Влияние распашки на биохимические свойства черноземов Юга России. Монография

5.2. АКТИВНОСТЬ КАТАЛАЗЫ В ПАХОТНЫХ ЦЕЛИННЫХ И ЗАЛЕЖНЫХ ЧЕРНОЗЕМАХ

Каталаза – одна из самых распространенных почвенных оксидоредуктаз. Ее роль в детоксикации токсичной для живых организмов перекиси огромна. Каталаза это внутриклеточный фермент аэробных микроорганизмов, который может оставаться активным вне клеток, иммобилизуясь на поверхности глинистых минералов или связываясь с органическими коллоидами. Несмотря на споры о природе каталазной активности в почве, именно активность каталазы рекомендуется многими авторами в качестве информативного диагностического показателя (Glinsky et al., 1986; Perez M.M. and Gonzalez, 1987; Trasar-Cepeda, 1999; Margesin et al., 2000; Kızılkaya et al., 2004; Kızılkaya and Hep en, 2007; Даденко, Денисова и др., 2013; Колесников и др., 2013, 2014 и др.).

Как демонстрирует рис. 15, активность каталазы при сельскохозяйственном использовании меняется незначительно. Значения активности в пахотном варианте, даже, несмотря на многолетнее сельскохозяйственное использование, достаточно высоки. В отдельные сроки наблюдается даже превышение активности каталазы в пахотном варианте над целинным (рис. 16). Многолетние исследования активности каталазы в черноземных почвах разного типа землепользования позволили сделать вывод о том, что сельскохозяйственное использование чернозёмов обыкновенных не приводит к значительному снижению активности этого фермента.

Активность каталазы в почве в большей степени зависит от воздушного режима, гранулометрического состава почв, окислительновосстановительного потенциала (Алиев, 1975; Тульская, Звягинцев, 1981; Хазиев 1986). Распашка почв приводит к значительному изменению в количественных и качественных характеристиках поступающих в почву растительных остатков, а также в режиме их поступления. Значительно снижается содержание гумуса (рис. 3). Но при этом в пахотной почве могут создаваться условия способствующие активизации активности каталазы. Например, вследствие регулярного перемешивания почвы активизируются аэробные процессы.

62

смотрении биологических свойств черноземов обыкновенных активность каталазы также является малоинформативным показателем. Ее активность в нижележащих горизонтах, как и в верхних горизонтах, несколько ниже в пахотных вариантах, чем в целинном и многолетнезалежном черноземе. Различия в активности ферментов между целинным и пахотным, залежным и пахотным вариантами чернозема на глубине 40-50 см не отмечены.

Рис. 17. Активность каталазы в пахотном и целинном черноземе учхоза «Донское» ДонГАУ, мл О2 /г почвы/ мин

Рис. 18. Активность каталазы в пахотном и залежном черноземе УОХ ЮФУ, мл О2 /г почвы/ мин

Пересчет показателя активности каталазы на весь гумусовый профиль, подтвердил закономерности, установленные для верхних горизонтов (рис.

64

19). Выявлено снижение активности каталазы на 5-9%. То есть при учете всего гумусового горизонта изменения в активности каталазы при распашке еще более незначительны, чем при учете только верхних горизонтов.

Рис. 19. Активность каталазы в пахотном целинном и залежном черноземе учхоза «Донское» ДонГАУ и УОХ ЮФУ в пересчете на весь гумусовый профиль

Применение показателей активности каталазы в целях диагностики состояния пахотных почв затруднено из-за малой степени изменений при распашке, связанной с отсутствием зависимости от содержания органического вещества. Кроме того, в уровень активности каталазы значительный вклад вносит сезонная компонента. Для этого фермента характерна значительная сезонная изменчивость. В отдельные сезоны активность в пахотном варианте может превышать таковую в целинном аналоге.

65

5.3. АКТИВНОСТЬ ДЕГИДРОГЕНАЗЫ В ПАХОТНЫХ ЦЕЛИННЫХ И ЗАЛЕЖНЫХ ЧЕРНОЗЕМАХ

Среди всех ферментов в почвенной среде, дегидрогеназы являются одними из наиболее важных, и используются в качестве индикатора общей микробиологической активности почвы, так они встречаются внутриклеточно во всех живых микробных клетках (Burns, 1982; Bandick et al., 1999, Microbiological Methods For…, 2006). Дегидрогеназы отражают окисли-

тельную активность почвенных микроорганизмов и играют центральную роль в разложении органических веществ путем передачи электронов и протонов от субстратов к акцепторам (Dick et al., 1996).

Именно происхождение дегидрогеназ и их связь с живыми организмами является причиной широкого использования этого фермента в качестве диагностического показателя. Исследованиями многих авторов показана высокая эффективность активности дегидрогеназы при ее использовании в диагностических целях (Burns, 1978, 1982; Bandick et al., 1999; Dick et al., 1996; Денисова и др., 2005; Garcia-Ruiz et al., 2008; Колесников и др., 2013, 2014; Казеев и др., 2010; Wolińska, Ste pniewska 2012; Даденко и др., 2013;

Даденко и др., 2014 и др.).

Как демонстрирует рис. 20, активность дегидрогеназы при сельскохозяйственном использовании снижается значительно (28% и более). Что связано в первую очередь со снижением содержания гумуса. Наши многолетние исследования показали связь активности дегидрогеназы с содержанием органического вещества (Даденко, 2004; Даденко, Прудникова и др., 2013; Даденко, 2014; Прудникова, Даденко и др., 2013 и др.). В работах других авторов также имеется информация о положительной взаимосвязи активности дегидрогеназы и содержанием органического вещества (Chodak & Niklińska, 2010; Moeskops et al., 2010; Romero et al., 2010; Zhao et al., 2010; Yuan & Yue, 2012).

Необходимо отметить, что активность дегидрогеназы не всегда коррелирует с содержанием гумуса из-за ее большой чувствительности к внешним фактором, таким как температура, влажность, рН, стрессовые факторы как результат антропогенной деятельности и др. И связано это конечно, в

66

первую очередь, с тем, что данный фермент существует только в живых клетках.

Снижение активности дегидрогеназы при распашке связано также и с изменениями, происходящими с живым населением почвы, а именно с микроорганизмами. Распашка приводит к снижению содержания органического вещества и его распределения в почве, изменениям в доступности питательных веществ и пула C, N, P, S. Изменение физических и химических параметров почв при сельскохозяйственном освоении создает новые условия для почвенных микроорганизмов, и приводит к изменению структуры их сообществ (Звягинцев, 1978; 1987; Полянская и др., 2012; Balota et al., 2004; Bandick, Dick, 1999; Dick, 1983 и др.).

Многолетние исследования выявили различия в численности бактерий между целинными и пахотными почвами, но из-за высокого варьирования данного показателя в большинстве своем они были статистически незначимы (Казеев и др., 2004). Это подтверждает целесообразность использования показателей ферментативной активности и содержания гумуса при изучении последствий сельскохозяйственного использования почв.

Рис. 20. Активность дегидрогеназы в пахотном целинном и залежном черноземе учхоза «Донское» ДонГАУ и УОХ ЮФУ,

мг ТФФ/10г почвы/24 часа

Дегидрогеназы относятся к ферментам, значительно варьирующим по сезонам года, так как они связаны с динамикой активности микроорганизмов. Сезонное варьирование не изменяет факта снижения активности де-

67

гидрогеназы при распашке. Хотя нужно отметить, что степень различия в активности фермента в пахотном и целинном черноземе меняется в течение года (рис. 21).

Рис. 21. Динамика активности дегидрогеназы в пахотном и целинном черноземе учхоза «Донское» ДонГАУ, мг ТФФ/10г почвы/24 часа

На рисунках 22 и 23 представлены данные по профильному распределению активности дегидрогеназы в гумусовом горизонте. Максимальные отличия в пахотных, целинных и залежных вариантах отмечены в верхних, подвергающихся наибольшему воздействию горизонтах. Причем уже на глубине 20 см активность дегидрогеназы ниже более чем на 30%, по сравнению с верхним горизонтом. Различия в активности ферментов между целинным, залежным и пахотным вариантом чернозема сохраняются вплоть до глубины 30-40 см. Ниже достоверно значимых отличий не отмечено.

Согласно нашим данным, изменение биологических показателей вниз по профилю более резкое в нераспахиваемых вариантах по сравнению с пашней. В естественных условиях горизонты почв очень контрастны, в первую очередь по их биологическим свойствам, связанным с распределением живого вещества. В пахотном варианте чернозема изменения показателей вниз по профилю более плавное. Это объясняется выравненностью условий в пахотном горизонте.

Распределение активности дегидрогеназы в почвенном профиле связано с распределением микроорганизмов. Согласно литературным данным,

68

активность дегидрогеназы, также как и микробиологическая активность, максимальны в верхнем слое почвы до глубины 20 - 30 см, и особенно на глубине 0-5 см (Fierer et al., 2003; Agnelli et al., 2004; Levyk et al., 2007; Gajda, 2008; Xiang et al., 2008; Wolińska and Ste pniewska 2012).

Рис. 22. Активность дегидрогеназы в пахотном и целинном черноземе учхоза «Донское» ДонГАУ, мг ТФФ/10г почвы/24 часа

Рис. 23. Активность дегидрогеназы в пахотном и залежном черноземе УОХ ЮФУ, мг ТФФ/10г почвы/24 часа

Для активности дегидрогеназы также проведен пересчет на весь гумусовый профиль (рис. 24). Показано снижение активности дегидрогеназы на 22-36%. Это снижение незначительно меньше чем при учете только верхних горизонтов.

69