Влияние распашки на биохимические свойства черноземов Юга России. Монография

разцы и на естественно-влажные образцы, хранимые в условиях низких положительных температур (холодильник).

Образцы почвы для исследования отбирались из пахотных горизонтов на глубину вспахивания (20 - 30 см). На целинных или залежных участках образцы отбирали не только из верхних горизонтов почв, а из всего гумусового профиля (А+АВ). В отдельные сроки были заложены полнопрофильные разрезы. Во всех случаях в верхних горизонтах дополнительно отбирались почвенные образцы из прикопок.

Сроки отбора образцов на изучаемых участках совпадали и выбирались, согласно рекомендациям, изложенным выше.

Почвенные образцы высушивались при комнатной температуре, при необходимости они подвергались хранению в условиях низких положительных температур (холодильник). Определение активности ферментов проводили с одинаковой навеской (1 г) свежей воздушно-сухой, очищенной от растительных остатков и камней, почвы, просеянной через сито диаметром отверстий 1 мм, при постоянной температуре 30°С (кроме каталазы — 20°С, активность которой определяется газометрически).

Показатели ферментативной активности почв характеризуются значительным варьированием. Динамичность их связывают с зависимостью от сочетания температуры и влажности, наличием доступных источников питательных веществ и жизнедеятельностью микроорганизмов (Зайцева, Звя-

гинцев, 1979; Ross, 1987; Patra et al., 1990). Высокая степень варьирования активности почвенных ферментов требует обязательного проведения статистического анализа.

Статистическая обработка результатов исследования осуществлена с использованием статистического пакета Statistica 10.0. Проведен расчет следующих основных показателей вариационной статистики: среднее ± среднего (M± m), стандартное отклонение (s), коэффициент вариации (CV) (Дмитриев, 2010). При обработке результатов исследования использовали как дисперсионный, так и корреляционный анализы. Чувствительность исследуемых показателей оценивали по степени их снижения в ответ на антропогенное воздействие - распашку.

51

ГЛАВА 5. ВЛИЯНИЕ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ – РАСПАШКИ НА ФЕРМЕНТАТИВНУЮ АКТИВНОСТЬ ЧЕРНОЗЕМОВ РОСТОВСКОЙ ОБЛАСТИ

5.1. АКТИВНОСТЬ ПЕРОКСИДАЗЫ И ПОЛИФЕНОЛОКСИДАЗЫ В ПАХОТНЫХ ЦЕЛИННЫХ И ЗАЛЕЖНЫХ ЧЕРНОЗЕМАХ

Содержание гумуса - ключевой показатель плодородия и состояния почв, определяющий выполнение ею экологических функций. Это важнейший признак определяющий устойчивость почв и их нормальное функционирование (Деградация и охрана..., 2002). В черноземах гумусообразование и гумусонакопление достигают максимальной интенсивности и совершенства. Однако в связи с интенсивным сельскохозяйственным использованием в этих почвах заметно ухудшаются качественно-количественные показатели гумуса (Русанов, 1999).

Определение активности окислительных ферментов полифенолоксидазы и пероксидазы, участвующих в процессах гумусообразования, является дополнительной характеристикой процессов синтеза и распада гумусовых веществ. Полифенолоксидаза катализирует окисление полифенолов в хиноны в присутствии свободного кислорода воздуха. Полифенолоксидаза играет ключевую роль в круговороте ароматических соединений. Пероксидаза же катализирует окисление полифенолов в присутствии перекиси водорода или органических перекисей. При этом ее роль состоит в активировании перекисей, поскольку они обладают слабым окисляющим действием на фенолы (Кононова, 1963).

Как демонстрируют рисунки 1 и 2, активность пероксидазы и полифенолоксидазы на пашне выше, чем на нераспахиваемых участках на 21-40% и 34-37% соответственно. При этом содержание органического вещества наоборот выше на почвах под степной растительностью на 43-58% (рис. 3). Следовательно, процессы новообразования гумуса и его разложения в почвах пашни протекают намного интенсивнее, чем в почвах под естественными сообществами. Если сравнивать между собой степной и залежный участок, то можно сказать, что целинный чернозем по изученным показателям опережает чернозем залежи (рис. 1-3).

52

снижает активность полифенолоксидазы (Monkiedje et al., 2006). Для активности пероксидазы данные также противоречивы (Sinsabaugh, 2010).

Рис. 3. Содержание гумуса в пахотном целинном и залежном черноземе учхоза «Донское» ДонГАУ и УОХ ЮФУ, %.

Длительная распашка чернозема обыкновенного приводит к снижению содержания органического вещества более чем на 40% (рис.3). По литературным данным (Laiho, 2006; Sinsabaugh, 2010) потеря органического вещества при распашке, приводит к повышению интенсивности окислительных процессов в почве. Причем в аридных экосистемах высокая температура и низкая влажность приводят к окислительному стрессу, который интенсифицирует выработку фенолоксидаз.

На активность пероксидазы и полифенолоксидазы, помимо содержания органического вещества, оказывает значительное влияние рН почвы, температура и влажность. То в какую сторону произойдет изменение активности этих ферментов при распашке, зависит от сочетания этих факторов. Множественная модель линейной регрессии, которая включает рН почвы, среднегодовую температуру и среднегодовое количество осадков и активность ферментов показала зависимость от содержания гумуса активности полифенолоксидазы только на 36%, а для пероксидазной активности 32% (Sinsabaugh, 2010). Множественная корреляция с тремя другими переменными имеет коэффициент 0,52. Эта модель предполагает, что актив-

54

ность фенолоксидаз и пероксидазы может иметь положительные или отрицательные связи при различных сочетаниях экологических переменных.

Внекоторых отклики активности ферментов могут быть объяснены зависимостью от рН почвы, температуры или влажности. Но в более широком масштабе, величина и направление ответов варьирует в зависимости от микробного и растительного состава сообществ (Sinsabaugh, 2010).

Внаших исследованиях корреляционный анализ показал, достоверную отрицательную зависимость активности пероксидазы и полифенолоксидазы от влажности (коэффициенты корреляции соответственно равны - 0,64 и

-0,62). Зависимость от содержания гумуса составила - 0,55 и - 0,60 (табл.7).

Таблица 7 Корреляционная матрица свойств чернозема обыкновенного Персианов-

ской степи, n = 130

Принимая во внимание неоднозначный характер изменений активности пероксидазы и полифенолоксидазы при распашке, и их зависимость от климатических факторов, мы провели исследование сезонной динамики. Как демонстрируют рисунки 4 и 5, активность пероксидазы и полифенолоксидазы в различные месяцы выше в пахотном черноземе, хотя степень превышения меняется в зависимости от сезона года (т.е. от сочетания температуры и влажности в первую очередь).

55

Активность пероксидазы и полифенолоксидазы выше в почвах пашни, но только в верхних горизонтах, подвергающихся непосредственному воздействию (рис. 6-7; 9-10). На глубине 40-50 см активность этих ферментов в черноземе пахотного и целинного участка (рис. 6-7) и пахотного и залежного участка практически не отличается. Хотя различия в содержании гумуса на этой глубине еще значительны (рис. 8, 11).

Рис. 6. Активность пероксидазы в пахотном и целинном черноземе учхоза «Донское» ДонГАУ, 1-4 парабензохинона на 1 г почвы за 30 мин

Рис. 7. Активность полифенолоксидазы в пахотном и целинном черноземе учхоза «Донское» ДонГАУ, 1-4 парабензохинона на 1 г почвы за 30 мин

57

Направленность процессов гумусообразования и разложения органических веществ и их интенсивность определяется сочетанием почвенных и климатических факторов. Действие климатических факторов с глубиной выравнивается, что возможно и объясняет схожесть в уровнях активности изучаемых ферментов на глубине 40-50 см.

Рис. 8. Содержание гумуса в пахотном и целинном черноземе учхоза «Донское» ДонГАУ, %

Рис. 9. Активность пероксидазы в пахотном и залежном черноземе УОХ ЮФУ, 1-4 парабензохинона на 1 г почвы за 30 мин

58

тельно (рис. 14) Этот факт еще в большей степени затрудняет использование активности этих ферментов в диагностических целях.

Рис. 12. Активность пероксидазы в пахотном целинном и залежном черноземе учхоза «Донское» ДонГАУ и УОХ ЮФУ в пересчете на весь гумусовый профиль

Рис. 13. Активность полифенолоксидазы в пахотном целинном и залежном черноземе учхоза «Донское» ДонГАУ и УОХ ЮФУ в пересчете на весь гумусовый профиль

60