Почвоведение и агрохимия №1(46) 2011
244
ПлОДОРОДИЕ ПОЧВ И ПРИМЕНЕНИЕ уДОБРЕНИй
243
Институт почвоведения и агрохимии
БИОлОГИЧЕсКАЯ АКТИВНОсТь ДЕРНОВО-ПОДзОлИсТОй суПЕсЧАНОй ПОЧВы В зАВИсИМОсТИ ОТ ОБЕсПЕЧЕННОсТИ ПОДВИжНыМ ФОсФОРОМ
Н.А. Михайловская, И.М. Богдевич,
О.В. Василевская, Т.В. Погирницкая
ВВЕДЕНИЕ
Биологическое состояние почвы является одним из основных критериев оценки уровня антропогенной нагрузки. В настоящее время экологическая актуальность диагностики биологического состояния почв возрастает, в особенности на дерново-подзолистых супесчаных почвах, которые отличаются сравнительно высоким уровнем биологической активности. наиболее значимым антропогенным фактором, влияющим на биологическую активность почв, являются удобрения. Для сохранения плодородия и поддержания биологического равновесия дерново-подзолистых супесчаных почв необходимо регулировать уровень нагрузки по минеральным удобрениям, в том числе по фосфорным. несбалансированное применение удобрений может негативно воздействовать на интенсивность и направленность биохимической трансформации органического вещества [1].
необходимость биологического тестирования диктуется с одной стороны экологическими соображениями, чтобы оценить сбалансированность запаса элементов минерального питания в почве. С другой стороны, возрастающая стоимость фосфорных удобрений требует более строгой оценки избыточного накопления подвижных фосфатов в почве, чтобы избежать нерациональных экономических затрат. Как недостаток, так и избыток фосфора неблагоприятны для растений [2-4].
несмотря на значимость биологических показателей в качестве критериев изменений, вызываемых антропогенной деятельностью, они практически не используются в системе экологического мониторинга почв. К настоящему времени недостаточно научной информации по влиянию обеспеченности дерново-подзолистых супесчаных почв подвижным фосфором на ее биологическую активность [5]. Для надежной оценки необходимо проведение исследований по расширенному спектру показателей биологической активности почвы.
Цель исследований - установить влияние обеспеченности дерново-подзолистой супесчаной почвы подвижным фосфором на ее биологический статус по следующим параметрам - микробной биомассе, дегидрогеназной, протеолитической, целлюлозолитической, инвертазной и фосфатазной активности. дерновый подзолистый супесчаный почва
ОБЪЕКТы И МЕТОДИКА ИсслЕДОВАНИй
Исследования проведены в многолетнем стационарном опыте на дерново-подзолистой рыхлосупесчаной почве с мощной прослойкой песка (60-80 см) на контакте с размытой мореной (Узденский район Минская область) в 2008-2010 гг. Пахотный горизонт почвы характеризовался следующими агрохимическими показателями: pH (KCl) 6,0-6,2, содержание подвижного калия (по Кирсанову) 300-350 мг/кг, гумус 2,64-2,71%, обменный кальций (CaO) 800-850 мг/кг, обменный магний (MgO) 140-150 мг/кг. В эксперименте созданы четыре уровня обеспеченности почвы подвижными формами фосфора, в период исследований содержание подвижного фосфора (Р2О5) составило: первый уровень - 207 мг/кг, второй - 244 мг/кг, третий - 286 мг/кг и четвертый - 394 мг/кг. на каждом уровне насыщения подвижным фосфором изучены следующие варианты удобрения в четырех повторениях: Контроль (без удобрений), NК, NКР10, NКР30, NКР60. Дозы азотных удобрений дифференцируются в зависимости от возделываемой культуры. Доза калийных удобрений - К90. Общая площадь делянок - 45 м2, учетная площадь - 24 м2.
Чередование культур в севообороте: кукуруза, яровая пшеница, однолетние травы на зеленую массу, озимая рожь, яровая пшеница, горох, озимое тритикале.
Под кукурузу внесен навоз - 60 т/га.
В почвенных образцах определяли содержание углерода в микробной биомассе, используя фумигационно-экстракционный метод [6]. Для определения протеолитической активности применяли методику А.ш. Галстяна, активность фермента выражали в мг глицина/кг почвы [7, стр. 95]. Целллюлазную активность оценивали аппликационным методом в модификации А.Ф. Захарченко, по убыли массы фильтровальной бумаги (%), помещенной в почву на 14 дней [7, стр. 7374]. Активность инвертазы определяли по методу, предложенному Т.А. Щербаковой, и выражали в мг глюкозы/кг почвы [8]. Активность фосфатазы оценивали по методу Табатабая и Бремнера (1969), активность фермента рассчитывали в мг р-нитрофенола (ПнФ)/кг почвы [7, стр. 137]. Для оценки дегидрогеназной активности почвы использовали модифицированный метод А.ш. Галстяна [7, стр. 3435], активность фермента выражали в мг трифенилформазана (ТФФ)/кг почвы. Отбор почвенных образцов для биологических исследований проводили весной до внесения удобрений [9].
РЕзульТАТы ИсслЕДОВАНИй И ИХ ОБсужДЕНИЕ
Биологические исследования проведены на автоморфных дерново-подзолистых супесчаных почвах, подстилаемых моренными суглинками, которые широко распространены на территории Беларуси и занимают в составе пашни 48,5%. В длительном модельном эксперименте с искусственно сформированной дифференциацией по содержанию подвижных форм фосфора в диапазоне 207-394 мг/кг (Р2О5) получены данные по биологической активности почвы, сопоставление которых с показателями продуктивности сельскохозяйственных культур позволило определить биологически обоснованные уровни обеспеченности фосфором.
Для оценки общей численности микроорганизмов в почве определены содержание углерода в микробной биомассе (Сбиомассы) и дегидрогеназная активность. Указанные показатели используются для установления общего уровня биогенности почв. Дегидрогеназная активность дает представление о живом микробном населении почвы, так как процессы дегидрирования органического субстрата происходят при участии дегидрогеназ живых клеток почвенных микроорганизмов, которые восстанавливают субстрат во время эксперимента.
Отмечено повышение численности микробных сообществ почвы по мере насыщения почвы подвижным фосфором от 207 до 286 мг/кг. наиболее благоприятные показатели содержания углерода в микробной биомассе, в пределах 2,9-4,6 г/кг, и продуктивности сельскохозяйственных культур, 46,7-54,1 ц/га к.ед., отмечены при насыщении почвы Р2О5 в пределах 244-286 мг/кг и внесении фосфорных удобрений в дозах Р10, Р30 и Р60 (рис. 1, 2). насыщение подвижным фосфором до 394 мг/кг неблагоприятно воздействовало на развитие и жизнедеятельность микробных сообществ почвы, отмечено снижение их численности.
Аналогичные закономерности установлены при определении дегидрогеназной активности почвы. В соответствии с экспериментальными данными возрастание обеспеченности фосфором повышало заселенность почвы микроорганизмами, наиболее высокая биогенность отмечена при содержании фосфора в почве на уровне 286 мг/кг, повышение обеспеченности фосфором до 394 мг/кг вызывало снижение численности микробных сообществ почвы (рис. 3). на основании анализа продуктивности культур и дегидрогеназной активности почвы установлен наиболее оптимальный диапазон активности фермента - 300-350 мг ТФФ/кг, что соответствует и наиболее высокой продуктивности севооборота. Внесение Р10Р60 при содержании фосфора в почве 286 мг/кг и Р60 при содержании фосфора
244 мг/кг поддерживает оптимальный уровень дегидрогеназной активности - 300350 мг ТФФ/кг, и обеспечивает продуктивность севооборота 50,2-54,1 ц/га к.ед. на дерново-подзолистой рыхлосупесчаной почве (рис. 2, 3). насыщение почвы фосфором до 394 мг/кг угнетало развитие микробных сообществ, их численность при этом была соизмерима с биогенностью почвы с содержанием Р2О5 на уровне 207 мг/кг.
Почвоведение и агрохимия №1(46) 2011
244
ПлОДОРОДИЕ ПОЧВ И ПРИМЕНЕНИЕ уДОБРЕНИй
243
Рис. 1 Сбиомассы в дерново-подзолистой супесчаной почве с разным содержанием Р2О5
Почвоведение и агрохимия №1(46) 2011
244
ПлОДОРОДИЕ ПОЧВ И ПРИМЕНЕНИЕ уДОБРЕНИй
243
Рис. 2 Продуктивность севооборота на дерново-подзолистой супесчаной почве (2001-2008 гг.)
Анализ данных по микробной биомассе и по дегидрогеназной активности показывает, что содержание Р2О5 в дерново-подзолистой супесчаной почве на уровне 394 мг/кг неблагоприятно воздействует на микробные сообщества и является избыточным. на четвертом уровне обеспеченности почвы фосфором отмечается также стабилизация или снижение продуктивности сельскохозяйственных культур.
Одной из задач исследований была оценка целлюлозолитической активности почвы. Целлюлазы представляют собой группу гидролитических ферментов, которые осуществляют разложение целлюлозы, составляющей около 50% сухого вещества растительных остатков и являющейся наиболее значимым полисахаридом, поступающим в почву [7, 10, 12]. В цикле углерода почвы целлюлазы играют существенную роль, так как целлюлоза представляет один из наиболее существенных источников углеродсодержащих соединений.
Рис. 3 Дегидрогеназная активность дерново-подзолистой супесчаной почвы в зависимости от содержания подвижного фосфора и доз фосфорных удобрений
на рис. 4 представлены данные по активности фермента при содержании подвижного фосфора в диапазоне 207-394 мг/кг (Р2О5) и внесении возрастающих доз фосфорных удобрений Р10, Р30 и Р60. Установлено, что при насыщении почвы фосфором до 244-286 мг/кг и внесении Р10 -Р60 поддерживается наиболее высокий в опыте уровень активности целлюлазы - 21-33%, что соответствует наиболее высокой продуктивности севооборота - 46,7-54,1 ц/га к.ед. (рис. 2). Депрессия активности целлюлазы отмечается при содержании Р2О5 в почве около 300 мг/кг и дозах Р30-Р60 и усиливается при содержании около 400 мг/кг подвижного фосфора (рис. 4).
Почвоведение и агрохимия №1(46) 2011
244
ПлОДОРОДИЕ ПОЧВ И ПРИМЕНЕНИЕ уДОБРЕНИй
243
Рис. 4 Целлюлозолитическая активность дерново-подзолистой супесчаной почвы при разной обеспеченности подвижным фосфором
Изучена зависимость инвертазной активности дерново-подзолистой супесчаной почвы от содержания подвижного фосфора. Инвертазы осуществляют гидролитическое разложение сахарозы, их активность является показателем скорости накопления глюкозы и фруктозы в почве. В цикле углерода почвы инвертазы также играют важную роль, высвобождая легко растворимые низкомолекулярные сахара, которые представляют источник питания для микроорганизмов [7, 10, 11]. Высокий уровень активности инвертаз способствует развитию микробной биомассы и поддерживает определенный уровень биогенности почвы.
Установлено, что на первом и втором уровнях при содержании фосфора 207244 мг/кг все изученные дозы удобрений Р10-Р60 повышали активность инвертазы. ее существенная депрессия отмечена на третьем уровне при содержании Р2О5 в почве 286 мг/кг под действием дозы Р60 фосфорных удобрений. Инвертазная активность при высокой обеспеченности почвы фосфором (394 мг/кг) сопоставима с активностью фермента на первом и втором уровнях (рис. 5).
на основании биохимических тестов и оценки их связи с продуктивностью культур установлено, что наиболее оптимальный диапазон активности инвертазы для дерново-подзолистой супесчаной почвы составляет 2425-2752 мг глюкозы/кг, который соответствует наиболее высокой продуктивности севооборота (рис. 5, 2).
Рис. 5 Инвертазная активность дерново-подзолистой супесчаной почвы в зависимости обеспеченности Р2О5 и доз фосфорных удобрений
Изучена активность биохимических процессов трансформации азотсодержащих органических соединений. Известно, что основная часть азота (94-95%) представлена в почве сложными органическими соединениями. Ключевым процессом, в результате которого азот, входящий в состав белков и их производных, становится доступным для растений является аммонификация. на разных ступенях аммонификации действуют специфические группы гидролитических ферментов. В результате последовательного протеолитического разложения до полипептидов и аминокислот, и далее под действием амидогидролаз и дезаминаз, азот органических соединений переходит в минеральную форму. Таким образом, действие гидролитических ферментов - протеаз, пептидаз, дезаминаз и амидогидролаз определяет динамику азота в почве.
Установлено, что при повышении содержания фосфора в почве от 207 до 286 мг/кг и дозах фосфорных удобрений Р10, Р30 и Р60 наблюдается постепенное возрастание протеолитической активности почвы. Ингибирование протеолитических процессов наблюдается на уровне насыщения почвы Р2О5 около 300 мг/кг при внесении Р30 и Р60, при более высоком содержании Р2О5, около 400 мг/кг, отмечено снижение активности фермента (рис. 6).