Влияние распашки на биохимические свойства черноземов Юга России. Монография

как правило, поступают в почву с растительными остатками и накапливаются в ней, как продукты промежуточных метаболических реакций.

Роль высших растений в формировании фосфатазного пула сельскохозяйственно освоенных почв ниже, чем микроорганизмов и связана в основном с поступлением в почву пожнивных остатков и корневых выделений (Арзамазова, 2004). С. Н. Ивлеева и Т. А. Щербакова (1994), исследовали в вегетационном опыте влияние различных сельскохозяйственных культур на активность гидролитических и окислительно-восстановительных ферментов. Активность фосфатазы оказалась примерно одинаковой под всеми культурами: ячменем, картофелем и черным паром и лишь немного больше под многолетними травами, тогда как активность других ферментов значительно различалась в зависимости от характера использования почв.

Фосфатазная активность почвы определяется ее генетическими особенностями, физико-химическими свойствами и уровнем культуры земледелия. Суммарная фосфатазная активность почвы зависит от содержания гумуса и органического фосфора, который является субстратом для фермента. Наиболее высокой фосфатазной активностью характеризуются черноземы. В дерново-подзолистых и серых лесных почвах активность фосфатазы невелика. Низкая активность этих кислых почв обусловлена более сильной адсорбцией фосфатаз почвенными минералами. Вследствие малого содержания органического вещества в таких почвах адсорбирующая поверхность минералов больше обнажена по сравнению с высокогумусными черноземами, где глинистые минералы покрыты гумифицированным органическим веществом (Арзамазова, 2004).

Активность фосфатазы динамична в течение вегетационного периода. В активные фазы роста растений при высокой температуре почвы и достаточной влажности в летние месяцы фосфатазная активность почв максимальна (Евдокимова, 1989; Арзамазова, 2004).

Включение почв в севооборот создает условия для улучшения гидролитических процессов, что приводит к увеличению метаболизма фосфорных соединений. (Евдокимова, 1992; Арзамазова, 2004). Максимальный вклад в формирование фосфатазного пула под естественной растительностью вносят микроорганизмы и растительные остатки в качестве субстрата

(Раськова, 1994).

21

Инвертаза катализирует гидролиз дисахаридов до моносахаридов и играет важную роль в освобождении сахаров с низкой молекулярной массой – важнейшего источника энергии для микроорганизмов. Активность инвертазы в почве рекомендовано использовать как показатель преобразования питательных веществ, метаболизма энергии и деградации загрязни-

телей (Nannipieri et al., 1990).

Инвертаза частично отвечает за расщепление растительного опада в почвах. Добавление растительных остатков может стимулировать секрецию инвертазы микроорганизмами почвы. Подстилка содержит большое количество растворимых углеводов, которые могут стимулировать активность микроорганизмов и синтез инвертазы. Соотношение C/N в растительном опаде, влияет на уровень органического углерода почвы, через изменения в численности и биомассе микроорганизмов и активности инвер-

тазы почвы (Katsalirou et al., 2010).

Активность инвертазы - один из наиболее устойчивых показателей, обнаруживающий наиболее четкие коррелятивные связи с воздействующими факторами. Исследованиями А.Ш. Галстяна (1966, 1974) установлена корреляция инвертазы с активностью других почвенных карбогидраз. Инвертазная активность в почве убывает вниз по профилю и положительно связана с содержанием гумуса.

По сообщению А.Ш. Галстяна (1974) почвы с тяжелым гранулометрическим составом обладают более высокой ферментативной активностью. Однако имеются сообщения, что инвертаза заметно инактивируется при адсорбции глинистыми минералами и почвы с высоким содержанием монтмориллонита обладают низкой инвертазной активностью. Зависимость инвертазной активности от влажности и температуры почвы исследована недостаточно, хотя многие авторы объясняют сезонные изменения активности гидротермическими условиями. Влияние температуры на потенциальную активность инвертазы подробно исследовал А.Ш. Галстян (1975), установив оптимум при температуре около 60°, порог инактивации фермента после прогревания почв при 70° и полную инактивацию после трехчасового прогревания при 180°С.

Z.J. Shi с соавторами (2008) отмечают что инвертаза может быть использована в качестве эффективного индикатора качества почвы. Ее актив-

22

ность значительно зависит от типа землепользования. Активность инвертазы значительно и положительно коррелирует с содержанием органического углерода почвы, а также с другими биологическими и химическими пока-

зателями (Wang et al. 2003).

Активность инвертазы в пахотных почвах не зависит от микробной биомассы и активности (Katsalirou et al., 2010). Но показывает значительную зависимость от растительной компоненты и часто коррелирует с плотностью растений и их составом. Различие в поведении инвертазы в почвах под разными культурами может быть связано с различиями в источниках субстрата. Pancholy с соавторами (1973) предположили, что тип органического вещества, поступающего в почву из различных источников, изменяет доступность субстрата.

Активность инвертазы оказалась малочувствительной к загрязнению почвы тяжелыми металлами, нефтью и нефтепродуктами и пестицидами. Большую чувствительность инвертаза продемонстрировала при оценке последствий воздействия ионизирующих загрязнений и гидроморфизма (Даденко и др., 2013).

23

1.1.ЗАВИСИМОСТЬ ФЕРМЕНТАТИВНОЙ АКТИВНОСТИ ЧЕРНОЗЕМОВ РОСТОВСКОЙ ОБЛАСТИ ОТ КЛИМАТАТИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ

Главная особенность климата в числе других факторов почвообразования заключается в том, что климат определяет такие существенные условия жизни растений, как тепло и влага. Значение климата в почвообразовательных процессах исключительно велико. Ни с одним из других почвообразующих факторов не связаны столь глубокие различия в почвообразовании, как те, которые сопряжены с влиянием гидротермических показателей климата на биологические процессы в почвах (Волобуев, 1946, 1956; Вальков и др., 2008). Воздействие климата косвенно осуществляется через весь объем живого вещества, продукты его метаболизма и отмирания. От влажности почвы и ее температуры зависят особенности жизнедеятельности всех организмов. Непосредственное влияние климатических факторов на почву оказывается преломленным через биологическую среду, преобразованным в разной степени живыми организмами. Климатические условия являются наиболее важными из факторов, регулирующих почвенные процессы (Галстян, 1974; Казеев и др., 2004). Биологические показатели хорошо диагностируют негативные последствия антропогенного воздействия на почвы и почвенный покров (Казеев и др., 1996, 2003; Даденко и др., 20132; Колесников и др., 2013). Гидротермический режим определяет активность биохимических процессов почвы. С увеличением влажности почвы и понижением температуры, наблюдается сопряженное возрастание активности гидролитических ферментов. Высокая влажность и низкие температуры способствуют накоплению гумуса (Казеев и др., 2004, 2015). Для территории Северного Кавказа была выявлена обусловленность разных показателей биологического состояния почв гидротермическими условиями (Казеев и др., 2006, 2015).

Для территории Ростовской области характерен умеренноконтинентальный климат (Комплексная оценка…, 2012). В восточных районах зима холоднее, а лето жарче, чем в западных. Температура воздуха имеет ярко выраженный годовой ход. Самый холодный месяц - январь,

Раздел написан Козунь Ю.С.

24

среднемесячная температура воздуха которого -5°С...-9°С. Наиболее теплый - июль, среднемесячная температура воздуха составляет плюс +22°С...+24°С. Годовое количество осадков составляет 530-550 мм на югозападе области, 320-360 мм - на юго-востоке. Наибольшее количество осадков за месяц выпадает в июне - июле (50-70мм).

Для детального изучения взаимосвязи климата и почвенных параметров исследовали несколько участков, расположенных в разных климатических условиях по направлению север-юг (табл. 2).

Самый северный исследуемый участок расположен близ станицы Вешенской, самый южный в г. Ростове-на-Дону. Между этими пунктами изучены промежуточные участки: пос. Октябрьский, пос. Кружилинский, г. Кашары и г. Каменск-Шахтинский. Как показали исследования (Казеев, Кузнецова, 2012) для выявления взаимосвязи с биологической активностью из климатических показателей лучше всего подходят годовое количество осадков, среднегодовая температура и среднегодовая амплитуда температур. Поэтому в данном исследовании использовали те же климатические показатели. Анализ климатических данных (Справочник по климату СССР, 1966) показал увеличение к югу среднегодовой температуры и количества

25

осадков (табл. 2). Среднегодовая амплитуда температур, наоборот, снижалась при передвижении с севера на юг.

Большая часть Ростовской области расположена в степной зоне обыкновенных и южных черноземов, которые являются объектами данного исследования. В окрестностях ст. Вешенской исследованы серопески. Это оригинальные почвы, отличающиеся легким гранулометрическим составом и, в тоже время, высоким содержанием гумуса. В некоторых источниках эти почвы выделены как черноземы песчаные. На участках, расположенных севернее Каменск-Шахтинского изучали черноземы южные средне- и тяжелосуглинистые. В окрестностях Ростова-на-Дону – чернозем обыкновенный карбонатный тяжелосуглинистый.

Поскольку биологические свойства почв отличаются значительным природным варьированием, все образцы были отобраны в течение одного дня в сходных погодных условиях.

Почвы Ростовской области имеют различную биологическую активность, которая сильно зависит от климатических условий территории. Наименьшей биологической активностью обладают серопески, расположенные на севере области. При движении на юг в почвах увеличиваются значения биологических показателей (табл.3).

26

Например, содержание гумуса в серопесках составило всего 1,42 %. В то время как в черноземе обыкновенном 6,0%. То же самое касается и ферментативной активности. Повышение температуры и влажности почвы способствовало увеличению ферментативной активности. Каталазная активность чернозема обыкновенного превышает аналогичную в серопесках более чем в 5 раз (2,1 против 11,7 мл О2/г/мин), а дегидрогеназная более чем в 10 раз (3,7 против 38,1 мг ТФФ/г/24 ч). Ферментативная активность в очередной раз проявила себя как высокочувствительный индикатор условий среды. Анализ полученных результатов свидетельствует о зональном характере распределения биологической активности в почвах Ростовской области. Что касается зависимости биологической активности от климата, то все исследуемые показатели коррелируют с климатом. С годовым количеством осадков содержание гумуса, активность каталазы и дегидрогеназы имеют коэффициент корреляции 0,80; 0,61; и 0,78 соответственно (табл. 4).

Таблица 4 Корреляционная матрица связи климатических и биологических

показателей

Со среднегодовой температурой коэффициент корреляции так же положителен и довольно высок (0,74; 0,93; 0,87 соответственно). Наибольшие значения корреляции биологические показатели имеют со среднегодовой амплитудой температур. r=-0,97 для каталазы, r=-0,91 для дегидрогеназы и r= -0,88 для содержания гумуса. Почвенные и климатические характеристики находятся в тесной корреляционной связи.

27

Из приведенных выше данных можно сделать вывод, что биологическая активность почв Ростовской области во многом определяется климатическими параметрами в частности количеством осадков и годовым изменением температуры. Как показали недавние исследования (Мясникова, 2015) температура почв в черноземах Ростовской области разного землепользования опускается ниже нуля на очень непродолжительное время. В связи с этим биологические процессы хотя и замедляются в холодный период, но не останавливаются практически круглый год. Изменения интенсивности биологической активности в черноземах Ростовской области происходят в направлении с севера на юг, т.е. отмечено увеличение активности при передвижении в более влажные и теплые климатические условия.

28

ГЛАВА 2. ВЛИЯНИЕ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО ОСВОЕНИЯ НА СВОЙСТВА ПОЧВ

Сельскохозяйственное производство оказывает значительное влияние на почвенный покров. При этом, наиболее существенные нарушения вызывают два его вида: распашка и выпас скота. Распашка вызывает изменение микрорельефа поверхности почвы, изменение плотности, увеличение эрозионной поверхности и др. Структура почвы меняется таким образом, что значительное количество органического вещества подвергается микробиологическому разложению. Выпас скота, является основной сельскохозяйственной формой освоения горных территорий. Он влияет на пространственную неоднородность почвенного покрова, биологическую продуктивность фитоценозов, физические и химические свойств почв и их противоэрозионную устойчивость (Деградация и охрана…., 2002; Balota et al., 2004).

Многолетняя распашка земель в большинстве случаев приводит к снижению биологической активности. Сельскохозяйственное использование приводит к уничтожению степной растительности, обеднению животного мира и изменению почвенного покрова. В разных географических условиях для разных почв степень деградации неодинакова. Почвы с высоким уровнем плодородия, с высокой биологической активностью более устойчивы к негативным антропогенным воздействиям. (Вальков и др., 2001; Казеев и др., 2004).

Замена естественных биоценозов агроценозами нарушает существовавшее равновесие между свойствами почвы и биологическими объектами. В результате образуются разной степени несоответствия почвенных свойств и культурных растений. Противоречия, связанные с неодинаковыми экологическими особенностями сельскохозяйственных растений и естественных биоценозов, возникают всегда. На первых этапах возделывания культурных растений при освоении целинных земель многие свойства почв оказываются неустойчивыми к новым условиям, не соответствующими новому набору растительных сообществ севооборота. Поэтому, как следствие докучаевского закона постоянства соотношений между почвой и окружающей средой, в почвенном теле возникают процессы, основное направ-

29

ление которых – привести почвенные свойства в равновесие с культурной биологической средой. Значительна здесь также роль вмешательства человека во взаимоотношение почвы и растений (Вальков и др., 2001).

Внесение удобрений, применение различных мелиоративных и агротехнических приемов способствуют изменению почвенных свойств, приводят их в соответствие с экологией культурных растений. Такое изменение почв, их окультуривание есть особая антропогенная стадия развития почв (Вальков и др., 2001).

При окультуривании свойства почв меняются до определенного уровня равновесия в соответствующей системе земледелия или севооборота. Разные системы земледелия и севообороты формируют разные уровни плодородия. Изменение состава культур в севообороте приводит и к изменению почвенного плодородия. Практики-земледельцы всегда констатируют разное плодородие почв в пропашных и травопольных севооборотах, под огородами, в поливных и прифермерских севооборотах (Вальков и др., 2001).

Степень смещения (изменения) естественных свойств почв при окультуривании зависит от экологического сходства или отдаленности биоценозов и агроценозов. Почвы черноземного типа, темно-каштановые, темносерые лесные претерпевают меньше изменений, так как агроценозы по своему воздействию на почву приближаются к травянистой лугово-степной растительности. Наоборот, подзолы, красноземы, сероземы и близкие к ним другие почвы значительно изменяются в процессе окультуривания (Валь-

ков и др., 2001).

Для оценки продуктивности почв чаще всего используются физические и химические параметры. Общепринятой является оценка плодородия почв по их гумусовому состоянию. Это достаточно консервативный показатель, зависящий от типа почвы. Также применяют оценку по запасам органического вещества в почве, выраженных в тоннах на гектар. Этот критерий имеет четкую географическую зональную индивидуальность, связанную с местными особенностями географической среды. Содержание органического вещества не что иное, как многовековой вещественный и энергетический результат многочисленных и разнообразных по форме и содержанию биологических циклов географически зональных биогеоценозов.

30