-1,8 раза (табл. 1). При увеличении доз №00Р6()К150, N40(^120^00) активность фермента находилась на уровне фона. При дальнейшем увеличении агрогенной нагрузки проявлялся сильный ингибирующий эффект многолетнего применения стрессовых доз минеральных удобрений - в почве варианта Н600Р180К150 активность уреазы снижалась в 4,85,9 раз по сравнению с фоном и контролем.
1. Активность уреазы в бурых лесных кислых почвах в слое 0-7 см, мг КН3/10 г почвы
за сутки (отбор 28.03.0 8)
Вариант ^-Р-К) Среднее Стандартное отклонение, с Коэффициент вариации V, %
Лес(фон) 12,9 4,2 32,7
1Н0Р0К0 (контроль) 15,9 3,4 21,6
Н200Р60К50 22,7 7,6 25,6
Н200Р60К150 10,3 3,0 28,7
Н400Р120К100 11,5 1,1 9,3
Н600Р180К150 2,7 1,1 41,1
Изучение сезонной динамики активности фермента уреазы показало, что наибольшие значения этого показателя характерны для весенних месяцев, в летний период (июль-август) наблюдалось снижение активности фермента для всех вариантов (рис. 2). Это связано с тем, что весной в почве зоны влажных субтропиков складываются наиболее благоприятные гидротермические условия. Внесение минеральных удобрений, в частности азотных, приводило к резкому снижению активности уреазы в почвах чайных плантаций (в 4 раза) по сравнению с контролем и фоном. Это, очевидно, связано со снижением численности микроорганизмов, так как в свежих образцах колебания активности уреазы обусловлены внутриклеточными ферментами [8].
Значительный интерес при изучении ферментативной активности почв представляет такой фермент, как фос-фатаза, поскольку почвы длительно эксплуатируемых чайных плантаций характеризуются повышенным содержанием подвижных форм фосфора (от 500 до 1400 мг/кг в зависимости от доз фосфорных удобрений) в связи с высоким уровнем фиксации этого элемента почвой. При этом вопрос доступности поглощенных минеральных форм фосфора и роли органических соединений фосфора в питании растений изучены недостаточно. Поэтому, сведения о фосфатазной активности почв чайных
25 20 15 10 5 0
1 апреля 15 май внесение удобрений
—•—Лес
—■— 1Ч0Р0К0 - -а- - Ы200Р60К50 —- Ы600Р180К150
1 июл
5 авг
1 окт
14 ноя
Рис. 2. Динамика активности уреазы в бурых лесных кислых почвах в течение вегетационного периода в слое 0-15 см (2008 г.)
плантаций могут дополнить данные, характеризующие их фосфатный режим. При недостатке в среде подвижного фосфора микроорганизмы и растения резко усиливают выделение фосфатазы, и наоборот. На такой взаимосвязи и основано применение величины фосфатазной активности почвы как диагностического показателя обеспеченности растений и микроорганизмов биологически доступным фосфором. Фосфатазная активность почвы определяется ее генетическими особенностями, физико-химическими свойствами и уровнем культуры земледелия.
Исследования показали, что изученные бурые лесные кислые почвы характеризовались низкой активностью фосфатазы по всему профилю. Наибольшие значения активности фосфатазы зафиксированы в весенний период в слое 0-7 см: в почве чайной плантации без внесения удобрений - 1,67; в почве леса - 0,71; в почве чайной плантации с внесением ^00Р60К50 (одинарные дозы) -0,56 мг Р205/100 г почвы. При увеличении доз фосфорных удобрений и соответствующем росте содержания подвижных фосфатов активность фермента фосфатазы снижалась до следовых количеств. Можно предположить, что в целом низкая активность фосфатазы, характерная для этого типа почв, обусловлена невысоким содержанием в почве гумусовых веществ и связанной с этим более сильной адсорбцией фосфатаз почвенными минералами, что отмечалось для дерново-подзолистых и серых лесных почв (Хазиев, 1972).
Фермент каталаза - один из наиболее универсальных и информативных показателей состояния стабильности микробоценоза. Этот фермент катализирует реакцию разложения перекиси водорода на кислород и воду и отражает способность микробного сообщества противостоять воздействию стресс-факторов [2]. Активность каталазы обнаруживается практически во всех почвах и варьирует в зависимости от температуры и влажности, влияющих как на биогенность почвы, так и непосредственно на скорость ферментативной реакции [2]. Обнаружена положительная корреляция активности каталазы с показателями численности микроорганизмов в почве и гидротермическими условиями, а также с содержанием углерода и азота [9].
Установлено, что бурые лесные кислые почвы естественного ценоза характеризовались относительно вы-
сокой (8-11 мл О2) активностью каталазы горизонтов А0А1 и А!, которая закономерно снижалась с глубиной (рис. 3). Выявленная картина распределения каталазной активности характерна для бурых кислых почв лесных ценозов и связана с водно-воздушным режимом и количеством корней [5, 7], а также с содержанием гумуса [6]. При переходе от естественного ценоза к агроценозу распределение активности каталазы по профилю почвы существенно менялось. В почве чайной плантации наблюдалось существенное (в 2,5-4 раза) снижение активности фермента, особенно в зоне внесения минеральных удобрений (0-5 см) на варианте М200Р60К50 (рис. 3).
Рис. 3. Активность каталазы в бурых лесных кислых почвах фонового участка и чайной плантации, мл О2/1 г почвы за 1 мин (отбор 16.11.08)
Сравнительный анализ активности фермента каталазы в весенний период (март) в слое почвы 0-7 см на вариантах опыта с различными дозами и соотношением удобрений также показал значительное ее варьирование. Отмечалось снижение активности фермента в почве при внесении удобрений (табл. 3). Так, применение одинар-
ных доз №00Р60К50) снижало каталазную активность в 3 раза по сравнению с контролем. Еще более резкое падение активности (на порядок) этого фермента наблюдалось при внесении азотных удобрений в дозах 360-600 кг д.в./га. Полученные данные подтверждают установленный для других типов почв эффект снижения активности этого фермента при внесении минеральных удобрений. По мнению А.Ш. Галстяна (1974), кислотные остатки вносимых удобрений могут заметно снижать активность каталазы за счет блокирования железа простетической группы этого фермента. Второй причиной можно назвать снижение устойчивости микробного сообщества в результате длительного применения высоких доз азотных удобрений, обусловленное значительными его перестройками.
2. Активность каталазы в бурых лесных кислых почвах в слое 0-7 см,
Анализ сезонной динамики каталазной активности показал существенное варьирование этого показателя в течение вегетационного периода в зависимости от гидротермических условий, а также от уровня минерального питания. На варианте ^00Р60К50 в мае была отмечена низкая активность каталазы по сравнению с контролем и фоном, которая повышалась к началу июля. В почве варианта М600Р180К150 активность каталазы была низкой на протяжении всего периода изучения, что объясняется, как прямым ингибирующим действием минеральных
удобрений на активность фермента, так свойствами почвы этого варианта (рНКС1 3,1-3,2) и перестройками мик-робоценоза. В начале августа наблюдалось повышение активности каталазы в почве изучаемых вариантов, тогда как активность уреазы была наименьшей в этот период (рис. 4).
Активность каталазы как фермента окислительно-восстановительного наиболее чувствительна к изменениям гидротермического режима почвы. По-видимому, условия, сложившиеся в почве перед отбором образцов, способствовали протеканию окислительно-восстановительных процессов, а не гидролитических.
Одним из широко используемых показателей биологической активности почв служит степень разложения льняного полотна, которая позволяет судить о наличии в ней минерального азота и мобилизационных возможностях почвы в отношении этого элемента. Разложение целлюлозы в почве - центральное звено в цепи круговорота углерода в природе, поскольку на долю клетчатки приходится около 50% всех органических соединений углерода растений и почвенного органического вещества (Хазиев, 1972).
В исследуемых бурых лесных кислых почвах активность разложения целлюлозы за вегетационный период характеризовалась как «средняя» (30-50%). В мае-июне наблюдался максимум активности разложения целлюлозы в почве всех изученных вариантов. В июле зафиксирован период снижения активности, причем в почве контроля и фона активность была равна нулю, тогда как на вариантах с внесением удобрений некоторая активность сохранялась. В августе и сентябре в почвах фона и контроля активность разложения целлюлозы заметно ниже, чем в почвах с удобрениями. В целом активность разложения целлюлозы в почве вариантов с удобрениями соответствует уровню почвы леса. В почве чайной плантации без удобрений активность разложения целлюлозы снижалась, это может быть обусловлено более слабым развитием поверхностной корневой системы по сравнению с другими вариантами и недостатком питательных элементов, в частности азота.
мл О2/1 г почвы за 1 мин (отбор 28.03.08)
Вариант Среднее Стандартное отклонение, с Коэффициент вариации V, %
Лес (фон) 10,9 2,5 22,7
(контроль) 19,2 3,8 19,6
^200Р60К50 5,9 1,6 26,6
^200Р60К150 3,1 2,0 64,4
^400Р120К100 1,4 0,5 37,7
^600Р180К150 1,4 0,5 37,0
N360^50 1,4 0,5 37,9
16 14 12 10 8
б С 2
—•—Лес
— ■— Ы0Р0К0
- -А- -Ы200Р60К50 -х- - Ы600Р180К150
0
1 апреля 15 май внесение удобрений
1 июл
5 авг
1 окт
14 ноя
6
4
2
Рис. 4. Динамика активности каталазы в бурых лесных кислых почвах в течение вегетационного периода в слое 0-15 см (2008 г.)
3. Активность разложения льняного полотна в бурых лесных кислых почвах _чайной плантации и естественного ценоза, %_
Вариант Динамика Общая за сезон
май июнь июль август сентябрь
Лес(фон) 17,2 22,3 0,0 9,0 7,1 45,5
М0Р0К0 (контроль) 21,5 16,4 0,0 2,3 2,0 37,3
^200Р60К50 19,8 14,3 4,3 7,8 12,1 46,7
■^600Р180К150 19,3 10,7 6,5 14,6 7,8 47,0
Анализ исследований позволил сделать следующие выводы.
1. Бурые лесные кислые почвы зоны влажных субтропиков России характеризовались высокой активностью ферментов уреазы и катализы, низкой активностью фосфатазы и средней активностью разложения целлюлозы.
2. Выявлены значительные сезонные колебания показателей биологической активности бурой лесной кислой почвы. Изменения показателей обусловлены
как гидротермическими условиями, так и влиянием минеральных удобрений.
3. Установлено, что применение минеральных удобрений на бурых лесных почвах чайной плантации существенно снижало активность ферментов ката-лазы и фосфатазы, ингибирующий эффект оказывали дозы азотных удобрений выше 200 кг д.в./га. При внесении минеральных удобрений в дозе N200Р60К50 активность уреазы снижалась в слое почвы 0-5 см и увеличивалась на глубине 5-40 см.
Литература
1. Малюкова Л.С., Козлова Н.В. Результаты агроэкологического мониторинга состояния агроэкосистем чайных плантаций при различных уровнях минерального питания в условиях Черноморского побережья Краснодарского края // Мат. межд. конф. «Биоресурсы, биотехнологии, экологически безопасное развитие регионов юга России», Астрахань, 2007. - С. 9-13.
2. Бабьева И.П., Зенова Г.М. Биология почв. - М.: Изд-во МГУ, 1989. - 336 с.
3. Мотузова Г.В., Безуглова О.С. Экологический мониторинг почв. - М.: Академический Проект; Гаудеамус, 2007. - 237 с.
4. Хазиев Ф.Х. Методы почвенной энзимологии. - М.: Наука, 1990. - 189 с.
5. Воробьева Е.А. Сравнительная характеристика биологической активности почв вертикальных зон Кавказа // дисс. канд. биол. наук. - М.: Изд-во МГУ, 1978. - 234 с.
6. Казеев К.Ш., Козин В.К., Колесников С.И., Вальков В.Ф. Биологические особенности почв влажных субтропиков России // Почвоведение. 2002. № 12. - С. 1474-1478.
7. Попова В.П. Агроэкологические аспекты формирования продуктивных садовых экосистем. Краснодар, 2005. - 242 с.
8. Голимбет В.Е. О методике изучения ферментативной активности почв // Почвоведение. 1982. № 1. - С. 127-130.
9. Раськова Н.В., Звягинцев Д.Г. Активность каталазы в почвах под широколиственно -еловым лесом и лугом // Почвоведение. 1981. № 6. - С. 76-81.
ИНФОРМАЦИЯ
Уважаемые авторы! Напоминаем Вам о необходимости строго выполнять правила оформления статей и соблюдать условия публикации научных работ в журнале. Пожалуйста, внимательно читайте информацию на сайте редакции www.agrochemv.ru
20 апреля 2009 г. АНО «Редакция «Химия в сельском хозяйстве» и ООО «РУНЭБ» заключили договор на распространение электронных копий статей, опубликованных в журнале «Агрохимический вестник», для наполнения базы данных проекта Российского индекса научного цитирования (РИНЦ), представленной в виде научного информационного ресурса сети Интернет, который можно будет приобрести на сайте www.elibrary.ru.
Уважаемые авторы! В связи с вышеизложенным, при направлении статей в редакцию просим Вас указывать в сопроводительном письме о согласии на передачу опубликованных работ для размещения в сети Интернет. Отсутствие данного условия будет служить основанием для отказа в публикации в журнале.
