Активность оксидаз в высоко окультуренной дерново-подзолистой легкосуглинистой почве при разных уровнях минерального питания сельскохозяйственных культур

Почвоведение и агрохимия № 2(57) 2016

Размещено на http://www.allbest.ru//

124

Размещено на http://www.allbest.ru//

Активность оксидаз в высоко окультуренной дерново-подзолистой легкосуглинистой почве при разных уровнях минерального питания сельскохозяйственных культур

В.В. Лапа

ВВЕДЕНИЕ

Показатели биологической активности тесно коррелируют с содержанием органического вещества [1, 3, 4, 5] и считаются надежными критериями оценки плодородия почв и нормирования антропогенной нагрузки [1, 2, 3, 4, 7]. Высоко окультуренные дерново-подзолистые почвы республики недостаточно исследованы в биологическом отношении [8]. В настоящее время для оценки биологического состояния почв используется широкий спектр показателей: численность и биомасса бактерий, актиномицетов, грибов, физиологических и систематических групп микроорганизмов; ферментативная активность почв; аммонифицирующая, нитрифицирующая и денитрифицирующая активность почв; аппликационные методы; газовый анализ и т.д. [1].

При решении задач по установлению скорости и направленности трансформации органического вещества под влиянием антропогенных факторов целесообразно использовать показатели ферментативной активности. Превращения органического вещества осуществляются при прямом участии микроорганизмов, за счет их метаболитов или за счет действия внеклеточных почвенных ферментов, иммобилизованных на минеральные или органические компоненты почвы. Внеклеточные ферменты составляют значительную часть ферментного запаса почвы и характеризуются более высокой устойчивостью к денатурирующим факторам, длительно сохраняют свои каталитические свойства [5, 6]. Стабилизация абиотических ферментов обусловлена их прочными связями с минеральными и органическими компонентами почвы (органо-минерально-ферментные комплексы) [9].

Окислительные ферменты привлекают внимание исследователей благодаря их роли в процессах гумификации. По современным представлениям катализаторами гумификации (окисления и полимеризации) разлагающихся лигнинов растительных остатков считаются микробные оксидазы - полифенолоксидазы и пероксидазы. Их активность служит биохимическим показателем интенсивности процессов гумификации [4, 5, 8, 9, 10, 11] - одной из важнейших экологических функций почвы, имеющей значение для поддержания ее плодородия. Интенсивность гумификационных процессов в значительной степени зависит от уровня антропогенной нагрузки [2, 5, 6, 10].

В настоящее время приоритетной экологической задачей является оценка влияния систем удобрения, применяемых на высоко окультуренных дерново-подзолистых почвах на скорость и направленность трансформации органического вещества.

Цель исследований - провести количественную оценку активности гумификационных процессов, протекающих под действием полифенолоксидаз и пероксидаз, и установить биохимические показатели гумификации в высоко окультуренных дерново-подзолистых легкосуглинистых почвах при разных уровнях минерального питания сельскохозяйственных культур.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ

Исследования проведены в полевом опыте на высоко окультуренной дерновоподзолистой легкосуглинистой почве (ОаО «Гастелловское», Минский р-н). агрохимическая характеристика пахотного слоя почвы: рнKCl 6,2-6,8, содержание подвижных Р2О5 - 650-750, К2О - 400-500 мг/кг почвы, гумуса - 2,03-2,57 %. Опыт развернут в пространстве в трех полях. Схема полевого опыта содержит 16 вариантов в 4-кратной повторности (схема представлена в таблицах). Общий размер делянки 36,0 м2. Биохимические исследования проведены в звене севооборота кукуруза - яровая пшеница - яровой ячмень (поля 3 и 4).

В 2014-2015 гг. в поле 3 возделывали яровую пшеницу Василиса и яровой ячмень Стратус, в поле 4 - кукурузу Дельфин и яровую пшеницу Василиса. Дозы удобрений под зерновые культуры: P1K1 - Р20К45; P2K2 - P40K90;N1 - 60; N2 - 60+30; N3 - 90+30; микроэлементы (МЭ) - Сu50 + Mn50, под кукурузу: P1K1 - Р15К40; P2K2 - P30K80;N1 - 90; N2 - 90+30; N3 - 120+30; МЭ - Zn100. некорневую подкормку микроэлементами проводили в фазе одного узла на зерновых культурах и в фазе 6-7 листьев на кукурузе. Органические удобрения (60 т/га соломистого навоза) вносили под осеннюю вспашку; фосфорные и калийные удобрения (аммонизированный суперфосфат и хлористый калий) вносили весной под предпосевную культивацию, азотные - в форме карбамида под предпосевную культивацию и в подкормку. агротехника возделывания зерновых культур и кукурузы - общепринятая для Республики Беларусь.

Подготовка почвы для биохимических анализов включала: высушивание, просеивание, отбор корешков. В образцах почвы определена активность окислительных ферментов - полифенолоксидазы и пероксидазы. Для определения их активности использованы колориметрические методы, в которых ферментными субстратами служит гидрохинон, активность ферментов определяется по количеству окрашенного продукта ферментативной реакции бензохинона, активность ферментов рассчитывается в мг бензохинона /кг почвы [11].

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Наиболее универсальным и масштабным процессом, приводящим к синтезу органических веществ, является гумификация ароматических соединений, входящих в состав лигнинов и представляющих, наряду с полисахаридами, основные формы органического углерода в почве [1, 3, 4]. В соответствии с представлениями И.В.Тюрина, W. Flaig, Л.н. александровой, T.K. Kirk and R.L. Ferrell., М. Schnitzer, н.а. Туева, а.е. Гулько, Ф.Х. Хазиева и других исследователей разложение и гумификация лигнина являются окислительными процессами с обязательным участием оксидаз, катализирующих окисление ароматических полифенолов с образованием хиноидных структур (хинонов и семихинонов), без которых невозможны реакции конденсации с органическими аминосоединениями и образование молекул гуминовых кислот [4, 13, 14, 15, 16, 17, 18]. Большинство исследователей считает, что окислительная конденсация (полимеризация) идет вне живой клетки за счет внеклеточных оксидаз.

Окислительная гумификация лигнина в почве может идти разными путями: с участием кислорода воздуха и за счет кислорода перекиси водорода, которая образуется в почве за счет деятельности микроорганизмов, а также в результате некоторых химических и биохимических реакций.

Процессы окислительной полимеризации ароматических соединений за счет кислорода воздуха. Полифенолоксидазы (ПФО) - преимущественно микробного происхождения, имеются у многих почвенных грибов. Эти ферменты могут находиться в почве как в свободном, так и в связанном состоянии. Основная функция полифенолоксидаз - участие в биосинтезе гумусовых кислот за счет катализа реакций окислительной полимеризации ароматических соединений с участием кислорода воздуха [13-18].

В почвенных образцах определена активность ПФО при возделывании яровой пшеницы и кукурузы (поля 3 и 4) в 2014 г. Установлены сравнимые показатели активности полифенолоксидаз в почве под яровой пшеницей и кукурузой. Внесение соломистого навоза (60 т/га), его сочетания с разными дозами фосфорных и калийных удобрений, а также возрастающие дозы азотных удобрений и их сочетание с микроэлементами приводили к повышению активности ПФО в высоко окультуренной дерново-подзолистой легкосуглинистой почве (табл. 1).

Таблица 1

Полифенолоксидазная активность дерново-подзолистой легкосуглинистой почвы (ОАО «Гастелловское», поля 3 и 4, 2014 г.)

Почвоведение и агрохимия № 2(57) 2016

Размещено на http://www.allbest.ru//

124

Размещено на http://www.allbest.ru//

Яровая пшеница (поле 3): P1K1 - Р20К45; P2K2 - P40K90; N1 - 60; N2 - 60+30; N3 - 90+30; МЭ - Сu50 + Mn50; кукуруза (поле 4): P1K1 - Р15К40; P2K2 - P30K80;N1 - 90; N2 - 90+30; N3 - 120+30; МЭ - Zn100.

При возделывании яровой пшеницы и ярового ячменя в 2015 г. (поля 3 и 4) были также отмечены близкие показатели активности полифенолоксидаз. Как и в 2014 г. применение возрастающих доз азота и их сочетаний с микроэлементами на фонах 60 т/га навоза и его сочетаний с P1K1 и P2K2 оказывали сравнимое действие на полифенолоксидазную активность высоко окультуренной дерново-подзолистой легкосуглинистой почвы. Как и в 2014 г. наибольшую активность ПФО наблюдали на фоне 3 - навоз, 60 т/га + P2K2 (табл. 2).

Таблица 2

Полифенолоксидазная активность дерново-подзолистой легкосуглинистой почвы (ОАО «Гастелловское», поля 3 и 4, 2015 г.)

Яровой ячмень (поле 3): P1K1 - Р20К45; P2K2 - P40K90;N1 - 60; N2 - 60+30; N3 - 90+30; МЭ - Сu50 + Mn50; яровая пшеница (поле 4): P1K1 - Р20К45; P2K2 - P40K90; N1 - 60; N2 - 60+30; N3 - 90+30; МЭ - Сu50 + Mn50.

По данным ферментативной диагностики получены усредненные биохимические показатели активности гумификации - окислительной полимеризации под действием кислорода воздуха - в цикле углерода по двум полям полевого опыта (табл. 3).

Таблица 3 Биохимические показатели активности гумификации в высоко окультуренной дерново-подзолистой легкосуглинистой почве при разных системах удобрения (окислительная полимеризация за счет кислорода воздуха, 2014-2015 гг.)

Яровой ячмень и яровая пшеница: P1K1 - Р20К45; P2K2 - P40K90;N1 - 60; N2 - 60+30; N3 - 90+30; МЭ - Сu50 + Mn50; кукуруза - P1K1 - Р15К40; P2K2 - P30K80; N1 - 90; N2 - 90+30; N3 - 120+30; МЭ - Zn100.

Результаты анализов почвенных образцов за 2014-2015 гг. показали, что при возделывании яровой пшеницы, кукурузы и ярового ячменя получены сходные закономерности изменения активности полифенолоксидаз по вариантам опыта с разными системами удобрения. При равных дозах соломистого навоза (60 т/га) увеличение доз фосфорных и калийных удобрений, а также возрастающие дозы азота и их сочетание с микроэлементами последовательно активизировали процессы гумификации, регулируемые микробными полифенолоксидазами. Как правило, на всех трех фонах полевого опыта наиболее активное протекание окислительной полимеризации с участием кислорода воздуха отмечали при сочетании азотных удобрений с микроэлементами (табл. 3).

По результатам 3-летнего эксперимента получены усредненные биохимические показатели гумификации по процессу окислительной полимеризации ароматических соединений - за счет кислорода воздуха:

в почве без удобрений активность полифенолоксидазы составила - 23,3 мг бензохинона/кг почвы (100%);

внесение 60 т/га соломистого навоза усиливало гумификацию на 8%, сочетание навоза с Р1К1 - на 9 %; с Р2К2 - на 15 % до 25,1, 25,5 и 26,7 мг бензохинона/кг почвы соответственно;

внесение возрастающих доз азота N1 и N2 на 12-14 % усиливало гумификацию на фонах 60 т/га навоза; на 15-19 % на фонах 60 т/га навоза+P1K1; на 23-27 % на фонах 60 т/га навоза + P2K2,что составило 26,2-26,7, 26,8-27,6 и 28,6-29,7 мг бензохинона/кг почвы соответственно;

наибольшее усиление активности гумификации на изученных фонах удобрений отмечено при сочетании доз азота N2 иN3 с микроэлементами - на 19- 24 % на фонах 60 т/га навоза; на 21-27 % на фонах 60 т/га навоза+P1K1 и на 30-34 % на фонах 60 т/га навоза + P2K2, что составило 27,8-28,8, 28,1-29,5 и 30,3-31,2 мг бензохинона/кг почвы соответственно.

Биохимические показатели активности гумификации позволяют проводить сравнительную оценку влияния удобрений (и других антропогенных факторов) на активность гумификации в цикле углерода, проводить экологическую оценку систем удобрения и на ранних стадиях выявлять негативные экологические процессы.

Процессы окислительной полимеризации ароматических соединений за счет кислорода перекиси водорода. Пероксидазы (ПО) поступают в почву в виде прижизненных выделений корней растений и микроорганизмов. Эти ферменты присутствуют в почве в свободном состоянии, а также могут быть связаны в органо-минерально-ферментные комплексы. Основная функция перокси- даз - регулирование биосинтеза гумусовых кислот за счет катализа реакций окислительной полимеризации ароматических соединений с участием кислорода н2О2 [13-18].

По данным экспериментов закономерности изменения активности почвенных пероксидаз были в целом аналогичны закономерностям изменения ПФО. От первого к третьему фону опыта пероксидазная активность почвы возрастала, указывая на повышение активности гумификации при внесении навоза и его сочетании с NPK-удобрениями (табл. 4).

Таблица 4 Пероксидазная активность дерново-подзолистой легкосуглинистой почвы (ОАО «Гастелловское», поля 3 и 4, 2014 г.)

Яровая пшеница (поле 3): P1K1 - Р20К45; P2K2 - P40K90;N1 - 60; N2 - 60+30; N3 - 90+30; МЭ - Сu50 + Mn50; кукуруза (поле 4): P1K1 - Р15К40; P2K2 - P30K80;N1 - 90; N2 - 90+30; N3 - 120+30; МЭ - Zn100.

В 2015 г. при возделывании ярового ячменя и яровой пшеницы установлены аналогичные зависимости активности почвенных пероксидаз от уровня минерального питания сельскохозяйственных культур. В целом от первого к третьему фону опыта отмечено усиление пероксидазной активности почвы при внесении навоза и его сочетании с NPK-удобрениями. наибольшая активность пероксидаз в почве установлена на вариантах фона 3 при возделывании яровой пшеницы и кукурузы. Отмечена тенденция усиления гумификации на вариантах N3+МЭ (табл. 5).

Таблица 5 Пероксидазная активность дерново-подзолистой легкосуглинистой почвы (ОАО «Гастелловское», поля 3 и 4, 2015 г.)

Яровой ячмень (поле 3): P1K1 - Р20К45; P2K2 - P40K90;N1 - 60; N2 - 60+30; N3 - 90+30; МЭ - Сu50 + Mn50; яровая пшеница (поле 4): P1K1 - Р20К45; P2K2 - P40K90; N1 - 60; N2 - 60+30; N3 - 90+30; МЭ - Сu50 + Mn50.

По данным эксперимента получены усредненные биохимические показатели гумификации (окислительной полимеризации под действием кислорода перекиси водорода) в цикле С по двум полям полевого опыта (табл. 6).

Исследования 2014-2015 гг. показали, что в условиях эксперимента активность микробных пероксидаз в среднем несколько превышала полифенолоксидазную активность почвы. Закономерности варьирования активности обоих окислительных ферментов по вариантам с разными уровнями минерального питания яровой пшеницы, ярового ячменя и кукурузы были сходными.

По результатам 3-летнего эксперимента получены усредненные биохимические показатели гумификации по процессам окислительной полимеризации ароматических соединений - за счет кислорода перекиси водорода:

в почве без удобрений активность пероксидазы - 26,8 мг бензохинона/кг почвы (100 %);

внесение 60 т/га соломистого навоза усиливало гумификацию на 4%, сочетание навоза с Р1К1 - на 15 %, с Р2К2 - на 24 % до 28, 30,9 и 33,3 мг бензохинона/кг почвы соответственно;

внесение возрастающих доз азота N1 и N2 на 9-13 % усиливало гумификацию на фонах 60 т/га навоза; на 20-23 % на фонах 60 т/га навоза + P1K1; на 25- 31 % на фонах 60 т/га навоза + P2K2 до 29,3-30,4, 32,1-33 и 33,6-35,1 мг бензохинона/кг почвы соответственно;

наибольшее усиление активности гумификации на изученных фонах удобрений отмечено при сочетании доз азота N2 иN3 с микроэлементами - на 16- 26 % на фонах 60 т/га навоза; на 27-29 % на фонах 60 т/га навоза+P1K1; на 36-40 % на фонах 60 т/га навоза + P2K2 до 31-33,7, 34-34,6 и 36,6-37,6 мг бензохинона/кг почвы соответственно (табл. 6).

Полученные биохимические показатели позволяют оценивать влияние удобрений на активность процессов гумификации и определять оптимальные варианты для сохранения достигнутого уровня окультуренности почвы.

Таблица 6 Биохимические показатели активности гумификации в высоко окультуренной дерново-подзолистой легкосуглинистой почве при разных системах удобрения (окислительная полимеризация за счет кислорода Н2О2, 2014-2015 гг.)

Яровой ячмень и яровая пшеница - P1K1 - Р20К45; P2K2 - P40K90;N1 - 60; N2 - 60+30; N3 - 90+30; МЭ - Сu50 + Mn50; кукуруза - P1K1 - Р15К40; P2K2 - P30K80; N1 - 90; N2 - 90+30; N3 - 120+30; МЭ - Zn100.

ВЫВОДЫ

В полевом опыте на высоко окультуренной дерново-подзолистой легкосуглинистой почве изучено влияние систем удобрения на активность гумификации в цикле углерода. Внесение 60 т/га соломистого навоза, его сочетание с РК-удобрениями, внесение N60 и N60+30 под яровую пшеницу и яровой ячмень, N90 и N90+30 под кукурузу, а также сочетание азота с микроэлементами Cu50+Mn50 под пшеницу и ячмень и Zn100 под кукурузу были факторами усиления гумификации ароматических полифенолов, входящих в состав лигнинов. Установлены биохимические показатели активности гумификации по процессам окислительной полимеризации ароматических соединений - за счет кислорода воздуха (полифенолоксидазы) и за счет кислорода перекиси водорода (пероксидазы).

В условиях высоко окультуренной дерново-подзолистой легкосуглинистой почвы наибольшая стимуляция гумификации на 34 % до 31,2 мг бензохинона/кг почвы (ПФО) и на 40 % до 37,6 мг бензохинона/кг почвы (ПО) отмечена при внесении N90+30Cu50 + Mn50 под яровую пшеницу и яровой ячмень на фоне внесения 60 т/га соломистого навоза в сочетании с P40K90, а также при внесении N120+30Zn100 под кукурузу на фоне 60 т/га соломистого навоза в сочетании с P30K80.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Звягинцев, Д.Г. Биология почв / Д.Г. Звягинцев, И.Л. Бабьева, Г.М. Зенова. - МГУ, 2005. - 445 с.

Микроорганизмы и охрана почв / под ред. Д.Г. Звягинцева. - М: Изд-во МГУ, 1989. - 206 с.

Щербакова, Т.А. Ферментативная активность почв и трансформация органического вещества / Т.а. Щербакова. - Минск: наука и техника, 1983. - 221 с.

Туев, Н.А. Микробиологические процессы гумусообразования / н.а. Туев. -

М.: ВО агропромиздат. - 1989. - 237 с.

Bandick, A.K. Field management effects on soil enzyme activities / A.K. Bandick,

R.P. Dick // Soil Biol. Biochem. - 1999. - Vol. 31, № 11. - P. 1471-1479.

Caldwel, B.A. Enzyme activities as a component of soil biodiversity: A review /

B.A. Caldwel // Pedobiologia. - 2005. - Vol. 49. - P. 637-644.

Биохимические и микробиологические критерии оценки плодородия почв и нормирования антропогенной нагрузки: методические рекомендации / В.В. Лапа [и др.]. - Минск: Ин-т почвоведения и агрохимии. - 2015. - 40 с.

агрохимическая характеристика почв сельскохозяйственных земель Республики Беларусь (2007-2010) / И.М. Богдевич [и др.]. - Минск: Ин-т почвоведения и агрохимии, 2012. - 276 с.

Boyd, S.A. Enzyme interactions with clays and clay-organic matter complexes /

S.A. Boyd, M.M. Mortland // Soil Biochemistry. - New York: Marcel Dekker, 1990. - Р. 1-28.

Лапа, В.В. Ферментативная активность дерново-подзолистых почв при разных уровнях применения удобрений / В.В. Лапа, н.а. Михайловская // Доклады нан Беларусi. - 2015. - Том 59. - № 5. - С. 139-145

Карагiна, Л.А. Вызначэнне актыунасцi полiфенолаксiдазы iпераксiдазы у глебе / Л.а. Карагiна, н.а. Мiхайлоуская // Весцi ан БССР. Сер. с/г навук. - 1986. - № 2. - С. 40-41.

Knicker, H. Incorporation studies of NH4+ during incubation of organic residues by 15N-CPMAS-NMR-spectroscopy / H. Knicker, H.D. Lьdemann and K. Haider // Eur. J. Soil Sci. - 1997. - Vol. 48. - P. 431-441.

Flaig, W. Zur Umwandlung von Lignin in Humusstoffe / W. Flaig // Freiberger For schungen. - 1962. - Vol. 254.

Тюрин, И.В. Органическое вещество почвы и его роль в плодородии / И.В. Тюрин. - М.: наука, 1965. - 319 с.

Александрова, Л.Н. Органическое вещество почвы и процессы его трансформации / Л.н. александрова. - Л.: наука, 1980. - С. 122-133.

Размещено на Allbest.ru