Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Обзор литературы 9
1.1 Ферментативная активность как биодиагностический показатель экологического состояния почвы 9
1.2 Влияние антропогенного воздействия на показатели плодородия, ферментативную активность почв и урожайность сельскохозяйственных культур 19
ГЛАВА 2 Почвенно-климатические условия, объекты и методика полевого опыта 42
2.1 Природные условия района исследований 42
2.1.1 Географическое положение 42
2.1.2 Климат 42
2.1.3 Геологическое и геоморфологическое строение территории 44
2.1.4 Гидрологические условия .46
2.1.5 Почвенный покров Смоленской области 49
2.1.6 Растительность и животный мир 54
2.2 История опытного поля ВИУА пос. Ольша Смоленской области 61
2.3 Морфогенетическая и химическая характеристика свойств дерново-слабоподзолистой супесчаной почвы 65
ГЛАВА 3 Физико-химические свойства дерново-слабоподзолистой супесчаной почвы 73
ГЛАВА 4 Динамика агрохимических свойств дерново-слабоподзолистой супесчаной почвы под влиянием длительного применения удобрений 78
ГЛАВА 5 Изменение ферментативной активности дерново слабоподзолистой супесчаной почвы под влиянием длительного применения удобрений 95
5.1 Изменение активности гидролитических ферментов в почве длительного стационарного опыта 95
5.2 Изменение активности окислительно-восстановительных ферментов в почве длительного стационарного опыта 110
ГЛАВА 6 Изменение продуктивности зернотравяного севооборота под влиянием различных систем применения удобрений 122
Выводы 128
Список использованной литературы 132
- Ферментативная активность как биодиагностический показатель экологического состояния почвы
- Почвенный покров Смоленской области
- Динамика агрохимических свойств дерново-слабоподзолистой супесчаной почвы под влиянием длительного применения удобрений
- Изменение активности гидролитических ферментов в почве длительного стационарного опыта
Введение к работе
Актуальность работы. Вопросы оптимизации минерального питания сельскохозяйственных культур на дерново-подзолистых почвах были и остаются актуальными, поскольку внесение повышенных доз удобрени й не всегда экологически и экономически оправдано, кроме того слабо изучены процессы трансформации дерново-подзолистых почв под влиянием агрохимикатов [18, 176, 245]. Анализируя результаты исследований, проведенных в условиях зоны дерново-подзолистых почв, становится очевидным, что вопросам изменения агрохимических, физико-химических и биологических свойств почв уделялось недостаточное внимание [51, 128, 129, 204, 208, 240].
Разработка научно-обоснованных систем применения удобрений с использованием многофакторных схем и изучение их действия на баланс органического вещества, элементов минерального питания, биологическую активность, а также продуктивность культур являются первоосновой оптимизации почвенного плодородия в зоне дерново-подзолистых почв [66, 134, 164, 184, 215, 225, 237, 293-295, 314, 318].
Наиболее информативным показателем любых изменений, происходящих в почвах, является ферментативная активность почв. Работа ферментов определяет доступность элементов питания, гумусное состояние, азотный, фосфорный, калийный режим, а также способность почвы к детоксикации различных поллютантов [204]. Поэтому для управления функционированием агроэкосистем, регулирования и оптимизации экологического состояния почв актуально изучение изменения биохимической активности, являющейся наиболее отзывчивой на антропогенные воздействия.
Исследования проводились на центральной опытной станции бывшего Смоленского филиала Всероссийского института удобрений и агропочвоведения в западной части Нечерноземной зоны России (п. Ольша Смоленской области) на длительном стационарном опыте по систематическому применению бесподстилочного навоза и минеральных удобрений в широком диапазоне доз и сочетаний в зернотравяном севообороте на дерново-подзолистой почве. Полевой опыт был заложен в 1978 г. в соответствии с «Программой и методикой исследований в Географической сети опытов по комплексному применению средств химизации в земледелии» с целью исследования влияния удобрений на агрохимические свойства почвы и продуктивность возделываемых культур.
Комплексное изучение агрохимических, физико-химических свойств и ферментативной активности почвы опыта позволит дать обоснованное заключение об изменении показателей плодородия, биохимических процессов и прогнозировать продуктивность агроценоза под влиянием длительного (32 года) применения удобрительных средств.
Данная работа является составной частью научных тем кафедры экологии и земельных ресурсов Воронежского государственного университета «Разработка теоретической и информационной основы исследования состояния биосистем» и лаборатории агрохимии органических удобрений Всероссийского научно-исследовательского института агрохимии им. Д.Н. Прянишникова «Разработка рекомендаций по проектированию интегрированного применения средств химизации в ресурсосберегающих технологиях адаптивно-ландшафтного земледелия». Исследования выполнены при финансовой поддержке гранта РФФИ № 09-04-97504.
Цель исследований. Выявление тенденций изменений основных показателей плодородия и ферментативной активности дерново-слабоподзолистой почвы под влиянием длительного систематического применения различных доз и сочетаний минеральных и органических удобрений.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Исследовать изменения агрохимических показателей плодородия дерново-слабоподзолистой почвы опыта в пространственном и временном аспекте.
2. Изучить сопряженное влияние минеральных и органических удобрений на физико-химические свойства объекта исследования.
Определить интенсивность и направленность биохимических процессов в дерново-слабоподзолистой почве опыта в условиях применения различных доз и сочетаний вносимых удобрений.
Провести корреляционно-регрессионный анализ зависимости продуктивности культур севооборота от показателей плодородия почвы и доз вносимых удобрений.
Научная новизна. Впервые в условиях западной части Нечерноземной зоны РФ на базе многофакторного стационарного опыта получены экспериментальные данные по изменению агрохимических, физико-химических и биологических показателей плодородия дерново-слабоподзолистой почвы под влиянием одностороннего и комплексного применения органических и минеральных удобрений. Проведена энергетическая оценка органического вещества дерново-подзолистой почвы. Исследована специфика биохимических процессов, происходящих в дерново-подзолистой длительно удобряемой почве. На основе изменения показателей плодородия во времени установлены и выражены в виде регрессионных уравнений особенности действия систем удобрений на агрохимические показатели и ферментативную активность дерново-слабоподзолистых почв Смоленской области, продуктивность агроценозов.
Практическая значимость работы. Установленные корреляционно-регрессионные зависимости показателей плодородия и ферментативной активности дерново-слабоподзолистой почвы от доз и сочетаний минеральных удобрений и навоза могут быть использованы для разработки рекомендаций по регулированию уровня обеспеченности растений элементами питания и корректировки доз удобрений, способствующих воспроизводству плодородия почвы, повышению сбалансированности и экологической обоснованности систем удобрений в Нечерноземной зоне России. Установлены оптимальные дозы удобрений (N54-81P54-81K54-81Н6,6-9,9) под зерновые культуры на бедных гумусом дерново-подзолистых почвах для повышения продуктивности пашни.
Полученные результаты использованы при разработке методики фотометрической диагностики азотного питания зерновых и других культур.
Материалы диссертации используются в курсах лекций по агрохимии и экологии в Воронежском государственном университете и в Воронежском государственном аграрном университете.
Основные положения, выносимые на защиту.
1. Агрохимические и физико-химические показатели плодородия дерново-слабоподзолистой супесчаной почвы находятся в тесной зависимости с дозами и сочетаниями минеральных удобрений и навоза.
2. Интенсивность и направленность минерализационно-иммобилизационных процессов трансформации соединений углерода, азота и фосфора в дерново- слабоподзолистой почве могут характеризоваться уровнем ее ферментативной активности и определяются особенностями применяемой системы удобрений.
3. Динамика продуктивности сельскохозяйственных культур в зависимости от доз и видов удобрений как основа ее прогнозирования и управления в условиях дерново-слабоподзолистой супесчаной почвы.
Публикации. По материалам исследований опубликовано 15 печатных работ, в том числе 3 статьи в журналах перечня ВАК РФ.
Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, выводов, списка использованной литературы. Основной материал изложен на 170 страницах машинописного текста и включает в себя 34 таблицы, 16 рисунков. Список литературы состоит из 360 работ (из них 42 работы зарубежных авторов).
Автор выражает глубокую благодарность и искреннюю признательность научному руководителю – доктору биологических наук, доценту Т.А. Девятовой за оказанную помощь и поддержку в выполнении исследований, подготовке и написании данной работы, научным сотрудникам ВНИИА им. Д.Н. Прянишникова – доктору сельскохозяйственных наук, профессору Р.А.
Афанасьеву, доктору сельскохозяйственных наук, профессору Г.Е. Мерзлой за ценные советы и практическую помощь при проведении полевых работ, а также коллективу кафедры экологии и земельных ресурсов Воронежского государственного университета за содействие.
Ферментативная активность как биодиагностический показатель экологического состояния почвы
В настоящее время для диагностики экологического состояния почв все чаще стали применяться биологические свойства, которые нередко оказываются более результативными в тех случаях, когда более традиционные (морфогенетические, агрофизические, агрохимические) не позволяют достоверно раскрыть возможную реакцию экосистемы на какие-либо воздействия. Биологические индикаторы обладают высокой чувствительностью к внешним воздействиям, позволяют диагностировать негативные процессы на самых ранних стадиях проявления [41, 82, 83, 121, 136, 138, 172, 197, 204, 214, 264, 343].
Биологическая активность почвы играет важную роль в процессе формирования, становления или деградации почвенного плодородия и рассматривается как свойство почвы, производное совокупности абиотических, биотических и антропогенных факторов ее формирования, текущей динамики и функционирования [33, 65, 98, 108, 122, 135].
Биотестирование и биодиагностика, показатели ферментативной активности почв широко применяются в почвенно-генетических исследованиях, при решении прикладных задач почвоведения, связанных с плодородием, оценкой эффективности агротехнологий и интенсивности воздействия на почвы техногенных факторов. Биотестирование является наиболее целесообразным методом определения интегральной токсичности почв. В свою очередь и биодиагностика техногенного загрязнения почв является достаточно простым методом, который способен дать реальную оценку состояния почв [16, 34, 49, 67, 75, 86, 202, 260, 279, 282, 310].
Биоиндикаторы отражают влияние антропогенного воздействия на состояние окружающей среды и скорость происходящих в ней изменений, раскрывают тенденции развития экосистем, позволяют контролировать их состояние без необходимости постоянной регистрации химических и физических параметров, характеризующих качество среды. Почвы с высокой биологической активностью более резистентны к антропогенному прессу, упорнее сопротивляются воздействию извне [29, 89, 100, 113, 114, 229, 271].
Антропогенное воздействие сельскохозяйственного производства (распашка целинных почв, внесение удобрений, известкование, загрязнение пестицидами и др.) оказывает большое влияние на изменение показателей биологической активности почв. Происходят существенные сдвиги биохимических и микробиологических процессов через изменение агрохимических (содержание гумуса, элементов минерального питания), физико-химических (емкость поглощения, степень насыщенности основаниями, реакция почвенной среды) и физических показателей почв (микроагрегатный состав, пористость, плотность, температурный режим, влажность) [22, 97, 205, 227, 252, 261, 267].
В настоящее время отсутствует универсальный метод определения биологической активности почвы. Биодинамику определяют, пользуясь микробиологическими (прямой микроскопический подсчет микроорганизмов разных групп - бактерий, актиномицетов, грибов, определение количества микроорганизмов на разных питательных средах), биохимическими (определение ферментативной активности почв, АТФ, ДНК), физиологическими (определение биомассы микроорганизмов, дыхания почв) и химическими (определение нитратов, аммиака) методами [77].
Как самостоятельное научное направление в биологии почв, почвенная энзимология оформилась в результате фундаментальных исследований как в СССР [12-15, 55-62, 94, 96, 143, 144, 289, 306], так и за рубежом [333, 334, 344]. Результаты исследований 60-90-х гг., посвященные вопросам биодиагностики почв, позволили разработать новые и модифицировать уже применяющиеся в то время методики определения ферментативной активности почв, а энзиматические показатели использовать в качестве дополнительного диагностического критерия типов, видов и разновидностей как целинных, так и почв разной степени окультуренности.
Ферменты, будучи мощными катализаторами биохимических процессов в почвах, обеспечивают успешное осуществление системой «почва -микроорганизмы» ее главнейшей общепланетарной функции - разрушение первичного органического вещества и синтеза вторичного, обогащения почвы биогенными элементами и гумусом, осуществляют перенос веществ и энергии, находящихся в биогеоценозе или поступающих в него [28, 61, 62, 73, 76, 95, 193, 280, 281, 334].
Ферментативная активность почвы - способность почвы проявлять каталитическое воздействие на процессы превращения экзогенных и эндогенных органических и минеральных соединений благодаря имеющимся в ней ферментам, как в связном, так и в свободном состоянии [268].
Общий ферментный пул почвы состоит из сложного комплекса источников по локализации, составу и состоянию ферментов. Выделяют следующие составляющие ферментного пула в почве: 1. Ферменты, функционирующие внутри цитоплазмы живых микробных, животных и растительных клеток и осуществляющие основные метаболические процессы в них (гликолиз, цикл Кребса, окислительное фосфорилирование и др.). Вне клетки ферменты не могут функционировать, так как они связаны с различными кофакторами и физиологическими функциями клеток. При выделении во внешнюю среду после смерти и разрушения клеток ферменты могут оставаться в активном состоянии и поступать в фонд почвенных ферментов. 2. Ферменты, находящиеся в периплазматическом пространстве живых грамотрицательных бактерий. При выделении через разрушающиеся клеточные стенки ферменты могут оказаться в различном состоянии: адсорбироваться или подвергаться протеолизу. 3. Ферменты, прикрепленные к внешней поверхности живых клеток, активные центры которых свободны и направлены наружу (внеклеточные ферменты). К данной категории относятся ферменты, находящиеся в бактериальных и внекорневых слизях. 4. Ферменты, выделяемые живыми клетками в течение нормального роста и деления, которые оказываются в жидкой фазе почвы. Имеют низкий молекулярный вес (20000-40000) и продуцируются грамположительными бактериями, грибами и корнями растений. Их внеклеточная секреция связана с выполнением гидролиза высокомолекулярных или нерастворимых соединений, с разрушением потенциально экзогенных токсинов, с растворением питательных соединений и ткани хозяина перед инвазией патогена, со стимулированием взаимоблагоприятных реакций с другими видами организмов. Часть этих ферментов может иммобилизоваться в почве. 5. Ферменты внутри неделящихся клеток (споры грибов, цисты протозоа, семена растений, эндоспоры бактерий). 6. Ферменты, связанные внутри мертвых клеток и с клеточными осколками. Постоянное поступление их в почву обеспечивает определенный уровень ферментативной активности, связанный с этими компонентами. 7. Ферменты, выделяющиеся из функционирующих или из лизирующихся клеток. Первоначально эти ферменты локализованы и функционируют на поверхности или внутри клеток. В почвенном растворе могут сохраняться в течение короткого периода. К этой категории относятся многие гидролазы. 8. Ферменты, связанные временно в растворимые или нерастворимые фермент-субстратные комплексы. 9. Ферменты, которые адсорбированы на внешней поверхности глинистых минералов или внутри решетчатых структур силикатов. 10. Ферменты, которые связаны с гумусовыми коллоидами благодаря адсорбции, сополимеризации при образовании гумусовых веществ. Ферменты, иммобилизованные на почвенных коллоидах, имеют более длинный период полураспада, чем ферменты, находящиеся в водной фазе почвы.
Почвенный покров Смоленской области
Смоленская область располагается в подзоне дерново-подзолистых почв южной тайги. Почвообразующие породы представлены четвертичными отложениями различного генезиса и состава, преимущественно ледникового и водно-ледникового происхождения.
Карбонатные лессовидные суглинки занимают основное положение в составе почвообразующих пород территории и приурочены к плоским слабодренированным поверхностям. Чем менее дренирована территория, тем выше в профиле почв расположен карбонатный горизонт.
Карбонатные покровные суглинки характеризуются нейтральной или слабощелочной реакцией, очень высокой насыщенностью основаниями и достаточно высокой емкостью поглощения.
Покровные суглинки встречаются редко и представляют собой пылеватые безвалунные сортированные поверхностные отложения желто-бурого и бурого цвета, призмовидной структуры, преимущественно тяжелосуглинистые, хотя встречаются средне- и легкосуглинистые разновидности. Характерной особенностью покровных суглинков является преобладание крупнопылеватой фракции (более 50%), илистая фракция составляет около 30%, содержание песчаной не превышает 10%. Для этих пород характерна кислая реакция среды, степень насыщенности основаниями около 80%.
В составе моренных отложений преобладают несортированные валунные суглинки, часто с прослоями и линзами песка. Моренные суглинки красновато-или коричневато-бурого цвета разнообразного химического состава. Сильно опесчанены - содержание песчаных фракций (1-0,05 мм) более 40%, а крупнопылеватых (0,05-0,01 мм) не превышает 25%; характеризуются кислой реакцией среды, средними величинами емкости поглощения (18 мг-экв на 100 г почвы) и суммы обменных оснований, средней насыщенностью основаниями. Моренам суглинистого состава присуще высокая плотность сложения (1,9 г/см3) и низкая пористость (24 - 43%). Водопроницаемость суглинистых морен -от 0,13 до 0,90 м/сут. Плотные моренные суглинки, подстилая водно-ледниковые отложения, создают водоупор, способствуя заболачиванию плоских территорий. С учетом ведущих факторов почвообразования (рельефа и почвообразующих пород) в пределах области выделяют три почвенных округа: северо-западный, центральный и южный.
В северо-западный округ входит территория, формирование которой связано с деятельностью валдайского ледника и его талых вод. Почвы развиваются в основном на супесях, моренных суглинках, песках озерно-ледниковых и зандровых равнин. Весьма широко распространены двучленные породы, у которых нижний слой представлен моренной, а верхний - супесями, песками, легкими суглинками. Автоморфные почвы данной территории имеют высокую степень оподзоленности, связанную с увеличением количества осадков к северо-западу. Значительные площади занимают болотные почвы. Сильно выраженная мозаичность и контрастность почвенного покрова определяют мелкоконтурность сельскохозяйственных угодий, что существенно сдерживает развитие сельскохозяйственного производства.
Практически вся территория центрального округа находится в пределах Смоленско-Московской возвышенности, где преобладают крупные положительные формы рельефа, перекрытые лессовидными суглинками. Их доля существенно уменьшается лишь в бассейнах рек Угры, Десны, Сожи и по низинам, где весьма значительна в формировании почвенного покрова роль флювиогляциальных отложений – супесей, песков. Заметно больше здесь в разной степени смытых почв, что связано со значительным распространением склонов большой длины. Больше в этом округе доля дерново-подзолистых почв и меньше болотных. Заболоченные почвы представлены достаточно широко -площадь их заметно увеличивается в низинах, особенно в Сычевской, где преобладают тяжелые по гранулометрическому составу породы. Наибольшая пестрота почвенного покрова свойственна территориям с присутствием конечно-моренных образований (Вяземские, Рябцевкие, Рославльско-Асельские гряды) и отдельным участкам морено-зандровых равнин (бассейн Сожа, левобережье Угры). Южный округ расположен к югу от Рославльского пояса краевых образований. Данная территория представляет собой аллювиально-зандровую равнину, где основой почвенного покрова являются преимущественно пески и супеси, местами близко к поверхности подстилаемые мореной. Здесь широко распространены дерново-подзолистые глееватые и глеевые почвы. Их образованию способствуют равнинный рельеф, наличие плотного железистого слоя в иллювиальном горизонте (на глубине 50-100 см) или морены.
Почвенный покров области на 85% состоит из различных подтипов и видов дерново-подзолистых почв (включая переувлажненные и заболоченные), в долинах рек - аллювиальные. По гранулометрическому составу преобладают легко- и среднесуглинистые дерново-подзолистые почвы (66%). Песчаные и супесчаные составляют около 33%. Относительно небольшие площади занимают дерновые – 0,6%, пойменные и болотные почвы – 0,2%. Редко на лессовидных суглинках в местах близкого залегания к поверхности карбонатных пород или выходов жестких грунтовых вод можно встретить оглееные дерновые почвы (северо-восток области). Среди дерново-подзолистых почв Смоленской области наибольшие площади (более 30% всей площади области) занимают дерново-среднеподзолистые. Они распространены на склонах и хорошо дренированных поверхностях местных водоразделов. Дерново-слабоподзолистые почвы с небольшим и обедненным гумусовым горизонтом распространены чаще на ровных, слабо дренированных междуречьях, в ряде небольших западин, на песках зандровых равнин северо-запада, юга и юго-востока области. На моренных, нередко завалуненных суглинках и супесях на пологих склонах с нормальным увлажнением формируются дерново-среднеподзолистые почвы, в условиях более значительного увлажнения – дерново-сильноподзолистые почвы, а также, в виду значительно большей пестроты рельефа, заболоченные и болотные почвы.
Динамика агрохимических свойств дерново-слабоподзолистой супесчаной почвы под влиянием длительного применения удобрений
Органические и минеральные удобрения являются не только источником питательных веществ для растений и основой пополнения элементов питания в почве, но и важнейшим средством, влияющим на ее физико-химические свойства [239]. В связи с этим представляет большой интерес изучение изменения физико-химических свойств дерново-слабоподзолистой супесчаной почвы под влиянием длительного применения различных систем минеральных удобрений и навоза.
Анализ полученных данных по контрастным вариантам за 4 ротации севооборота показал, что изменение активной реакции почвенной среды находится в зависимости от систем применения удобрений и отсутствия известкования за последние 14 лет (табл. 7).
На неудобренном варианте наблюдается достоверный рост величины обменной кислотности почвы на 1,0 ед. по сравнению с исходным состоянием (рНKCl=6,1). С 1979 г. по 2002 г. в варианте N54P54K54H6,6 реакция среды (рНKCl) составляла 5,8, что было обусловлено проведением известкования перед первой и второй ротациями севооборота и его последействием, через 9 лет произошла стабилизация обменной кислотности почвы на уровне 4,7. Трехкратные дозы органо-минеральных удобрений привели к снижению обменной кислотности почвы на 0,7 ед. с 1 по 5 ротацию севооборота (рН=5,0). Внесение в почву ежегодно NPK108 кг д.в./га+Н13,2 т/га и извести перед 1 и 2 ротациями способствовало повышению обменной кислотности почвы варианта с 5,5 до 5,8. За последние 14 лет проведения опыта обменная кислотность почвы варианта стабилизировалась на уровне 5,3. При внесении 5-кратной дозы органо-минеральных удобрений произошло подкисление почвы по сравнению с исходными данными с 5,5 до 4,9 к началу 3 и по 5 ротации севооборота. Завершение последействия внесенной извести привело к повышению кислотности почвы на вариантах с односторонним внесением азотных, фосфорных и калийных удобрений в дозе 81 кг д.в./га на 0,6-0,8 ед. к началу 5 ротации севооборота. Комплексное внесение минеральных удобрений способствовало максимальному подкислению почвы опыта - на 1,5 ед. (рНKCl=4,6). Стабилизация обменной кислотности почвы (рНKCl=5,7) по сравнению с исходным состоянием наблюдалась на фоне применения органической системы удобрений (9,9 т/га). Зависимость величины обменной кислотности почвы от доз и сочетаний минеральных удобрений и навоза за первые 3 ротации и в начале 5 ротации севооборота отражена в следующих уравнениях регрессии: Коэффициенты корреляции и регрессии показывают заметную и прямую связь между анализируемыми показателями, детерминации – долю вариации величины обменной кислотности, объясненную количеством и видом вносимых удобрительных средств (в 44,3 и 44,6% случаев изменения факториального признака приводят к изменению результативного). Применение двух-, трех-, и пятикратных доз минеральных удобрений и навоза в комплексе способствовало не значительному снижению гидролитической кислотности почвы к началу 5 ротации севооборота - до 4,3 мг-экв/100 г почвы. Стабилизация обменной кислотности почвы произошла на вариантах: без удобрений, N27P27K27Н3,3, N108P108K108Н13,2 и с внесением навоза в дозе 9,9 т/га. Одностороннее внесение минеральных удобрений в дозе 81 кг д.в./га привело к уменьшению гидролитической кислотности почвы вариантов на 0,1 мг-экв/100 г почвы к началу 5 ротации по отношению к показателям за 4 ротацию севооборота (3,8, 3,1, 3,2 мг-экв/100 г почвы). Наибольшая величина гидролитической кислотности присуща почве варианта с минеральной системой удобрений (N81P81K81Н0) - 4,5 мг-экв/100 г почвы. Проведенные исследования показали, что величина гидролитической кислотности почвы зависит от равновесного значения рН солевой почвенной суспензии: Связь между анализируемыми показателями высокая и имеет обратный вид (величина гидролитической кислотности почвы будет закономерно понижаться на 0,39 мг-экв/100 г почвы при увеличении величины обменной кислотности почвы на 1 ед., в 60,6% случаев изменения факториального признака приводят к изменению результативного, остальные изменения будут зависеть от факторов, не учтенных в уравнении). Подкисление почвы в процессе сельскохозяйственного использования отчасти обусловлено выносом обменных оснований с урожаем и миграцией их за пределы пахотного слоя. Сумма обменных оснований в почве контрольного варианта составила к началу 5 ротации 6,3 мг-экв/100 г почвы.
Внесение трехкратных доз минеральных удобрений (односторонне и в комплексе) и органо-минеральной системы удобрений в одинарных дозах привело к уменьшению суммы обменных оснований с конца 4 ротации к началу 5 ротации на 0,1-0,3 и 0,6 мг-экв/100 г почвы соответственно.
Применение двух-, четырех- и пятикратных доз органо-минеральных удобрений стабилизировало количество обменных оснований в дерново-слабоподзолистой супесчаной почве вариантов (4,8, 4,8, 4,2 мг-экв/100 г почвы соответственно).
Органо-минеральная система применения удобрений в трехкратных дозах и одностороннее внесение навоза способствовало повышению содержания обменных карбонатов в почве на 0,2 и 0,1 мг-экв/100 г почвы с конца 4 к началу 5 ротации севооборота (6,5 и 4,3 мг-экв/100 г почвы соответственно). Существующая взаимосвязь между величиной обменной кислотности почвы и количеством обменных оснований в почве в начале 5 ротации севооборота описывается уравнением прямолинейной регрессии: Помимо варианта N27P27K27H3,3 и варианта с навозом, все остальные имеют сильнокислую и кислую реакцию среды, степень насыщенности основаниями от 48,3% до 68,5% и нуждаются в известковании.
На вариантах с органо-минеральной системой удобрений (N54-81P54-81K54-81Н6,6-9,9), обеспечивающих максимальную продуктивность агроценоза, необходимо проводить известкование раз за ротацию севооборота в норме 6,45 т/га. Известкование в повышенных дозах нецелесообразно, поскольку может привести к снижению в почве доступных для растений фосфатов и к иммобилизации многих микроэлементов, играющих важную физиологическую и биохимическую роль в жизни растений [309].
Изменение активности гидролитических ферментов в почве длительного стационарного опыта
Полифенолоксидаза (О – Дифенол: кислород – оксидоредуктаза) окисляет ароматические соединения в гуминовые вещества в присутствии кислорода воздуха. Активность оксидаз более существенно связана с уровнем внесения органических удобрений и в меньшей степени – с уровнем применения минеральных удобрений.
Активность как полифенолоксидазы, так и пероксидазы возрастала с увеличением доз удобрений в органо-минеральных вариантах опыта соответственно с 5,31 до 6,41 и с 4,81 до 5,53 мг пурпургаллина/100 г почвы за 30 мин. Следовательно, максимальная аккумуляция гумуса обеспечивалась за счет применения органоминеральной системы удобрения с 16,5 т/га навоза, при этом получены наиболее высокие в опыте показатели активности оксидаз (полифенолоксидаза – 6,41 мг пурпургаллина/100 г почвы за 30 мин, пероксидаза – 5,53 мг пурпургаллина/100 г почвы за 30 мин).
Зависимость активности полифенолоксидазы (5.7) и пероксидазы (5.8) от вносимых возрастающих доз минеральных удобрений и навоза отражена в следующих уравнениях регрессии: Минимальной активностью полифенолоксидазы и пероксидазы характеризовалась почва контрольного варианта – 4,24 и 4,75 мг пурпургаллина/100 г почвы за 30 мин соответственно. Одностороннее применение трехкратных доз азотных, фосфорных и калийных удобрений практически не повлияло на активность окислительно-восстановительных процессов. Органическая система удобрений была более эффективна по сравнению с минеральной системой и обеспечила преобладание в почве варианта N0P0K0H9,9 активности полифенолоксидаз (5,3 мг пурпургаллина/100 г почвы за 30 мин) над активностью пероксидаз (4,8 мг пурпургаллина/100 г почвы за 30 мин) (табл. 29, рис. 14, 15). Определение активности полифенолоксидазы и пероксидазы, участвующих в процессах гумусообразования, является дополнительной характеристикой процессов синтеза и распада гумусовых веществ. Отношение активности полифенолоксидазы к пероксидазе является условным коэффициентом гумификации и в определенной мере может характеризовать направленность этого процесса. Установлено, что на контрольном варианте и на вариантах с односторонним внесением трехкратных доз азотных, фосфорных и калийных удобрений (N81P0K0H0, N0P81K0H0, N0P0K81H0) преобладает активность ферментов, участвующих в минерализационных процессах (Кг 1,00). На данных вариантах опыта активность биогенеза молекул гуминовых кислот была низкой, условный коэффициент гумификации составлял в среднем 0,9 в конце 4 и в начале 5 ротации севооборота. Вариантам с органо-минеральной системой применения удобрений присущи процессы синтеза гумусовых веществ (Кг 1,00). На варианте с пятикратными дозами минеральных удобрений и навоза (N135P135K135H16,5) условный коэффициент гумификации был самый высокий по отношению к остальным вариантам опыта - 1,16. Ежегодное внесение навоза в дозе 9,9 т/га обусловило его последействие -на 32 год после закладки опыта в почве варианта процессы гумификации уже преобладали над минерализационными (Кг=1,10). Установлена прямая зависимость между условным коэффициентом гумификации и содержанием гумуса в почве исследуемых вариантов в начале 5 ротации севооборота: Таким образом, длительное применение удобрений привело к стабилизации гумификационных процессов в почве. Анализ взаимосвязи активности полифенолоксидазы с содержанием в почве гумуса, подвижного фосфора и калия показал, что между данными показателями существует высокая прямая зависимость (r = 0,905, r = 0,790, r = 0,953 соответственно), с количеством щелочногидролизуемого азота связь заметная прямая (r = 0,573). Связь активности пероксидазы с содержанием в почве гумуса и калия умеренная прямая (r = 0,487, r = 0,499), щелочногидролизуемого азота - заметная прямая (r = 0,558), с количеством подвижного фосфора - слабая прямая (r = 0,242). В результате проведенного исследования установлена прямая связь между активностью полифенолоксидазы и обменной кислотностью почвы (r = 0,080) и обратная связь между активностью пероксидазы и обменной кислотностью почвы (r = - 0,278). Невысокая активность полифенолоксидазы и достаточно высокая пероксидазы в вариантах с односторонним внесением трехкратных доз аммиачной селитры, суперфосфата двойного гранулированного и хлорида калия по отношению к остальным вариантам опыта может быть обусловлена подкислением почвы исследуемых вариантов. Оптимум активности полифенолоксидазы лежит в области рН=6,0-7,0. По мере уменьшения рН до 5,0 начинается отщепление иона меди и падение активности фермента. При более низких значениях почвенной кислотности образуется ряд неспецифических продуктов окисления фенолов, что может быть причиной изменения качественного состава гумуса в кислых почвах. Оптимум действия пероксидазы находится в области рН=4,2. Анионы ингибируют фермент, связывая атом железа его активного центра при рН 6,2. Более высокая пероксидазная активность указывает на высокую степень минерализации органического вещества почвы. Следовательно, раздельное внесение по 81 кг д.в./га минеральных удобрений не позволяет достигнуть высокого положительного баланса гумуса.
Зависимость активности оксидаз с гидролитической кислотностью почвы имеет вид прямой слабой зависимости. Коэффициенты линейной корреляции между активностью полифенолоксидазы и пероксидазы с гидролитической кислотностью соответственно равны r = 0,284 и r = 0,438.
Между активностью ферментов и остальными рассматриваемыми физико-химическими показателями почвы не обнаружено прямой зависимости (активность полифенолоксидазы, мг пурпургаллина/100 г почвы за 30 мин с Ca2++Mg2+, мг-экв/100 г почвы - r = -0,217, активность полифенолоксидазы, мг пурпургаллина/100 г почвы за 30 мин с V, % - r = -0,315; активность пероксидазы, мг пурпургаллина/100 г почвы за 30 мин с Ca2++Mg2+, мг-экв/100 г почвы - r = -0,591; активность пероксидазы, мг пурпургаллина/100 г почвы за 30 мин с V, % - r = -0,649) (табл. 30, 31).
